JP5565288B2 - 地中埋設管の塗覆装損傷部の電流密度推定方法、装置及び電気防食管理方法、装置 - Google Patents

Description

本発明は、地中埋設管の塗覆装損傷部の電流密度推定方法、装置及び電気防食管理方法、装置に係り、特に、地中埋設管の塗覆装損傷部周辺へのアクセスが不要で、且つ、交流腐食リスクを評価することが可能な地中埋設管の塗覆装損傷部の電流密度推定方法、装置及び、これを用いた電気防食管理方法、装置に関する。

地中埋設管の電気防食効果を評価する方法として、特許文献１には、図１（特許文献１の第１図に対応）に示す如く、塗覆装鋼管１の塗覆装損傷部２の近接ターミナル（埋設管に結線される導線）５と、地中に差し込んだ２本の照合電極４ａ、４ｂの間の電位差（管対地電位）を、多チャンネルデジタル電圧計３でそれぞれ測定し、図２（特許文献１の第５図に対応）に示す直流電位の変化を示すグラフにプロットして、その傾きから、防食効果を評価するのに必要な直流電流密度（防食電流密度）ｉ_DCを算出する方法が記載されている。

又、関連する技術として、特許文献２には、地中埋設管に特定周波数の交流電流を流したときに塗覆装損傷部の周辺に生ずる交流電位分布を、該塗覆装損傷部周辺の地中に差し込んだ複数の照合電極により検出し、解析することによって、地中埋設管の塗覆装損傷部面積を測定する技術が記載され、非特許文献１にも、電位分布解析による塗覆装損傷部付き埋設鋼管の腐食防食評価技術が記載されている。

特開平４−９５８６８号公報（第１図、第５図） 特開平４−９５８６７号公報

足立他「電位分布解析による塗覆装欠陥付き埋設鋼管の陰極防食評価」腐食防食協会 材料と環境，第40巻,19-25頁(1991)

しかしながら従来は、診断対象となる塗覆装損傷部の近くの埋設管金属部への接触又はターミナルが必要であり、塗覆装損傷部の近くにターミナルがない場合、準備に手間がかかるだけでなく、交流電流、即ち、交流腐食リスクの評価ができないという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、地中埋設管への配線、及び、地中埋設管の塗覆装損傷（欠陥を含む）部周辺へのアクセスが不要で、且つ、交流腐食リスクを評価可能とすることを課題とする。

なお、本発明を現場で実施するためには、地中埋設管の塗覆装損傷部の大体の位置が針電極法あるいはピアソン法などの従来技術によりわかっていること、塗覆装損傷部の面積及び深さ位置がわかっていること、ならびに大地（土壌）抵抗率がわかっていることが前提となる。

本発明は、地中埋設管の塗覆装損傷部の電流密度推定に際して、所定の深さにある地中埋設管の塗覆装損傷部の直上近傍の地表面に位置させた第１の照合電極と、該第１の照合電極から任意の距離だけ離れた地表面に位置させた第２の照合電極の間の電位差のみを、直流及び交流電圧計と地中埋設管との配線を行うことなく、直流及び交流電圧計でそれぞれ直接測定し、前記地中埋設管の深さをｄ、前記照合電極の間隔をｇ、前記地中埋設管の塗覆装損傷部の直上から前記第１の照合電極までの距離をＧ、大地（土壌）抵抗率をρ、直流の地表面電位差測定値をΔＶ _DC 、交流の地表面電位の地表面電位差測定値をΔＶ _AC として、次式
により、塗覆装損傷部に流入する直流電流Ｉ _DC と交流電流Ｉ _AC を導出し、予め求めておいた塗覆装損傷部面積で除して前記塗覆装損傷部の直流電流密度及び交流電流密度を導出することにより、前記塗覆装損傷部の電流密度を推定するようにして、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、前記の方法で推定された電流密度を用いて塗覆装損傷部の電気防食状態を評価することを特徴とする電気防食管理方法を提供するものである。

又、所定の深さにある地中埋設管の塗覆装損傷部の直上近傍の地表面に位置し得る第１の照合電極と、該第１の照合電極から任意の距離だけ離れた地表面に位置し得る第２の照合電極と、前記照合電極の間の電位差のみを、電圧計と地中埋設管との配線を行うことなく、直流及び交流でそれぞれ直接測定する電圧計と、前記地中埋設管の深さをｄ、前記照合電極の間隔をｇ、前記地中埋設管の塗覆装損傷部の直上から前記第１の照合電極までの距離をＧ、大地（土壌）抵抗率をρ、直流の地表面電位差測定値をΔＶ _DC 、交流の地表面電位の地表面電位差測定値をΔＶ _AC として、次式
により、塗覆装損傷部に流入する直流電流Ｉ _DC と交流電流Ｉ _AC を導出し、予め求めておいた塗覆装損傷部面積で除して前記塗覆装損傷部の直流電流密度及び交流電流密度を導出する手段と、を備え、前記第１及び第２の照合電極を共に地表面に位置させて、前記塗覆装損傷部の電流密度を推定することを特徴とする地中埋設管の塗覆装損傷部の電流密度推定装置を提供するものである。

ここで、前記照合電極を導電性車輪で構成し、該照合電極及び電圧計を走行可能な車両に搭載することができる。

本発明は、又、前記の装置で推定された電流密度を用いて塗覆装損傷部の電気防食状態を評価することを特徴とする電気防食管理装置を提供するものである。

本発明によれば、地中埋設管への配線を行うことなく、塗覆装損傷部周辺の地中埋設管へのアクセスも不要な地表面電位差測定値から損傷部電流を推定できる。又、直流電流（防食電流）推定と併せ、交流地表面電位差を測定し、損傷部交流電流を推定することで交流腐食リスクを評価することもできる。

特に、照合電極を導電性車輪で構成して、装置を走行可能な車両に搭載した場合は、現場への移動が極めて容易である。

特許文献１に記載された、従来の電気防食効果評価方法を実施する装置の概略構成を示す図 前記評価方法で用いる直流電位の変化を示すグラフ 本発明の第１実施形態を示す図 前記実施形態で電気防食の効果を推測するために用いる電気防食管理基準の一例を示す図 実施例における、プローブに直流・交流電流を印加したときの水槽実験回路を示す図 同じくプローブ直流電流の実測値と計算値を示す図 同じくプローブ交流電流の実測値と計算値を示す図 同じくプローブ直流電流密度の実測値と計算値を示す図 同じくプローブ交流電流密度の実測値と計算値を示す図 プローブ電流による電気防食管理基準の一例へプロットした例を示す図 本発明の第２実施形態を示す図

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図３に示す塗覆装損傷探査装置１０を用いて、所定の深さｄにある地中埋設管（例えば鋼管）１の塗覆装損傷部２の直上地表面の第１の照合電極１４ａと、該第１の照合電極１４ａから任意の距離ｇだけ離れた第２の照合電極１４ｂとの電位差を直流及び交流電圧計１３でそれぞれ測定し、該電位差から、後出（７）式、（８）式より直流電流及び交流電流をそれぞれ導出し、予め従来技術により求めておいた塗覆装損傷部面積で除して損傷部直流電流密度及び交流電流密度を導出するようにしたものである。

以下、本発明の原理を説明する。

地表面からの塗覆装損傷部２までの深さがｄのとき、地表面に現れる電位Ｖ（ｘ，ｙ）は、地表面のある一点を基準とし、管軸方向をｘ、水平方向で管軸方向と垂直な方向をｙ、深さ方向をｚ、塗覆装損傷部２に流れる電流をＩ、大地（土壌）抵抗率をρとすると、陽極（アノード）が陰極（カソード）から十分離れた位置に設置されている場合、無限遠を基準とする相対的なポテンシャルから次式で表される。

図３に示した塗覆装損傷探査装置１０は、地中埋設管１と接地電極（１４ａ、１４ｂ）との間に例えば商用周波数の交流信号電圧を印加する電源（図示省略）と、塗覆装損傷部２に流れる電流によって２つの接地電極（１４ａ、１４ｂ）の間に形成される電位差を計測する直流及び交流電圧計１３を有する。

前記塗覆装損傷探査装置１０が第１実施形態のように地中埋設管１の直上にあるとき、ｙ＝０であるので（１）式は次式で与えられる。

ここで第１の照合電極１４ａが塗覆装損傷部２の直上に位置するとき、第１の照合電極１４ａが検出する地表面電位は次式で与えられる。

このときの第２の照合電極１４ｂが検出する地表面電位は、照合電極間隔をｇとすると次式で与えられる。

従って、第１と第２の照合電極１４ａ、１４ｂが検出する地表面電位の差ΔＶ（＝Ｖ（０）−Ｖ（ｇ））は次式で与えられる。

ΔＶは、塗覆装損傷探査装置１０で計測できることから、大地（土壌）抵抗率ρが分かれば、次式により塗覆装損傷部２に流れる電流Ｉを計算できる。

直流の地表面電位差測定値をΔＶ_DCと表記すると、（６）式より、塗覆装損傷部２に流入する直流電流Ｉ_DCは次式で表される。

一方、地中埋設管１に流出入する交流は、通常、商用周波数（５０Ｈｚや６０Ｈｚ）である。そこで、商用周波数の地表面電位差測定値をΔＶ_ACと表記すると、（６）式より、塗覆装損傷部２に流出入する交流電流Ｉ_ACは次式で表される。

（７）式で求めた直流電流Ｉ_DCを従来技術で求めた塗覆装損傷部面積Ｓで除して、損傷部直流電流密度が求まる。同様に、（８）式と従来技術で求めた塗覆装損傷部面積Ｓにより損傷部交流電流密度が求まる。これらを図４に示す電気防食管理基準（細川裕二、梶山文夫、中村康朗「プローブ電流密度を指標とした土壌埋設パイプラインのカソード防食管理基準に関する検討」腐食防食協会 材料と環境、第51巻,第5号,221-226頁(2002)参照）にプロットすることで、電気防食の効果を推測できる。電気防食の効果は他にも、ドイツ工業規格DIN50 925:Nachweis der Wirksamkeit des kathodishen Korrosionsschutzes erdverlegter Anlagen.p.5 (1992) に示されるカソード防食管理基準の範囲内に、本技術で導出した損傷部直流電流密度及び損傷部交流電流密度評価があるかどうかで評価することができる。ただし、接触抵抗やポテンシャルの計算には理想的なモデルを想定しており、実際には得られた式と実測値の間の相関関係（以下に示す図６、図７、図８、図９など）を取り、補正を考慮する必要がある。水槽を用いた実験で得られた補正係数は１．１〜１．２であった。図示しないが様々な測定に対して補正係数は０．６〜１．８であった。

以上のように、塗覆装損傷部深さｄ、照合電極間隔ｇ、大地（土壌）抵抗率ρ、前後の照合電極１４ａ、１４ｂが検出する地表面電位差ΔＶなどの、非掘削で得られる値から、塗覆装損傷部２に流入する電流密度を計算で求めることができる。

以上の計算では、塗覆装損傷部２を半球（本来は円盤として仮定した方が実情と近いものの、半球の方が積分を考えやすい）として仮定しており、この場合、陽極の接触抵抗Ｒは次式のようになる。
ここで、ｒは半球の半径である。

この場合、電位差から算出される電流Ｉは、前出（６）式で表される。

一方、損傷を円盤として仮定すると、陽極の接触抵抗Ｒは次式のようになる。
ここで、ｒ’は円盤の半径である。

この場合、電位差ΔＶから算出される電流Ｉは、次式で表される。

更に、陽極の接触抵抗Ｒは、該陽極の表面積をＳ’として次式で表すこともできる。

この場合、電位差ΔＶから算出される電流Ｉは、次式で表される。

このため、塗覆装損傷部の接地抵抗の計算方法が変わっても、電流を計算することができる。

［実施例］
地表面電位の測定による塗覆装損傷部面積と塗覆装損傷部電流密度の評価に、水槽を用いた模擬試験を行った。

（１）直流・交流プローブ電流推定
図５に示す実験回路を用い、水槽２０内に沈めたプローブ（ＳＳ４００製）２２に、直流電流、及び、発振器（ＯＳＣ）２５で発生させた交流電流を、発信器であるポテンショ・ガルバノスタット２６を通じて印加したときの照合電極２８ａ、２８ｂ間の直流・交流水面電位差ΔＶ（Ｅ）を直流及び交流電圧計２９で測定して、（７）式と（８）式からプローブ直流電流Ｉ_DC及びプローブ交流電流Ｉ_ACを算出した。図において、３０は対極（ＳＵＳ製）である。

図６、図７に、プローブ直流電流Ｉ_DCとプローブ交流電流Ｉ_ACの実測値に対する算出値をそれぞれ示す。

（２）直流・交流プローブ電流密度推定
前項（１）で求めたプローブ直流・交流電流Ｉ_DC、Ｉ_ACを、予め求めておいたプローブ面積Ｓで除してプローブ直流電流密度、プローブ交流電流密度を求めた。

図８、図９に、プローブ直流、交流電流密度の実測値に対する算出値をそれぞれ示す。

上記計算値を、図４に示したプローブ電流による電気防食管理基準にプロットしたものを図１０に示す。本実験例では直流電流密度は防食領域内にあるが、交流電流密度が管理基準値より外れているプローブがあることを示している。

なお、腐食で問題になるのは商用周波数であることが多いが、交流は商用周波数に限定されない。

次に、図１１を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。この第２実施形態は、第１の照合電極を塗覆装損傷部の直上に位置させた第１実施形態を一般化して、第１の照合電極が塗覆装損傷部の直上にあるとは限らない場合に適用できるようにしたものである。

本実施形態の塗覆装損傷探査装置２０は、地上を自力で走行可能な二輪車で構成され、地中埋設管１と接地電極（前車輪電極２４ａ、後車輪電極２４ｂ）との間に例えば商用周波数の交流信号電圧を印加する車載電源（図示省略）と、塗覆装損傷部２に流れる電流によって２つの接地電極（前車輪電極２４ａ、後車輪電極２４ｂ）の間に形成される電位差を計測する車載の直流及び交流電圧計（図示省略）を有する。この塗覆装損傷探査装置２０で使用している車輪電極２４ａ、２４ｂは導電性ゴム製であり、前後車輪電極２４ａ、２４ｂの間の電位差を測定することができる。

前記塗覆装損傷探査装置２０が地中埋設管１の直上を走行しているときは第１実施形態と同様にｙ＝０であるので、前出（１）式は前出（２）式で表わされる。

ここで第１の照合電極である前車輪電極２４ａが塗覆装損傷部２の直上に位置するとき、前車輪電極２４ａが検出する地表面電位は、前出（３）式で与えられる。

このときに第２の照合電極である後車輪電極２４ｂが検出する地表面電位は、車輪電極間隔をｇとすると、前出（４）式で与えられる。

従って、前後車輪電極２４ａ、２４ｂの間の電位差ΔＶは、前出（５）式で与えられる。

ΔＶは、塗覆装損傷探査装置２０で計測できることから、大地（土壌）抵抗率ρが分かれば、前出（６）式により、塗覆装損傷部２に流れる電流Ｉを計算できる。

ここで前出（３）式は、前車輪電極２４ａが塗覆装損傷部２の直上に位置する時を想定しているが、照合電極が塗覆装損傷部２の直上でなくても、塗覆装損傷部２の直上との距離が分かっていれば電流を計算することができる。即ち、前車輪電極２４ａが塗覆装損傷部２からＧだけ離れている場合、（３）式は次式のようになる。

このときの後車輪電極２４ｂが検出する地表面電位は、車輪電極間隔をｇとすると次式のようになる。

従って、前後車輪電極２４ａ、２４ｂの間の電位差ΔＶは次式で与えられる。

ΔＶは、塗覆装損傷探査装置２０で計測できることから、次式により塗覆装損傷部２に流れる電流Ｉを計算できる。

この電流と電位の関係は直流でも交流でも成り立つから、次式を用いて、直流電流Ｉ_DCは直流電位差ΔＶ_DC、交流電流Ｉ_ACは交流電位差Δ_ACより推定することができる。
この（７’）式と（８’）式でＧ＝０とすれば、それぞれ前出（７）式と（８）式が得られる。

本実施形態においては、塗覆装損傷探査装置２０が二輪車と一体化され、自走可能とされているので、現場への移動が極めて容易である。なお、二輪車でなく、三輪車や四輪車と一体化したり、走行手段とは別体の可搬型や据置型とすることも可能である。

なお前記実施形態においては、いずれも、本発明が鋼管に適用されていたが、本発明の適用対象は、これに限定されず、金属管一般に適用できる。又、損傷は欠陥によるものも含む。

１…地中埋設管
２…塗覆装損傷部
１０、２０…塗覆装損傷探査装置
１３…直流及び交流電圧計
１４ａ、１４ｂ…照合電極
２４ａ…前車輪電極（第１の照合電極）
２４ｂ…後車輪電極（第２の照合電極）

Claims (5)

1. 所定の深さにある地中埋設管の塗覆装損傷部の直上近傍の地表面に位置させた第１の照合電極と、該第１の照合電極から任意の距離だけ離れた地表面に位置させた第２の照合電極の間の電位差のみを、直流及び交流電圧計と地中埋設管との配線を行うことなく、直流及び交流電圧計でそれぞれ直接測定し、
   前記地中埋設管の深さをｄ、前記照合電極の間隔をｇ、前記地中埋設管の塗覆装損傷部の直上から前記第１の照合電極までの距離をＧ、大地（土壌）抵抗率をρ、直流の地表面電位差測定値をΔＶ _DC 、交流の地表面電位の地表面電位差測定値をΔＶ _AC として、次式
   により、塗覆装損傷部に流入する直流電流Ｉ _DC と交流電流Ｉ _AC を導出し、
   予め求めておいた塗覆装損傷部面積で除して前記塗覆装損傷部の直流電流密度及び交流電流密度を導出することにより、
   前記塗覆装損傷部の電流密度を推定することを特徴とする地中埋設管の塗覆装損傷部の電流密度推定方法。
2. 請求項１に記載の方法で推定された電流密度を用いて塗覆装損傷部の電気防食状態を評価することを特徴とする電気防食管理方法。
3. 所定の深さにある地中埋設管の塗覆装損傷部の直上近傍の地表面に位置し得る第１の照合電極と、
   該第１の照合電極から任意の距離だけ離れた地表面に位置し得る第２の照合電極と、
   前記照合電極の間の電位差のみを、電圧計と地中埋設管との配線を行うことなく、直流及び交流でそれぞれ直接測定する電圧計と、
   前記地中埋設管の深さをｄ、前記照合電極の間隔をｇ、前記地中埋設管の塗覆装損傷部の直上から前記第１の照合電極までの距離をＧ、大地（土壌）抵抗率をρ、直流の地表面電位差測定値をΔＶ _DC 、交流の地表面電位の地表面電位差測定値をΔＶ _AC として、次式
   により、塗覆装損傷部に流入する直流電流Ｉ _DC と交流電流Ｉ _AC を導出し、予め求めておいた塗覆装損傷部面積で除して前記塗覆装損傷部の直流電流密度及び交流電流密度を導出する手段と、
   を備え、
   前記第１及び第２の照合電極を共に地表面に位置させて、前記塗覆装損傷部の電流密度を推定することを特徴とする地中埋設管の塗覆装損傷部の電流密度推定装置。
4. 前記照合電極が導電性車輪でなり、該照合電極及び電圧計が走行可能な車両に搭載されていることを特徴とする請求項３に記載の地中埋設管の塗覆装損傷部の電流密度推定装置。
5. 請求項４に記載の装置で推定された電流密度を用いて塗覆装損傷部の電気防食状態を評価することを特徴とする電気防食管理装置。