JP5879216B2 - 海水淡水化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、海水淡水化装置に関する。
海水淡水化装置において、装置の長寿命化や廉価材料の適用による低コスト化を進めるに当たっては、装置に使用される配管の腐食を防止する必要がある。特に、配管接合部にはすきま腐食と呼ばれる腐食が生じやすい。このすきま腐食は局部的な腐食形態であり、その進行速度は金属の全面腐食速度より速い。そして、すきま腐食は、配管接合部であるフランジ部で起こることが一般に知られており、これを解決するための各種技術が開示されている。
配管の腐食を防止する技術の一例として、海洋構造物や地中埋設管、船舶などに広く適用されている電気防食法が挙げられる。この電気防食法は、防食対象物に外部から電圧を印加して、腐食電流と逆の符号を持つ(つまり、腐食電流とは逆方向に流れる)防食電流を流すことによって腐食電流を減少させ、防食対象物の腐食を抑えるという手法である。
そして、電気防食法は、電圧の印加方法により以下の2つの手法に分類される。
第1の手法は、流電陽極法と呼ばれる手法であって、防食対象物に対して電気化学的に卑な電位を持つ物質を流電陽極として用い、この流電陽極と防食対象物とを電気的に接続し、防食対象物と流電陽極の電位差を利用して防食対象物に防食電流を流す手法である。
第2の方法は、外部電源法と呼ばれる手法であって、陰極に設定した防食対象物に対して難溶性の電極を電気的に接続して、この電極から直流電源装置を用いて防食電流を供給する手法である。
また、例えば、特許文献1には、構造的にすきま腐食を抑える手法が記載されており、詳細には、内部に塩水が通る配管の端部に形成されたフランジ同士を、環状のガスケットを介して接合した配管の接合構造であって、配管のうち少なくとも一方の配管が、少なくとも内面およびフランジ面が樹脂で被覆されたライニング管であると共に、ガスケットは、断面U字形で開口部が内周側を向いた圧縮弾性を有するゴム製の環状本体と、環状本体の外周側に固着された肉厚が薄い板状の補強外輪部とから構成されていることを特徴とする接合構造が記載されている。
また、特許文献2には、外部電源法を利用した手法が記載されており、詳細には、フランジ部の電気防食構造を、ステンレス鋼製フランジ部同士、Ni基合金製フランジ部同士、あるいはステンレス鋼製フランジ部とNi基合金製フランジ部の相互接合面間に、針金状、短冊状、あるいはリング薄板状の不溶性陽極を、リング板状の絶縁性ガスケットで挟んで前記フランジ部と絶縁し、かつ内側端部を配管内面に露出させて挿着した構造が記載されている。
特開2011−33173号公報 特開平11−92981号公報
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、接合される配管の一方が配管内面を被覆したライニング鋼管に限定されてしまうという問題点がある。そして、海水淡水化装置の高圧配管内においては、ライニング鋼管の被覆がはがれる事象が確認されていることから、特許文献1に記載の技術を海水淡水化装置に適用しても耐食性が保障されないという問題点がある。
また、特許文献2に記載の技術では、配管接合部に電極を挿入しガスケットで密着性を向上させているが、電極とガスケットとのすきまからの漏水によって、フランジ部外周にすきま腐食が発生し、配管から漏水が発生する可能性があるという問題点がある。
本発明は、前記した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、装置内の配管接合部のすきま腐食を抑制することができる海水淡水化装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、本発明に係る海水淡水化装置は、端部にフランジ部を有する複数の配管と、前記フランジ部同士を接合した前記配管の接合部において、前記フランジ部同士の間に配置されるグラファイト含有部材と、を備え、前記グラファイト含有部材の浸漬電位は、前記配管の浸漬電位よりも200mV以上低く、前記グラファイト含有部材は、カーボン及び不純物からなることを特徴とする。
本発明によれば、装置内の配管接合部のすきま腐食を抑制することができる海水淡水化装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係る海水淡水化装置の構成を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る海水淡水化装置の配管接合部の構成を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る配管接合部の断面図である。 本発明の実施形態に係る配管接合部(変形例)の断面図である。 本発明の実施形態に係る海水淡水化装置(変形例)の構成を示す説明図である。 実施例において使用した測定装置を示す模式図である。
以下、本発明を実施するための形態(実施形態)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
≪海水淡水化装置≫
図1は、本発明の実施形態に係る海水淡水化装置の構成を示す説明図である。なお、図1に示す海水淡水化装置100Aは、いわゆる逆浸透圧膜式海水淡水化装置である。
海水淡水化装置100Aは、海水を前処理し淡水化するため、前処理膜104を有する前処理装置103と、逆浸透圧膜106を有する逆浸透圧膜装置105と、を備える。そして、海水淡水化装置100Aは、外部(海、海水の入ったタンクなど)と前処理装置103とを連結する原海水配管107、前処理装置103と逆浸透圧膜装置105とを連結する処理水配管108、逆浸透圧膜装置105と外部(ろ過水貯蔵施設など)とを連結するろ過水配管109、逆浸透圧膜装置105と外部(海、排水タンクなど)とを連結する濃縮塩水配管110、という複数の配管をさらに備えるとともに、配管のうち少なくとも原海水配管107および処理水配管108の途中にポンプ101、102を備える。
≪配管接合部≫
図2は、海水淡水化装置に用いる配管の接合部(以下、適宜、配管接合部という)の構成を示す説明図である。そして、図2に示す配管接合部300Aは、図1に示した海水淡水化装置100Aに用いられる全ての配管、例えば、原海水配管107、処理水配管108、ろ過水配管109、濃縮塩水配管110などに適用することができる。
図3に示すように、配管接合部300Aは、端部にフランジ部2、4を有する配管1、5と、フランジ部2、4同士の間に配置されるグラファイトを含有する部材3(以下、グラファイト含有部材3という)と、を備えて構成される。
なお、グラファイト含有部材3がフランジ部2、4の間に挟持された状態で、フランジ部2、4がボルトおよびナット(図示せず)などで接合されることで、配管1、5の内部に水(塩水および淡水)を通過させることができる。
<配管およびフランジ部>
この配管1、5およびフランジ部2、4の材料には、高強度かつ高耐食性を有する材料が適しており、例えば、SUS304、SUS316、SUS316Lなどのオーステナイト系ステンレス鋼やSUS329J4Lなどの2相ステンレス鋼を用いることができる。また、配管1とフランジ部2、配管5とフランジ部4とをそれぞれ接合する溶接金属には、例えば、SUS304やSUS316などの材料を用いることができる。また、ボルトおよびナットにも高強度かつ高耐食性な材料が要求され、例えば、SUS304製などを用いることができる。
なお、配管1、5およびフランジ部2、4は、それぞれ別部材で構成されていてもよいが、以下の説明においては、配管1の端部にフランジ部2が一体となって形成されており、配管5の端部にフランジ部4が一体となって形成されているものとして説明する。
図3は、配管接合部の断面図である。より詳細には、図3は、配管1、5の中心軸と平行に配管接合部300Aを切断した断面図である。
<グラファイト含有部材>
図3に示すように、グラファイト含有部材3は、所定の厚みを有するリング状を呈するとともに、配管1、5の内径よりも距離Lだけ縮径した内径を呈する。つまり、配管接合部300Aにおいて、グラファイト含有部材3は、配管1、5内部の水(配管内通水)11の流路上において、配管1、5の径方向内側に距離Lだけ突出するように設けられる。
このように、グラファイト含有部材3を配管1、5の径方向内側に距離Lだけ突出させることにより、全く突出させない場合と比較して、グラファイト含有部材3と、配管1、5内部の配管内通水11と、の接触面積を大きくすることができる。したがって、グラファイト含有部材3と、配管内通水11と、配管1、5と、の間において、好適な電気的接触状態(導通状態)を維持することができる、つまり、グラファイト含有部材3→配管内通水11→配管1、5→グラファイト含有部材3という電気的な閉回路を構成することができる。その結果、グラファイト含有部材3が、電気防食法(詳細には、流電陽極法)の流電陽極として作用することとなる。
距離Lについては、グラファイト含有部材3と配管内通水11と配管1、5との導通が保障できれば任意の距離でよいが、3〜5mmであることが好ましい。距離Lが3mm未満であると、グラファイト含有部材3と配管内通水11との十分な接触面積を確保することができず、5mmを超えると、グラファイト含有部材3が配管内通水11により損傷したり、配管内通水11の流れを阻害したりする可能性があるからである。
なお、グラファイト含有部材3は、図3に示すように、フランジ部2、4との液密性が確保できる形状を呈しているため、ガスケットとしての役割も果たすことができる。
(グラファイト含有部材の浸漬電位)
グラファイト含有部材3の浸漬電位は、配管1、5の浸漬電位より卑な電位であり、詳細には、配管1、5の浸漬電位よりも200mV以上低い電位である。
なお、ここでの浸漬電位は、実環境を模擬して、水素イオン濃度指標(pH)が8.2の人工海水中に浸漬させたときに発生する浸漬電位であり、銀−塩化銀飽和塩化カリウム電極を基準としてポテンショガルバノスタットを用いて測定した電位である。
グラファイト含有部材3の浸漬電位が、配管1、5より卑な電位となることにより、流電陽極(グラファイト含有部材3)と防食対象物(配管1、5)とを接続した際の異種金属間電流が、腐食電流とは逆の方向に流れる防食電流となる。
そして、グラファイト含有部材3の浸漬電位が、配管1、5の浸漬電位よりも200mV以上低い電位であることにより、配管1、5とグラファイト含有部材3との間の電位差によって配管1、5およびフランジ部2、4に防食電流を適切に流すことができ、腐食電流を打ち消すことにより、配管接合部300におけるすきま腐食を確実に抑制することができる。
一方、グラファイト含有部材3の浸漬電位が、配管1、5の浸漬電位と比較して、卑な電位ではあるが200mV未満の差しかない場合は、長期の運転期間によって生じる環境の変化などにより、防食電流の向きが変わってしまうといった事象の発生が高くなってしまう。
なお、グラファイト含有部材3と配管1、5との間の防食電流が、配管1、5の不導体電流密度よりも大きくなると、グラファイト含有部材3の腐食の進行が大きくなってしまう。よって、グラファイト含有部材3と配管1、5との間の防食電流は、配管1、5の不導体電流密度よりも小さくなることが好ましい。具体的には、不働態保持電流密度が0.1μA/cmのステンレス鋼を配管1、5として使用した場合、防食電流(異種金属間電流)を0.1μA/cmより低くなるように、グラファイト含有部材3を選定するのが好ましい。
また、流電陽極から防食対象物に流れる防食電流は、陽極直近の電流密度の方が陽極遠方の電流密度よりも高くなる。よって、流電陽極を防食対象物の近傍に設置することにより、高い電流密度の防食電流を供給し易くなる。したがって、流電陽極であるグラファイト含有部材3は、防食対象物である配管1、5の近傍に設置されることが好ましく、図3に示すように、グラファイト含有部材3が配管1、5(詳細には、配管1、5のフランジ部2、4)に隣接している状態が最も好ましい。
(グラファイト含有部材の材質等)
グラファイト含有部材3は、グラファイトを含む材料からなる部材であり、市販されているグラファイトガスケットやグラファイトシートなどを、フランジ部2、4の形状および配管1、5の内径を考慮して加工したものを用いることができる。
ここで、グラファイトとは、カーボンの積層構造によって構成された固体であり、その層間距離はおよそ3.35×10−10mである。
なお、市販されているグラファイトガスケットやグラファイトシートは、カーボン単体ではなく、不純物を含んでいるが、前記した浸漬電位の条件を満たすものであれば、好適に用いることができる。
次に、図1を参照して、海水淡水化装置による海水の処理の方法について説明する。
≪海水淡水化装置による海水の処理≫
図1に示す海水淡水化装置100Aにおいて、ポンプ101によって海からくみ上げられた海水(原海水ともいう)は、原海水配管107を通り、前処理装置103へと送られる。そして、海水は、前処理装置103で殺菌処理および前処理膜104によりろ過処理が施され、原海水中に含まれる生物(微生物、その代謝物など)や汚泥が除去される。そして、前処理装置103で処理された前処理済み水は、ポンプ102の作用によって処理水配管108を通り、逆浸透圧膜装置105に送られる。前処理済み水は、逆浸透圧膜装置105で圧力を加えられることによって、逆浸透圧膜106を通過し、淡水(ろ過水)と濃縮塩水(ブライン水)とに分離される。この後、淡水はろ過水配管109を通り、ろ過水貯蔵施設(図示せず)などに送られる。また、濃縮塩水は、濃縮塩水配管110を通り、海などに排出される。
以上説明したように、本発明の実施形態に係る海水淡水化装置100Aによれば、グラファイト含有部材3によって配管1、5に対して防食電流を供給することができ、配管接合部300Aの腐食を防止して、配管接合部300Aの長寿命化を図ることができる。また、海水淡水化装置100Aによれば、従来、耐食性不足によって用いることのできなかった廉価材料を、既存の配管材料と同程度の寿命を持つ配管材料として用いることが可能になるため、海水淡水化装置100Aの低コスト化が可能になる。
また、本発明の実施形態に係る海水淡水化装置100Aによれば、電気防食法の流電陽極としてグラファイト含有部材3を用いているため、流電陽極であるグラファイト含有部材3からの溶出物が炭素生成物となる。ここで、海水淡水化装置100Aには、元々生物由来の炭素生成物に対するフィルター(前処理膜104)が設置されていることから、この前処理膜104により流電陽極からの溶出物を適切に除去することができるため、逆浸透圧膜106への過剰な負荷をかけることなく、配管接合部300Aの腐食を防止することができる。
なお、一般的な電気防食法(詳細には、流電陽極法)においては、流電陽極として、亜鉛(Zn)合金やアルミニウム(Al)合金などの金属電極が用いられている。しかしながら、海水淡水化装置100Aにおいて、これら金属電極を流電陽極として用いると、金属イオンの溶出によって淡水化された水を汚染し、逆浸透圧膜106に負荷をかける可能性がある。
つまり、本発明に係る配管接合部300Aは、海水淡水化装置100Aに適用されることにより、処理対象である海水または淡水の汚染を回避しつつ、配管接合部300Aの防食を防ぐという効果を奏することとなる。
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されず、発明の主旨に応じた適宜の変更実施が可能である。
≪配管接合部(変形例)≫
図4は、ガスケットをさらに設けた場合の配管接合部(変形例)の断面図である。図4に示すように、配管接合部300Bは、密着性向上のために、図3の配管接合部300Aと比較して、グラファイト含有部材3とフランジ部2、4との間にさらにガスケット500を挿入して構成される。そして、このガスケット500は、リング状を呈するとともに、配管1、5の内径と略同じ内径を呈する。
そして、ガスケット500は、導電性材料で構成されている(導電性ガスケット)。これにより、グラファイト含有部材3と、配管内通水11と、配管1、5と、を電気的な接触状態とすることが可能となる、つまり、グラファイト含有部材3→配管内通水11→配管1、5→ガスケット500→グラファイト含有部材3という電気的な閉回路を構成することができる。その結果、グラファイト含有部材3に流電陽極作用を持たせることができる。
なお、ガスケット500が非導電性材料で構成されている場合には、配管1、5の外部に、配管1、5とグラファイト含有部材3との間の導通を可能とする配線510(リード線など)を設ければよい。この配線510を設けることにより、グラファイト含有部材3と、配管内通水11と、配管1、5と、を電気的な接触状態とすることが可能となる、つまり、グラファイト含有部材3→配管内通水11→配管1、5→配線510→グラファイト含有部材3という電気的な閉回路を構成することができる。その結果、グラファイト含有部材3に流電陽極作用を持たせることができる。
また、図4では、ガスケット500をグラファイト含有部材3とフランジ部2との間、およびグラファイト含有部材3とフランジ部4との間にそれぞれ設けた図を示しているが、いずれかのフランジ部側にのみガスケット500を設けてもよい。
≪海水淡水化装置(変形例)≫
図5は、本発明の実施形態に係る海水淡水化装置(変形例)の構成を示す説明図である。なお、図5に示す海水淡水化装置100Bは、いわゆる2段階式逆浸透圧膜式海水淡水化装置である。
海水淡水化装置100Bは、図1に示す海水淡水化装置100Aと略同様の構成であるが、逆浸透圧膜装置105の代わりに、高圧逆浸透圧膜装置121と低圧逆浸透圧膜装置123とを備える点で相違する。
海水淡水化装置100Bにおいて、前処理装置103までの処理は図1に示す海水淡水化装置100Aと同様である。
前処理装置103で処理された前処理済み水は、ポンプ102の作用によって処理水配管108を通り、高圧逆浸透圧膜装置121に送られる。前処理済み水は、高圧逆浸透圧膜装置121で高圧力を加えられることによって高圧逆浸透圧122を通過し、1次ろ過水(淡水)と1次濃縮塩水とに分離される。
この後、1次ろ過水はろ過水配管109を通り、ろ過水貯蔵施設(図示せず)などに送られる。また、1次濃縮塩水は、ポンプ120によって2次処理用配管125を通り、低圧逆浸透圧膜装置123に送られる。1次濃縮塩水は、低圧逆浸透圧膜装置123でさらに加圧され、低圧逆浸透圧膜124でろ過されて、2次ろ過水(淡水)と2次濃縮塩水(濃縮塩水)とに分離される。2次ろ過水は、戻り配管126およびろ過水配管109を通り、ろ過水貯蔵施設(図示せず)などに送られる。また、2次濃縮塩水は、濃縮塩水配管110を通り、海などに排出される。
なお、海水淡水化装置100A、100Bの構成については、例えば、砂泥の効率的な除去のためにpH調整剤や凝集剤を添加する手段といった従来公知の手段をさらに備えるという構成であってもよい。
以下、実施例を挙げて本発明に係る海水淡水化装置をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
<試験供試材>
配管材料の試験供試材(以下、供試材Aとする)として、S32101(C:0.024wt%、Cr:21.4wt%、Ni:1.5wt%、Mo:0.3wt%、Cu:0.3wt%、N:0.23wt%)を、20mm×70mm×2mmの板状に加工し、サンドペーパーによる湿式研磨を#180、#400(番号はサンドペーパーの型番)の順に行ったものを使用した。なお、表面洗浄にはアセトンを用い、5分間超音波洗浄した。
グラファイト含有部材の試験供試材(以下、供試材Bとする)として、グラファイトシート(Panasonic社製:型番EYGS182310)、カーボンテープ(神東塗料社製:型番ST−9149)、およびグラファイトブロックを使用した。
なお、各供試材A、Bの組成分析結果を表1に示す。
Figure 0005879216
<防食試験条件>
防食試験は、図6に示す測定装置600を用いて行った。詳細には、容器650中の人工海水630に、供試材A610と供試材B620とを10mmの間隔(電極間距離)を保ち対面するような状態で浸漬させた。そして、供試材A610と供試材B620との間の異種金属間腐食電流密度が定常状態となった時点(3、4日経過後)の電流密度を無抵抗電流計640により測定した。この測定値を異種金属間腐食電流密度とした。
なお、供試材A610と供試材B620との浸漬面積は、海水淡水化装置100のグラファイト含有部材3とフランジ部2、4との実環境における浸漬面積比を想定して決定した。詳細には、供試材A610の浸漬面積を10cmとし、供試材B620の浸漬面積を1cmとした。そして、人工海水630の塩分濃度は、実環境を模擬して3.5%とした。
また、各供試材A610、供試材B620の浸漬電位は、3.5%の人工海水630に各部材を浸漬させ、銀−塩化銀飽和塩化カリウム電極を基準としてポテンショガルバノスタットを用いて測定した。
これらの測定結果を表2に示す。なお、表2中における異種金属間腐食電流密度が正の場合は、「610→640→620」の方向に電流が流れている状態を示し、負の場合は、「620→640→610」の方向に電流が流れている状態を示している。
Figure 0005879216
表2に示すように、配管材料であるS32101の浸漬電位が+30mV(vs. Ag/AgCl、以下同じ)であるのに対して、グラファイトシートの浸漬電位は+5mV、カーボンテープの浸漬電位は−180mV、グラファイトブロックの浸漬電位は+275mVであった。また、異種金属管腐食電流は、グラファイトシートが−0.003μA/cm、カーボンテープが+0.05μA/cm、グラファイトブロックが−0.04μA/cmであり、カーボンテープのみ防食電流を供給できていることがわかった。
以上の試験結果から、防食対象物(供試材A610)の浸漬電位より対極(供試材B620)の浸漬電位が200mV以上低ければ、異種金属間腐食電流密度が正となり、防食電流が適切に供給されることが判明した。すなわち、グラファイト含有部材3の材料として、配管1、5の材料より浸漬電位が200mV以上低い材料を選択すれば、防食電流を供給し、配管の腐食を防止することができることが判明した。
なお、異種金属間腐食電流密度が正となっていれば防食電流が供給されることとなり、防食対象物(配管1、5)の腐食を防止できるが、防食電流が大きくなりすぎると流電陽極(グラファイト含有部材3)の腐食が進行しすぎてしまう。よって、防食電流の大きさを防食対象物の不働態保持電流密度以下にすることが好ましい。
ここで、供試材A610(S32101)の不働態保持電流密度は+0.1μA/cmであり、供試材B620としてカーボンテープ(浸漬電位:−180mV)を用いた場合の異種金属間腐食電流密度が、+0.05μA/cmであった。つまり、この場合、異種金属間腐食電流密度が正となるとともに、供試材A610(S32101)の不働態保持電流密度以下となったことから、特に好ましい結果であったことがわかる。
1、5 配管
2、4 フランジ部
3 グラファイト含有部材
100A、B(100) 海水淡水化装置
300A、B(300) 配管接合部
500 ガスケット
510 配線

Claims (6)

  1. 端部にフランジ部を有する複数の配管と、
    前記フランジ部同士を接合した前記配管の接合部において、前記フランジ部同士の間に配置されるグラファイト含有部材と、を備え、
    前記グラファイト含有部材の浸漬電位は、前記配管の浸漬電位よりも200mV以上低く
    前記グラファイト含有部材は、カーボン及び不純物からなることを特徴とする海水淡水化装置。
  2. 前記グラファイト含有部材は、リング状を呈することを特徴とする請求項1に記載の海水淡水化装置。
  3. 前記グラファイト含有部材は、前記配管の内径よりも小さな内径を呈することを特徴とする請求項2に記載の海水淡水化装置。
  4. 前記配管内には水が流されており、
    前記グラファイト含有部材と前記配管と前記水とが導通していることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の海水淡水化装置。
  5. 前記フランジ部と前記グラファイト含有部材との間に導電性のガスケットをさらに備えることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の海水淡水化装置。
  6. 前記フランジ部と前記グラファイト含有部材との間に設けられたガスケットと、
    前記配管の外部に設けられ、前記配管と前記グラファイト含有部材との間の導通を可能とする配線と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の海水淡水化装置。
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