JP5945511B2 - 外部電源カソード防食装置 - Google Patents

Description

本発明は、クーポン電流密度制御型の外部電源カソード防食装置に関するものである。

外部電源カソード防食装置は、直流電源を用いて、電解質中に設けた電極をアノードとし電解質中に存在する防食対象の金属構造物をカソードとして、アノードから電解質中に防食電流を発生させ金属構造物をカソード防食するものである。一般に、外部電源カソード防食装置は、電源電圧を調整して金属構造物の対電解質電位が防食電位よりマイナス側になるように防食電流の出力を制御することが行われている。例えば、地中に埋設された金属パイプラインが防食対象の場合には、管対地電位が飽和硫酸銅電極基準で−０．８５Ｖよりマイナス側になるように電源電圧を調整することが行われている。

一方、防食対象となる金属構造物に電気絶縁性の高いプラスチック被覆が施されている場合には、金属構造物の対電解質電位を実測することができないため、金属構造物にプラスチック被覆の欠陥部を模擬したクーポンと呼ばれる金属片（金属構造物と同材質の金属片）を接続し、クーポン流入電流を計測することで定量的な防食管理を行っている。クーポンは、表面積が既知（例えば、１０ｃｍ²）の金属片であり、リード線を介してこのクーポンを金属構造物に接続することで、クーポンは電気回路上プラスチック被覆の欠陥部と等価なものになる。

プラスチック被覆が施されている金属構造物に接続される外部電源カソード防食装置には、クーポン電流密度によって防食電流を制御するもの（クーポン電流密度制御型外部電源カソード防食装置）が知られている。下記特許文献１には、プラスチック被覆が施された埋設金属パイプラインにクーポンと外部電源カソード防食装置を接続し、クーポン流入直流電流密度がクーポン電流密度を指標としたカソード防食基準内になるように、クーポン流入直流電流密度の最小値を設定値と比較して外部電源カソード防食装置の出力調整を行うことが記載されている。

ここでのクーポン電流密度を指標としたカソード防食基準とは、クーポン電流密度の直流成分（クーポン流入直流電流密度）をＩ_DC、クーポン電流密度の交流成分（クーポン交流電流密度）をＩ_ACとした場合に、［Ｉ］０．１Ａ／ｍ²≦Ｉ_DC＜１．０Ａ／ｍ²，Ｉ_AC＜２５Ｉ_DC［II］１．０Ａ／ｍ²≦Ｉ_DC≦４０Ａ／ｍ²，Ｉ_AC＜７０Ａ／ｍ²となる基準である。クーポン電流密度は、計測されたクーポン電流をクーポンの表面積（例えば、１０ｃｍ²）で除した値である。

ここで、交流腐食のリスクが無い又は事前に排除されていることを前提にすると、クーポン電流密度はクーポン直流電流密度と同義であり、カソード防食基準はクーポン流入直流電流密度Ｉ_DCのみに着目すればよい。そして、Ｉ_DCが、カソード防食基準の下限値である０．１Ａ／ｍ²よりマイナス側の場合には直流腐食リスクがあることが確認されており、カソード防食基準の上限値である４０Ａ／ｍ²よりプラス側の場合には過防食リスクがあることが確認されている。

特開２０１２−１５３９１８号公報

前述した従来技術では、０．１ｍｓ間隔でクーポン電流を計測し、２０ｍｓの単位時間毎に２００個のクーポン電流Ｉ（Ｉ₁，Ｉ₂，…，Ｉ₁₉₉，Ｉ₂₀₀）の計測値から下記式（１）によって一つのクーポン流入直流電流密度Ｉ_DCを求めている（但し、Ａ：クーポン表面積，Ｉｎ：ｎ番目に計測されたクーポン電流の計測値）。そして、１０ｓの設定時間で求められる５００個のクーポン流入直流電流密度Ｉ_DCの中から最小値Ｉ_DC ^minを求めて、この最小値Ｉ_DC ^minを基準値と比較することで、外部電源カソード防食装置の出力を調整している。

このような従来技術によると、レール漏れ電流などの迷走電流が急激に増えた場合などでは、急激な状況変化に外部電源カソード防食装置の出力調整が間に合わなくなり、クーポン電流Ｉの計測値が瞬間的にカソード防食基準の下限値又は上限値に相当する値から外れることがある。このような場合には、その間直流腐食リスクや過防食リスクが高まる懸念があった。

また、外部電源カソード防食装置の電源は、直流電源ではあるが、実際は商用交流電源を整流した直流電源が用いられており、交流波形由来のリプルが防食電流の出力に現れる。このため、計測されるクーポン電流は防食電流出力のリプルによる変動が必然的に含まれることになる。このようなクーポン電流を直接基準値と比較して外部電源カソード防食装置の出力を制御しようとすると、出力を高低に切り換えるスイッチング動作が頻繁に行われることになって安定性の高い制御を行うことができない。

このため従来技術では、クーポン電流自体を目標値と比較して防食電流を制御することは行っておらず、クーポン電流の計測値数点から求められるクーポン流入直流電流密度がカソード防食基準の範囲内に平均的に入ればよしとする制御を行わざるを得ないのが現状であった。このような制御では、カソード防食基準は０．１〜４０Ａ／ｍ²という広い範囲（２桁の範囲）があるので、クーポン電流自体がその範囲内で大きく変動するような場合には、外部電源カソード防食装置の内部回路での電力損失（例えば、ダイオードの損失、インダクタの損失、制御ＩＣの損失など）が大きくなる懸念があった。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、クーポン電流によって防食電流が制御される外部電源カソード防食装置において、安定した防食電流の制御を可能にし、直流腐食リスクや過防食リスクの懸念を極力排除することができ、計測されるクーポン電流を比較的狭い範囲内に常時納めることで電力損失を抑えた外部電源カソード防食装置の稼働を実現すること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明による外部電源カソード防食装置は、以下の構成を少なくとも具備するものである。
防食対象物に接続されたクーポンと防食対象物を流れるクーポン電流を計測して、防食対象物周辺の電解質中に設置されたアノードから出力する出力電流を制御する外部電源カソード防食装置において、交流電源から平滑な直流電圧を出力する平滑直流電圧出力手段と、前記平滑直流電圧出力手段によって出力される出力電圧を制御する出力電圧制御手段を備え、前記出力電圧制御手段は、計測されたクーポン電流がカソード防食基準内の制御電流範囲内に入るように前記出力電圧を制御し、前記平滑直流電圧出力手段からの出力電圧を設定周波数でオン・オフするスイッチング回路を備えて、前記設定周波数の周期をクーポン電流計測時のサンプリング周期と一致させ、計測されたクーポン電流を前記制御電流範囲の上限・下限設定値と比較して、前記スイッチング回路のスイッチングオン時間と前記設定周波数におけるスイッチング周期との比であるデューティ比を調整する比較・調整手段とを備え、前記比較・調整手段は、計測されたクーポン電流が前記下限設定値を下まわった時に前記デューティ比が大きくなるように調整し、計測されたクーポン電流値が前記上限設定値を上まわったときに前記デューティ比が小さくなるように調整することを特徴とする外部電源カソード防食装置。

このような特徴を有する外部電源カソード防食装置によると、平滑直流電圧出力手段によって出力電圧を平滑化し、更に、計測されたクーポン電流がカソード防食基準内の中間的な制御電流範囲内に入るように、平滑直流電圧出力手段から出力される出力電圧を制御するので、安定した防食電流の制御が可能になり、防食対象物周辺の電解質中に流れる迷走電流が急激に変化した場合であっても、直流腐食リスクや過防食リスクの懸念が少ない制御を実行することができる。また、クーポン電流を安定的に比較的狭い制御電流範囲内に納めることで、外部電源カソード防食装置の内部回路での電力損失を少なくすることができ、省電力モードでの稼働を可能にすることができる。

本発明の一実施形態に係る外部電源カソード防食装置の構成例を示した説明図である。 カソード防食基準を平面図形で視覚化したカソード防食合格領域図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。以下の説明では、プラスチック被覆が施された埋設金属パイプラインが防食対象物となる例を示して説明するが、防食対象物としては特にこれに限定されるものではなく、クーポン電流によって防食状況の管理を行うことができる地下貯蔵タンクなどの全ての金属構造物を対象とすることができる。

また、防食対象物は、交流腐食のリスクが無い或いは交流腐食のリスクが事前に解消されていることを前提としている。クーポン交流電流密度Ｉ_ACを求めて、これがカソード防食基準に合格していない場合（交流腐食リスクがある場合）には、例えば、交流誘導低減器の設置などによる交流腐食防止対策を講じて、交流腐食のリスクを解消する。よって、ここでのクーポン電流（クーポン電流密度）は、クーポン直流電流（クーポン直流電流密度）と同義である。

図１は本発明の一実施形態に係る外部電源カソード防食装置の構成例を示した説明図である。図示の防食対象物は電解質（土壌）中に埋設された金属パイプライン（以下単にパイプラインという）Ｐであり、その周囲は電気絶縁性の高いプラスチック被覆で覆われている。パイプラインＰ近傍の電解質中にはクーポンＣが設置されており、また、パイプラインＰ周辺の電解質中にはアノードＡが設置されている。

外部電源カソード防食装置１は、防食対象物であるパイプラインＰに接続されたクーポンＣとパイプラインＰを流れるクーポン電流を計測して、パイプラインＰ周辺の電解質中に設置されたアノードＡから出力する防食電流（出力電流）を制御するものであり、リード線Ｌ１を介してクーポンＣと電気的に接続する接続端子１ａと、リード線Ｌ２を介してパイプラインＰと電気的に接続する接続端子１ｂと、リード線Ｌ３を介してアノードＡと電気的に接続する接続端子１ｃと、リード線Ｌ４を介してパイプラインＰと電気的に接続する接続端子１ｄを備えている。接続端子１ａと接続端子１ｂはシャント抵抗２５を介して接続されている。クーポン電流計測手段２４は、シャント抵抗２５を流れる電流からクーポン電流を計測する。接続端子１ｃと接続端子１ｄ間にはアノードＡから防食電流（出力電流）を出力するための出力電圧が印加される。

外部電源カソード防食装置１は、交流電源２から平滑な直流電圧を出力する平滑直流電圧出力手段１０と、平滑直流電圧出力手段１０によって出力される出力電圧を制御する出力電圧制御手段（スイッチング回路１４及び比較・調整手段２０）を備える。

平滑直流電圧出力手段１０は、交流電源２からの出力電圧を変圧する変圧回路１１と変圧された出力電圧を整流する整流回路１２と整流回路１２の出力電圧を平滑化する平滑回路１３を備える。平滑直流電圧出力手段１０の構成例を示すと、単相１００Ｖ，５０又は６０Ｈｚの交流電源２の入力電圧を変圧回路１１が６０Ｖに変圧し、その後、整流回路１２で全波整流する。全波整流は、例えばダイオード・ブリッジを用いて行われる。全波整流後には、コンデンサを含む平滑回路１３で出力電圧のリプルを極力小さくする。この平滑直流電圧出力手段１０から出力される出力電圧は、リード線Ｌ３，Ｌ４間に印加される。

出力電圧制御手段（スイッチング回路１４及び比較・調整手段２０）は、計測されたクーポン電流がカソード防食基準内の中間的な制御電流範囲内に入るように出力電圧を制御する。具体的には、出力電圧制御手段は、平滑直流電圧出力手段１０の出力電圧を設定周波数でオン・オフするスイッチング回路１４と、スイッチング回路２１のデューティ比を調整する比較・調整手段２０を備えている。

スイッチング回路１４は、設定周波数のスイッチング周期の中でスイッチングオン時間とスイッチングオフ時間が調整自在に設定されており、スイッチングオン時間と設定周波数におけるスイッチング周期との比であるデューティ比が調整自在になっている。

比較・調整回路２０は、ゲート出力回路２１と比較回路２２を備え、クーポン電流計測手段２４で計測されたクーポン電流を制御電流範囲設定手段２３で設定された制御電流範囲の上限・下限設定値と比較して、前述したデューティ比を調整する。

制御電流設定回路２４によって設定される制御電流範囲は、カソード防食基準内の中間的な２つの値によって設定される。図２は、カソード防食基準を平面図形で視覚化したカソード防食合格領域図である。横軸をＩ_DC（クーポン流入直流電流密度）、縦軸をＩ_AC（クーポン交流電流密度）として、斜線で示した［Ｉ］及び［II］の領域がカソード防食基準になる。前述したように、前提として交流腐食リスクが排除されているのでクーポン流入直流電流密度Ｉ_DCのみに着目し、０．１Ａ／ｍ²≦Ｉ_DC≦４０Ａ／ｍ²がカソード防食基準になるが、このカソード防食基準を示す線図は対数表示であるため、０．１Ａ／ｍ²≦Ｉ_DC≦４０Ａ／ｍ²は２桁にも及ぶ広い範囲になる。これに対して、その中間的な値としてＩ_DC＝１Ａ／ｍ²付近に対応するリニアスケールの範囲（ｔ１〜ｔ２）を制御電流範囲に設定する。具体的には、クーポンＣの表面積を１０ｃｍ²とすると、クーポン流入直流電流密度１Ａ／ｍ²に対応する１ｍＡ付近のリニアスケール範囲であり、例えば、ｔ１＝０．５ｍＡを下限目標値とし、ｔ２＝１．５ｍＡを上限目標値に設定することができる。

比較・調整手段２０の動作を説明する。比較・調整手段２０は、計測されたクーポン電流が前述した下限設定値を下まわった時にスイッチング回路１４のデューティ比が大きくなるように調整し、計測されたクーポン電流値が前述した上限設定値を上まわったときにスイッチング回路１４のデューティ比が小さくなるように調整する。

スイッチング回路１４の設定周波数における周期はクーポン電流計測時のサンプリング周期と一致させている。例えば、クーポン電流計測手段２４のサンプリング間隔を０．１ｍｓに設定した場合にはスイッチング回路１４の設定周波数は１０ｋＨｚとし、それらの動作を同期させる。

クーポン電流計測手段２４のサンプリング間隔は、レール漏れ電流などの急激な変化を把握することができる十分に短い間隔（例えば、０．１ｍｓ間隔）に設定されている。そして、計測されたクーポン電流が制御電流範囲の下限設定値を下まわった時、次の計測時の０．１ｍｓ後に外部電源カソード防食装置１の出力電圧を例えば１００ｍＶ上昇させる。この時点で、クーポン電流が制御電流範囲内であれば、出力電圧は保持される。この急速な応答により、クーポン電流が制御電流範囲の外側にある時間を極力短くすることが可能になる。このように、クーポン電流の計測間隔とスイッチング周期を同一にすることで、急な迷走電流の変化などに対して迅速な対応が可能になる。

また、上限設定値と下限設定値からなる制御電流範囲を設定していることで、制御電流範囲内の微細なクーポン電流の変化に対しては、スイッチング回路１４のスイッチング動作は行われない。これによって、クーポン電流の微細な変化によるスイッチングノイズを抑制することが可能になる。

本発明の実施形態に係る外部電源カソード防食装置１は、平滑直流電圧出力手段１０でリプルの少ない直流電圧を出力させることができ、また、出力電圧制御手段でクーポン電流の計測サンプリング間隔とスイッチング回路１４の設定周波数を一致させて各動作を同期させ且つスイッチング回路１４の設定周波数を十分に高くすることで、制御過程で計測されるクーポン電流を制御電流範囲の中に集約することが可能になる。計測されるクーポン電流を制御電流範囲内に集約させることで、外部電源カソード防食装置１における内部回路での電力損失（例えば、ダイオードの損失、インダクタの損失、制御ＩＣの損失など）を極力抑制することができる。これにより入力電力の有効利用が可能になり、省電力モードでの稼働が実現できる。

外部電源カソード防食装置１における制御の結果、適正な防食状態が維持されているか否かは、別途或いは外部電源カソード防食装置１の内部に設けられるカソード防食管理手段３によって評価する。カソード防食管理手段３は、クーポン電流計測手段２４によって計測されたクーポン電流の計測値からクーポン流入直流電流密度Ｉ_DCを求め、求めたクーポン流入直流電流密度Ｉ_DCがカソード防食基準に合格しているか否かを評価する。カソード防食管理手段３を外部電源カソード防食装置１とは離れた遠隔地に設ける場合には、クーポン電流計測手段２４で計測されたクーポン電流を各種の通信手段で遠隔地のカソード防食管理手段３まで送信する。

カソード防食管理手段３で求められるクーポン流入直流電流密度Ｉ_DCは、従来同様前述した式（１）で求めることができる。一つのＩ_DCを求めるためのサンプリング数は任意に設定することができる。具体的な管理方法の一例を示すと、０．１ｍｓ間隔で１ｓ間に１０００個計測されるクーポン電流の計測値から１つのＩ_DCを求め、更に、２時間で７２００個求めたＩ_DCから平均値，最大値，最小値を求め、最終的に２４時間で１２個の平均値，最大値，最小値を求め、これらの値を保存及び出力する。出力された値はカソード防食基準と照査され、基準に合格しているか否かの判定が行われる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る外部電源カソード防食装置１は、短いサンプリング周期で計測されるクーポン電流が制御電流範囲に入るようにサンプリング周期と同じ周期のスイッチング周波数で出力電圧を制御するので、レール漏れ電流などの迷走電流が急激に変化する状況下でも直流腐食リスクや過防食リスクの懸念を極力排除することができる。

また、制御電流範囲をリニアスケールの範囲に設定することで、微細なクーポン電流の変動によってスイッチングノイズが発生するのを抑制することができ、更に、平滑直流電圧出力手段１０によって交流電源のリプルを極力平滑化しているので、安定性の高い制御を行うことができる。また、クーポン電流を安定的に比較的狭い制御電流範囲内に納めることで、外部電源カソード防食装置１の内部回路での電力損失を少なくすることができ、省電力モードでの稼働を可能にすることができる。

１：外部電源カソード防食装置，２：交流電源，３：カソード防食管理手段，
１０：平滑直流電圧出力手段，
１１：変圧回路，１２：整流回路，１３：平滑回路，１４：スイッチング回路，
２０：比較・調整手段，
２１：ゲート出力回路，２２：比較回路，
２３：制御電流範囲設定手段，２４：クーポン電流計測手段，
２５：シャント抵抗，
Ｐ：パイプライン，Ｃ：クーポン，Ａ：アノード，
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４：リード線，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ：接続端子

Claims (3)

1. 防食対象物に接続されたクーポンと防食対象物を流れるクーポン電流を計測して、防食対象物周辺の電解質中に設置されたアノードから出力する出力電流を制御する外部電源カソード防食装置において、
   交流電源から平滑な直流電圧を出力する平滑直流電圧出力手段と、
   前記平滑直流電圧出力手段によって出力される出力電圧を制御する出力電圧制御手段を備え、
   前記出力電圧制御手段は、
   計測されたクーポン電流がカソード防食基準内の制御電流範囲内に入るように前記出力電圧を制御し、
   前記平滑直流電圧出力手段からの出力電圧を設定周波数でオン・オフするスイッチング回路を備えて、前記設定周波数の周期をクーポン電流計測時のサンプリング周期と一致させ、
   計測されたクーポン電流を前記制御電流範囲の上限・下限設定値と比較して、前記スイッチング回路のスイッチングオン時間と前記設定周波数におけるスイッチング周期との比であるデューティ比を調整する比較・調整手段とを備え、
   前記比較・調整手段は、計測されたクーポン電流が前記下限設定値を下まわった時に前記デューティ比が大きくなるように調整し、計測されたクーポン電流値が前記上限設定値を上まわったときに前記デューティ比が小さくなるように調整することを特徴とする外部電源カソード防食装置。
2. 前記平滑直流電圧出力手段は、交流電源からの出力電圧を変圧する変圧回路と変圧された出力電圧を整流する整流回路と当該整流回路の出力電圧を平滑化する平滑回路とを備えることを特徴とする請求項１記載の外部電源カソード防食装置。
3. 前記設定周波数を１０ｋＨｚとすることを特徴とする請求項１又は２記載の外部電源カソード防食装置。

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