JP6030518B2 - 埋設パイプラインのカソード防食状況計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、埋設パイプラインのカソード防食状況計測方法に関するものである。

埋設された金属製パイプラインは、外表面を電気抵抗の高いプラスチック被覆でコーティングすることによって腐食を防止することが一般に行われている。このような埋設パイプラインは、前述したプラスチック被覆による防食に加えて、外部電源方式や流電陽極方式などのカソード防食が施されている。

プラスチック被覆を備えた埋設金属パイプライン（以下これを単にパイプラインという）は、プラスチック被覆に欠陥が無い状態では、カソード防食によって発生する防食電流がパイプライン内に流入することは無く、また、パイプライン自体の対電解質電位（管対地電位）を計測することができない。そこで、クーポン（或いはプローブ）と呼ばれるパイプラインと同材料の金属片をパイプラインに電気的に接続すると共にこれをパイプラインの近傍に埋設し、このクーポンに流入する電流（クーポン流入電流）とクーポンの対電解質電位（クーポン電位）を計測することで、カソード防食状況の良否を把握している。

このようなパイプラインは、高圧交流架空送電線や交流電気鉄道輸送路と並行して埋設されることが多く、交流腐食リスクに対しての評価が必要になっている。このようなパイプラインのカソード防食状況を評価する方法としては、クーポン直流電流密度（Ｉ_DC），クーポン交流電流密度（Ｉ_AC），クーポンオン電位（Ｅ_ON），クーポンインスタントオフ電位（Ｅ_OFF）といった評価値を計測し、これらが評価基準に合格するか否かによってカソード防食状況を評価することが行われている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００８−２８１４３３号公報

パイプラインの定期点検においては、前述したクーポンが設置されている箇所に設けられているターミナルボックス内の地表面に照合電極（例えば飽和硫酸銅電極）を設置し、例えば２４時間の計測時間で、この照合電極に対するクーポンの電圧値、クーポンとパイプラインとを接続する電線を流れる電流値を計測することで、前述した評価値を求めている。

この際、照合電極を地表面に設置することから、地中に埋設されたクーポンと照合電極間の電圧には、電解質（土壌）を流れる電流によるＩＲドロップが含まれる。クーポンインスタントオフ電位は、クーポンとパイプラインとの電気的な接続を一時的に遮断してクーポンと照合電極間の電圧を計測することで、ＩＲドロップを除いた真のクーポン対電解質電位を求めることができるものであり、パイプラインのカソード分極状態を把握する上で重要な評価値になる。

パイプラインのカソード防食状況を計測するには、パイプライン周辺で運行される直流又は交流電気鉄道車両の運行状況などによる状況変化を的確に反映させるために、クーポン直流電流密度（Ｉ_DC），クーポン交流電流密度（Ｉ_AC），クーポンオン電位（Ｅ_ON），クーポンインスタントオフ電位（Ｅ_OFF）を同じ時間帯で計測し、その時系列変化をみることが必要になる。この際、クーポン直流電流密度（Ｉ_DC），クーポン交流電流密度（Ｉ_AC），クーポンオン電位（Ｅ_ON）は同時計測が可能であるが、クーポンインスタントオフ電位（Ｅ_OFF）は、計測時にクーポンとパイプラインとの電気的な接続を一時的に遮断する必要があるのでクーポン直流電流密度（Ｉ_DC），クーポン交流電流密度（Ｉ_AC），クーポンオン電位（Ｅ_ON）と同時に計測することができない。

これの問題を解消するために、同じ時間帯と考えられる単位計測時間（例えば、１０ｓ）内でオン時間（例えば、８．５ｓ）とオフ時間（例えば、１．５ｓ）を区分して設定し、オン時間内ではクーポンとパイプラインとを電気的に接続してクーポン直流電流密度（Ｉ_DC），クーポン交流電流密度（Ｉ_AC），クーポンオン電位（Ｅ_ON）の計測を行い、オフ時間内ではクーポンとパイプラインとの電気的接続を遮断してクーポンインスタントオフ電位の計測を行うことがなされている。

しかしながら、このような計測方法では、クーポンとパイプラインとの電気的な接続が遮断されるオフ時間中に、防食電流の流入が遮断されることでクーポンとパイプラインのカソード分極状態が徐々に復極することになり、その後クーポンとパイプラインの電気的な接続を再開したとしても、接続遮断前のカソード分極状態には即座に戻らない事態が生じる。このため、その後のオン時間での計測にオフ時間による復極の影響が含まれてしまう問題が生じ、また、パイプラインのカソード防食状況を把握するために行う計測がカソード防食の効果であるカソード分極に悪影響を及ぼすことになりかねない問題があった。

これに対しては、オフ時間を極力短くすることで対処せざるを得ないが、単純にオフ時間を短くすると、クーポンインスタントオフ電位（Ｅ_OFF）の計測時間内にオン・オフ時に生じるスパイクや計測器が備えるローパスフィルタによる応答遅れ（なまり）の影響が入ることになり、精度の高い計測値を得ることができない問題が生じる。

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、クーポン電流密度とクーポンインスタントオフ電位を同じ時間帯で計測するに際して、オフ時間による復極の影響を極力少なくすると共に、精度の高い計測値を得ることができること、など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、本発明による埋設パイプラインのカソード防食状況計測方法は、以下の構成を少なくとも具備するものである。
埋設パイプラインにおけるカソード防食状況の計測方法であって、同時間帯と見なせる１０ｓの単位計測時間を複数連続した計測時間を設定し、前記単位計測時間を第１時間区分と第２時間区分に分け、前記第１時間区分では、埋設パイプラインに接続されたクーポンに流入するクーポン電流密度を計測し、前記第２時間区分では、前記埋設パイプラインと前記クーポンとの接続をオフにした時刻から８０ｍｓの設定時間経過後にクーポンインスタントオフ電位の計測を開始し、前記埋設パイプラインに影響する交流の１周期分の計測時間だけ前記クーポンインスタントオフ電位を計測した後直ちに前記パイプラインと前記クーポンとの接続をオンにし、当該オン後に時間間隔を空けて前記クーポン電流密度の計測を開始する。

このような特徴を有する埋設パイプラインのカソード防食状況計測方法によると、クーポンインスタントオフ電位を計測するためのオフ時間を必要最小限に短縮し、オン・オフ時に発生する異常値を避けてクーポンインスタントオフ電位の計測時間を設定しているので、クーポン電流密度と同じ時間帯でクーポンインスタントオフ電位を計測するに際して、オフ時間による復極の影響を極力少なくすると共に、精度の高い計測値を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る埋設パイプラインのカソード防食状況計測方法を実施するためのシステム構成を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る埋設パイプラインのカソード防食状況計測方法のタイムチャートを例示した説明図である。 クーポンインスタントオフ電位の計測工程を具体的に示した説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る埋設パイプラインのカソード防食状況計測方法を実施するためのシステム構成を示した説明図である。計測対象のパイプライン１は、地中に埋設されており、電気抵抗の高いプラスチック被覆１Ｃを備える金属製パイプラインである。パイプライン１には外部電源方式或いは流電陽極方式などのカソード防食が施されており、これによって、パイプライン１周辺の電解質（土壌）には防食電流Ｉｃが流れている。また、パイプライン周辺の電解質には、周辺電気設備の影響による交流成分を含む迷走電流Ｉｓが流れている。

パイプライン１の敷設箇所には、パイプライン１に沿った所定間隔でターミナルボックスＴＢが設置されており、このターミナルボックスＴＢ内に計測装置１０を設置することで、パイプライン１のカソード防食状況の計測が行われる。ターミナルボックスＴＢの設置箇所に対応した地中には、パイプライン１に近接してクーポン２が設置されている。ターミナルボックスＴＢ内には、パイプライン１と電気的に接続された電線Ｌ１、クーポン２と電気的に接続された電線Ｌ２，Ｌ３が引き出されている。計測時には、ターミナルボックスＴＢ内の地表面に照合電極（例えば、飽和硫酸銅電極）３が設置され、その照合電極３には電線Ｌ４が接続される。計測装置１０は、電線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４と接続するための接続端子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを備えている。

計測装置１０は、接続端子１０ａ，１０ｂ間に直列接続される半導体リレー１１とシャント１２を備える。半導体リレー１１は、接続端子１０ａ，１０ｂ間を通電・遮断（オン・オフ）するためのスイッチング素子である。シャント１２は、接続端子１０ａ，１０ｂ間を流れる電流を検出するための抵抗である。また、計測装置１０は、接続端子１０ｃ，１０ｄ間の電圧を検出する電圧計１３を備えている。

ここで、シャント１２が検出する電流は、クーポン２とパイプライン１との間に流れるクーポン電流Ｉである。また、電圧計１３が検出する電圧はクーポン２と照合電極３との間の電位差であるクーポン電位Ｅである。クーポン電位Ｅは、クーポンオン電位Ｅ_ONとクーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFを求めるための計測値であり、接続端子１０ａ，１０ｂ間が通電（オン）状態のクーポン電位Ｅから求められるのがクーポンオン電位Ｅ_ONであり、接続端子１０ａ，１０ｂ間が遮断（オフ）状態のクーポン電位Ｅから求められるのがクーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFである。

計測装置１０は、計時（タイマー）機能を有する演算処理部１４を備えている。演算処理部１４は、検出されたクーポン電流Ｉとクーポン電位Ｅの時系列データＩ（ｔ），Ｅ（ｔ）を抽出して、一時記憶及び演算処理すると共に、設定されたタイミングで半導体リレー１１のオン・オフを切り替え制御するものである。計測装置１０の演算処理部１４には外部情報処理装置（携帯型ＰＣなど）２０が接続可能になっており、外部情報処理装置２０において設定されている計測条件や演算処理の設定条件などを演算処理部１４に入力して設定することができ、また、演算処理部１４における演算処理結果を抽出して、外部情報処理装置２０に取り込むことができるようになっている。

演算処理部１４の機能を具体的に示すと、時系列データの抽出及び半導体リレー１１のオン・オフタイミングを計時するタイマー手段１４Ａ、半導体リレー１１をオン・オフ制御するオン・オフ制御手段１４Ｂ、クーポン電流Ｉの時系列データＩ（ｔ）からクーポン直流電流密度Ｉ_DCを出力するクーポン直流電流密度出力手段１４Ｃ、クーポン電流Ｉの時系列データＩ（ｔ）からクーポン交流電流密度Ｉ_ACを出力するクーポン交流電流密度出力手段１４Ｄ、クーポン電位Ｅの時系列データＥ（ｔ）からクーポンオン電位Ｅ_ONを出力するクーポンオン電位出力手段１４Ｅ、クーポン電位Ｅの時系列データＥ（ｔ）からクーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFを出力するクーポンインスタントオフ電位出力手段１４Ｆを備えている。

図１に示したシステムによって実施されるカソード防食状況計測方法のタイムチャートを図２によって例示する。ここでは、パイプライン１のカソード防食状況を計測するために２４ｈの計測時間を設定している。これは通常行われる埋設パイプラインの定期点検における計測時間である。この計測時間は同時間帯と見なせる単位計測時間Ｕｔを複数連続することで設定している。ここでは、単位計測時間Ｕｔを１０ｓに設定している。すなわち、単位計測時間Ｕｔの１０ｓ間の中でデータ抽出されるＩ（ｔ），Ｅ（ｔ）によって計測されるクーポン直流電流密度Ｉ_DC，クーポン交流電流密度Ｉ_AC，クーポンオン電位Ｅ_ON，クーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFは同じ時間帯のカソード防食状況を示すものとして扱われる。１０ｓの設定は、十数両連結の交流電気鉄道車両が計測点を通過する際に要する時間等を考慮しても適当な値であると言える。２４時間の計測時間では、単位計測時間Ｕｔは、Ｕｔ(1)，Ｕｔ(2)，…，Ｕｔ(8640)に区分される。

１つの単位計測時間Ｕｔ内では、パイプライン１に接続されたクーポン２に流入するクーポン電流密度を計測すると共に、パイプライン１とクーポン２との接続をオフにして計測するクーポンインスタントオフ電位を計測する。ここでは、１つの単位計測時間Ｕｔ内で、クーポン直流電流密度Ｉ_DC，クーポン交流電流密度Ｉ_AC，クーポンオン電位Ｅ_ON，クーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFを計測する例を示している。

図２に示した例では、各々の単位計測時間Ｕｔ(1)，Ｕｔ(2)，…，Ｕｔ(8640)は、パイプライン１に接続されたクーポン２に流入するクーポン電流密度（クーポン直流電流密度Ｉ_DC，クーポン交流電流密度Ｉ_AC）を計測する第１時間区分ｔｄ１とパイプライン１とクーポン２との接続をオフにして計測するクーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFを計測する第２時間区分ｔｄ２に分けられている。パイプライン１とクーポン２との接続をオンにして計測するクーポンオン電位Ｅ_ONは第１時間区分で計測される。ここでは、第１時間区分ｔｄ１を８．５ｓとし、第２時間区分ｔｄ２を１．５ｓとしている。

単位計測時間Ｕｔの第１時間区分ｔｄ１では、一つの計測値が計測されるサブ単位時間Ｓｕｂを複数設定し、複数の計測値から平均値，最大値，最小値を求め、これを単位計測時間Ｕｔ毎に保存する。サブ単位時間Ｓｕｂは、パイプライン１が受ける交流誘導の影響を取り除くために、パイプライン１に影響する交流１周期分の計測時間に設定している。図２に示した例では、周波数５０Ｈｚの交流の影響を受けていると想定して２０ｍｓのサブ単位時間Ｓｕｂを設定し、８ｓ（２０ｍｓ×４００）の計測時間に４００のサブ単位時間（Ｓｕｂ１，Ｓｕｂ２，…，Ｓｕｂ４００）を設定している。

第１時間区分ｔｄ１では、一つのサブ単位時間Ｓｕｂでクーポン直流電流密度Ｉ_DC，クーポン交流電流密度Ｉ_AC，クーポンオン電位Ｅ_ONが計測され、４００のサブ単位時間（Ｓｕｂ１，Ｓｕｂ２，…，Ｓｕｂ４００）で、クーポン直流電流密度Ｉ_DCの平均値（Ｉ_DC ^ave），最大値（Ｉ_DC ^max），最小値（Ｉ_DC ^min）、クーポン交流電流密度Ｉ_ACの平均値（Ｉ_AC ^ave），最大値（Ｉ_AC ^max），最小値（Ｉ_AC ^min）、クーポンオン電位Ｅ_ONの平均値（Ｅ_ON ^ave），最大値（Ｅ_ON ^max），最小値（Ｅ_ON ^min）がそれぞれ求められる。

サブ単位時間Ｓｕｂは、パイプライン１に影響していると想定される交流の周波数に応じて異なる値に設定される。交流周波数毎のサブ単位時間，第１時間区分ｔｄ１内でのサブ単位時間の総数，計測時間を以下の表に示す。

単位計測時間Ｕｔの第２時間区分ｔｄ２では、パイプライン１に影響する交流１周期分の計測時間である一つのサブ単位時間Ｓｕｂが設定され、このサブ単位時間Ｓｕｂではクーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFが計測される。クーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFは、直流の電位として求める必要があるが、パイプライン１とクーポン２の接続を遮断した後もクーポン２は交流誘導の影響を受けているので、サンプリングされるクーポン電位Ｅ（ｔ）は交流誘導による波形が重なった値となる。そこでクーポン電位Ｅ（ｔ）を交流１周期分の計測時間である一つのサブ単位時間Ｓｕｂだけ計測し、平均化した値をクーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFとしている。

前述した全てのサブ単位時間Ｓｕｂでは、０．１ｍｓのサンプリング間隔でクーポン電流Ｉ（ｔ）とクーポン電位Ｅ（ｔ）のデータ抽出がなされ、下記の式によって、それぞれクーポン直流電流密度Ｉ_DC，クーポン交流電流密度Ｉ_AC，クーポンオン電位Ｅ_ON，クーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFを計測する。各式において、Ａはクーポンの表面積、ｍはサブ単位時間Ｓｕｂにおけるサンプリング数であり、交流周波数が５０Ｈｚの場合は２００、６０Ｈｚの場合は１６７、１６−２／３Ｈｚの場合は６００になる。

図３は、クーポンインスタントオフ電位の計測工程を具体的に示した説明図である。ここでは、パイプライン１とクーポン２との接続（Ｐ／Ｃ接続）をオフにした時刻（時刻０）から設定時間ｔ１経過後にクーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFの計測を開始し、パイプライン１に影響する交流の１周期分の計測時間（１サブ単位時間：２０ｍｓ）だけクーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFを計測した後直ちにパイプライン１とクーポン２との接続をオンにし、オン後に時間間隔を空けてクーポン電流密度（Ｉ_DC，Ｉ_AC）或いはクーポンオン電位（Ｅ_ON）の計測を開始する。

図３には、計測時間の開始と同時に０．１ｍｓのサンプリング間隔で常時抽出されているクーポン電位Ｅの時系列データＥ（ｔ）がグラフ表示されている。単位計測時間Ｕｔにおける第２時間区分ｔｄ２の開始時刻（時刻０）に半導体リレー１１がオフに制御されると、クーポン電流の流入が遮断されるので、その直後のクーポン電位ＥはＩＲドロップが除かれた値になる。しかしながら、半導体リレー１１がオフ制御された直後は、スパイクや回路内のローパスフィルタの応答遅れ（なまり）などによる異常値が抽出されるおそれがあるので、これを避けるために設定時間ｔ１を設けて、時刻０から設定時間ｔ１（例えば８０ｍｓ）経過後にクーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFの計測を開始する。すなわち、時刻０から設定時間ｔ１経過した時点からのサブ単位時間（２０ｍｓ）に抽出されるクーポン電位Ｅの時系列データＥ（ｔ）によってクーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFが求められる。

そして、クーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFの計測後（すなわち時刻０から１００ｍｓ後）直ちに半導体リレー１１をオン制御してパイプライン１とクーポン２との接続をオンにする。これにより、１．５ｓに設定されている第２時間区分ｔｄ２の中でパイプライン１とクーポン２の接続が遮断されている時間は１００ｍｓだけとなり、その後の第２時間区分内の時間ではパイプライン１とクーポン２との接続はオン状態になっている。このようにオフ時間を短縮化することで、クーポン電位Ｅの復極による影響を極力少なくすることができる。また、パイプライン１とクーポン２との接続をオフにして再びオンにした後に、十分な時間間隔を空けて次の単位計測時間Ｕｔにおける第１時間区分ｔｄ１を開始させることができるので、次の単位計測時間Ｕｔにおける第１時間区分ｔｄ１では、オン・オフによる計測値のばたつきを除いた安定した状態でＩ_DC，Ｉ_AC，Ｅ_ONの計測を行うことができる。

ここで、１０ｓの単位計測時間Ｕｔの中の継続した８ｓ間でＩ_DC，Ｉ_AC，Ｅ_ONの計測を行っているので、新幹線のような高速交流電気鉄道車両の運行に起因するパイプライン１の交流誘導現象を見逃すこと無くＩ_DC，Ｉ_AC，Ｅ_ONの計測を行うことができる。そして、１０ｓ内の他の時間中でインスタントオフ電位Ｅ_OFFを計測することで、Ｉ_DC，Ｉ_AC，Ｅ_ONと同時刻のＥ_OFFを計測することが可能になる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るパイプライン１のカソード防食状況計測方法によると、クーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFを計測するためのオフ時間を必要最小限に短縮し、オン・オフ時に発生する異常値を避けてクーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFの計測時間を設定しているので、クーポン直流電流密度Ｉ_DC，クーポン交流電流密度Ｉ_AC，クーポンオン電位Ｅ_ONと同じ時間帯でクーポンインスタントオフ電位Ｅ_OFFを計測するに際して、オフ時間による復極の影響を極力少なくすると共に、精度の高い計測値を得ることができる。

１：パイプライン，１Ｃ：プラスチック被覆，
２：クーポン，３：照合電極（飽和硫酸銅電極），
１０：計測装置，１０ａ〜１０ｄ：接続端子，
１１：半導体リレー，１２：シャント，１３：電圧計，
１４：演算処理部，
１４Ａ：タイマー手段，１４Ｂ：オン・オフ制御手段，
１４Ｃ：クーポン直流電流密度出力手段，
１４Ｄ：クーポン交流電流密度出力手段，
１４Ｅ：クーポンオン電位出力手段，
１４Ｆ：クーポンインスタントオフ電位出力手段，２０：外部情報処理装置，
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４：電線，Ｉｃ：防食電流，Ｉｓ：迷走電流

Claims (6)

1. 埋設パイプラインにおけるカソード防食状況の計測方法であって、
   同時間帯と見なせる１０ｓの単位計測時間を複数連続した計測時間を設定し、
   前記単位計測時間を第１時間区分と第２時間区分に分け、
   前記第１時間区分では、埋設パイプラインに接続されたクーポンに流入するクーポン電流密度を計測し、
   前記第２時間区分では、前記埋設パイプラインと前記クーポンとの接続をオフにした時刻から８０ｍｓの設定時間経過後にクーポンインスタントオフ電位の計測を開始し、前記埋設パイプラインに影響する交流の１周期分の計測時間だけ前記クーポンインスタントオフ電位を計測した後直ちに前記パイプラインと前記クーポンとの接続をオンにし、当該オン後に時間間隔を空けることを特徴とする埋設パイプラインのカソード防食状況計測方法。
2. 前記計測時間が２４時間であり、
   前記第１時間区分が８．５ｓであり、
   前記第２時間区分が１．５ｓであることを特徴とする請求項１に記載された埋設パイプラインのカソード防食状況計測方法。
3. 前記第１時間区分では、クーポン直流電流密度（Ｉ_DC），クーポン交流電流密度（Ｉ_AC），クーポンオン電位（Ｅ_ON）を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載された埋設パイプラインのカソード防食状況計測方法。
4. 前記交流の１周期分の計測時間が２０ｍｓであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された埋設パイプラインのカソード防食状況計測方法。
5. 前記交流の１周期分の計測時間が１６．７ｍｓであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された埋設パイプラインのカソード防食状況計測方法。
6. 前記交流の１周期分の計測時間が６０ｍｓであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された埋設パイプラインのカソード防食状況計測方法。

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