JP6338722B1 - 直流迷走電流腐食リスクの計測評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】埋設金属体における直流迷走電流腐食リスクを、過剰でも過小でも無く、適確に評価できる直流迷走電流腐食リスクの計測評価方法を提供する。
【解決手段】プローブ電流を計測することで埋設金属体の直流迷走電流腐食リスクを計測評価する方法であって、サブ単位時間の間に複数計測されるプローブ電流の瞬時値からサブ単位時間毎にプローブ直流電流密度I_d.c.を求め、サブ単位時間を複数連ねた単位時間毎に、プローブ直流電流密度I_d.c.の最小値I_d.c. ^minと平均値I_d.c. ^aveを求め、単位時間において、最小値I_d.c. ^minと平均値I_d.c. ^aveが共にマイナス値であった場合には、最小値I_d.c. ^min×サブ単位時間＋平均値I_d.c. ^ave×（単位時間−サブ単位時間）を単位時間毎の評価値とし、単位時間において、最小値I_d.c. ^minがマイナス値で平均値I_d.c. ^aveがプラス値の場合には、最小値I_d.c. ^min×サブ単位時間を単位時間毎の評価値とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、カソード防食管理されているパイプラインのような埋設金属体の直流迷走電流腐食リスクを計測評価する方法に関するものである。

電解質である地中に埋設されている金属体は、地中を流れる迷走電流による腐食リスクに曝されている。迷走電流の発生原因は様々であるが、直流電気鉄道などの直流電気設備からの漏れ電流である直流迷走電流は、電流値や変動幅が大きく且つ高速の変動を示すため、腐食リスクを管理する上で詳細な計測評価が必要となる。直流迷走電流は、これが埋設金属体に流入すると、対電解質電位のプラスよりのところで埋設金属体から再び地中に流出することになり、その流出箇所で高い腐食リスクが発生する。

埋設金属パイプラインのように、表面に絶縁性能の高いプラスチックコーティングが施されている埋設金属体では、埋設金属体の周囲にコーティング欠陥を模擬したプローブ（クーポンとも呼ばれる）を配置し、このプローブと埋設金属体とを電気的に接続し、その接続電線を流れる電流（プローブ電流）を計測することで、埋設金属体の腐食リスクを評価することが知られている（下記非特許文献１参照）。

また、プローブ電流を用いた腐食リスクの具体的な計測評価方法としては、プローブ電流の瞬時値I(t)を0.1ms毎に計測し、商用交流周波数（例えば、50Hz又は60Hz）の1周期を一つのサブ単位時間（50Hzの場合は20ms）として、このサブ単位時間で計測されたプローブ電流の瞬時値I(t)から１つのプローブ直流電流密度I_d.c.と１つのプローブ交流電流密度I_a.c.を求め、所定の単位時間（例えば、10s）毎に、プローブ直流電流密度I_d.c.とプローブ交流電流密度I_a.c.の平均値（I_d.c. ^ave，I_a.c. ^ave）、最大値（I_d.c. ^max，I_a.c. ^max）、最小値（I_d.c. ^min，I_a.c. ^min）を求めて、計測時間（例えば、24h）内で求められる平均値（I_d.c. ^ave，I_a.c. ^ave）、最大値（I_d.c. ^max，I_a.c. ^max）、最小値（I_d.c. ^min，I_a.c. ^min）を、プローブ直流電流密度I_d.c.とプローブ交流電流密度I_a.c.を指標とするカソード防食基準と比較することが提案されている（下記特許文献１参照）。

特開２００６−１４５４９２号公報

「Protection against corrosion by stray current from direct current systems」BRITISH STANDARD EN 50162:2004 P25-26

直流迷走電流は、直流電気鉄道の運行状態や雨天などによる周辺土壌（電解質）の水分状態など、時々刻々と変化する状況に応じて短時間で変化し、且つその変化に規則性（周期性）がないことが特徴である。このため、直流迷走電流による腐食リスクを精緻に把握するには、0.1ms毎に計測されるプローブ電流I(t)が、アノード電流（プローブから電解質に向けて流出する電流）であるのか、カソード電流（電解質からプローブに流入する電流）であるのかを常時確認し、アノード電流となったプローブ電流の瞬時値I(t)の時間積分を求めることが考えられる。

しかしながら、短時間で変化する直流迷走電流の影響を把握するには、プローブ電流の測定間隔は、少なくとも0.1ms程度に間隔を短くする必要があり、この間隔で２４時間計測し続けると、多大なデータ量を記憶又は処理する必要があるので、現場での計測評価を前提にすると、ハード負担が大きくなりすぎる。

これに対して、前述した従来技術のように、単位計測時間毎に求められるプローブ直流電流密度I_d.c.の平均値I_d.c. ^aveで腐食リスクを評価すると、アノード電流のピーク値を見逃すことになり、腐食リスクが過小に評価される虞がある。また、単位時間毎に求められるプローブ直流電流密度I_d.c.の最小値I_d.c. ^minの時間変化からアノード電流の発生状況を把握しようとすると、1つの最小値I_d.c. ^minがマイナス値（アノード電流）になった場合には、そのマイナス値が単位時間内で継続されているように評価されることになり、腐食リスクを過剰に評価してしまう問題があった。

本発明は、このような事情に対処することを課題としている。すなわち、本発明は、埋設金属体における直流迷走電流腐食リスクを、過剰でも過小でも無く、適確に評価できる直流迷走電流腐食リスクの計測評価方法を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明は、以下の構成を具備するものである。

埋設金属体とプローブ間に流れるプローブ電流を計測することで埋設金属体の直流迷走電流腐食リスクを計測評価する方法であって、プローブから流出する方向の電流をマイナスとし、プローブに流入する方向の電流をプラスとして、サブ単位時間の間に複数計測されるプローブ電流の瞬時値から前記サブ単位時間毎にプローブ直流電流密度I_d.c.を求め、前記サブ単位時間を複数連ねた単位時間毎に、前記プローブ直流電流密度I_d.c.の最小値I_d.c. ^minと平均値I_d.c. ^aveを求め、前記単位時間において、前記最小値I_d.c. ^minと前記平均値I_d.c. ^aveが共にマイナス値であった場合には、前記最小値I_d.c. ^min×前記サブ単位時間＋前記平均値I_d.c. ^ave×（前記単位時間−前記サブ単位時間）を前記単位時間毎の評価値とし、前記単位時間において、前記最小値I_d.c. ^minがマイナス値で前記平均値I_d.c. ^aveがプラス値の場合には、前記最小値I_d.c. ^min×前記サブ単位時間を前記単位時間毎の評価値とすることを特徴とする直流迷走電流腐食リスクの計測評価方法。

このような特徴を備えた本発明は、時々刻々と変化する直流迷走電流による埋設金属体の腐食リスクを、過大でも過小でも無く、適確に評価することが可能になり、埋設金属体の保安性を高めることができる。

プローブ電流と管対地電位を計測するためのシステム構成を示した説明図である。 直流迷走電流の腐食リスク計測方法を示した説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明では、計測評価対象となる埋設金属体として、埋設金属パイプラインを例示して説明するが、本発明の計測評価対象は特にパイプラインに限定されるものではない。

図１に示すように、計測対象となる埋設金属パイプライン（以下、パイプライン）１は、表面が絶縁性の高いコーティング２で被覆されており、電解質である土壌Ｓに埋設されている。パイプライン１は、カソード防食されていることが前提であり、パイプライン１の周囲には、図示省略した外部電源装置などの埋設電極から流出される防食電流が供給されている。

パイプライン１近傍の土壌Ｓ中には、プローブ（或いはクーポン）３が設置される。プローブ３は、パイプライン１におけるコーティング２の欠陥部を模擬するものであり、パイプライン１と同じ材質の金属で所定の表面積（例えば、１０ｃｍ²）を有している。プローブ３はパイプライン１及び照合電極（例えば、飽和硫酸銅電極）４と電気的に接続され、プローブ３とパイプライン１との間には、プローブ電流を計測するためのシャント５とスイッチ（通常オン）６とが直列接続される。また、プローブ３と照合電極４との間には、ブローブ電位を計測するための電圧計７が接続される。

プローブ電流は、シャント５を流れる電流であり、プローブ３から土壌Ｓに流出する方向の電流（アノード電流）をマイナス、土壌Ｓからプローブ３に流入する方向の電流（カソード電流）をプラスとする。プローブ電流は、パイプライン１のコーティング２に欠陥部が有る場合に、欠陥部におけるアノード電流によって生じる腐食リスクを定量的に評価することができる。

プローブ電位は、プローブ３と電解質である土壌Ｓとの電位を計測することで、パイプライン１のコーティング２に欠陥部が有る場合に、カソード防食によって、その欠陥部の対電解質電位が防食電位以下に保たれているかを定量的に評価することができる。プローブ電位は、スイッチ６がオン状態の電位をプローブオン電位E_onといい、スイッチ６をオフにして計測される電位をプローブインスタントオフ電位E_offという。

プローブインスタントオフ電位E_offは、パイプライン１がカソード防食されている状態で、スイッチ６をオフにして計測される。図１に示すように照合電極４を地表面に設置すると、地中に埋設されたプローブ３と照合電極４間の電圧には、電解質（土壌Ｓ）を流れる電流によるＩＲドロップが含まれる。プローブインスタントオフ電位E_offは、プローブ３とパイプライン１との電気的な接続を一時的に遮断してプローブ３と照合電極４間の電圧を計測することで、ＩＲドロップを除いた真のプローブ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１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１におけるプローブ電流とプローブ電位は、図２に示すように計測される。

シャント５で計測されるプローブ電流の瞬時値I(t)と電圧計７で計測されるプローブ３の電位の瞬時値E(t)は、0.1ミリ秒（ms）毎にサンプリングされる。このようなサンプリング間隔は、直流迷走電流の高速変動を精緻に把握する上で有効になる。

0.1ms毎にサンプリングされる瞬時値I(t)，E(t)は、設定されたサブ単位時間（Sub1，Sub2，Sub3，…）毎の複数値から下記式（１）〜（４）によって評価値（プローブ直流電流密度I_d.c.，プローブ交流電流密度I_a.c.，プローブオン電位E_on，プローブインスタントオフ電位E_off，）を求めることで、保存すべきデータ容量の削減を図っている。なお、下記式において、Ａは、プローブ３の表面積であり、E_on(t)は、スイッチ６がオン状態で計測される瞬時値E(t)であり、E_off(t)は、スイッチ６がオフ状態で計測される瞬時値E(t)である。

サブ単位時間（Sub1，Sub2，Sub3，…）は、商用交流周波数の１周期（例えば、商用交流周波数が50Hzの場合には、20msであり、商用交流周波数が60Hzの場合には、約16.67ms）とすることが好ましい。これは、直流迷走電流に対する交流誘導の影響を相殺し、プローブ交流電流密度I_a.c.を求めることで、交流腐食対策として別途評価するためである。前述した式（１）〜（４）では、サブ単位時間を20msに設定して、0.1ms毎にサンプリングされる200個の瞬時値（I(1)〜I(200)，E_ON(1)〜E(200)，E_OFF(1)〜E(200)）から各値を求めている。

１つの連続した計測時間（例えば、２４時間の計測時間）を設定すると、その中に、スイッチ６をオンにした状態で計測するオン時間とスイッチ６をオフにして計測するオフ時間とを組み合わせて単位計測時間（Unit1，Unit2，…，Unit43200）を設定する。図示の例では、単位計測時間を2sに設定し、その中で1.7sをオン時間にし、残りの0.3sをオフ時間にしている。

オン時間では、サブ単位時間を複数連ねた単位時間毎に、プローブ直流電流密度I_d.c.の平均値I_d.c. ^ave，最大値I_d.c. ^max，最小値I_d.c. ^min、プローブ交流電流密度I_a.c.の平均値I_a.c. ^ave，最大値I_a.c. ^max，最小値I_a.c. ^min、プローブオン電位E_onの平均値E_on ^ave，最大値E_on ^max，最小値E_on ^minをそれぞれ求める。図示の例では、８０個のサブ単位時間を連ねた1.6sの単位時間を設定し、８０個のI_d.c.，I_a.c.，E_onから、それぞれ平均値，最大値，最小値を求めている。そして、オフ時間では、その中で１つのサブ単位時間を設定して、インスタントオフ電位E_offを求めている。

直流迷走電流の腐食リスクを評価する際には、計測評価対象であるパイプライン１の対電解質電位が防食電位以下であることが前提になる。この前提を確認するにために、単位計測時間毎にオフ時間を設けて、そこでプローブインスタントオフ電位E_offを求めている。スイッチ６のオン状態で計測されるプローブ直流電流密度I_d.c.とスイッチ６のオフ状態で計測されるプローブインスタントオフ電位E_offとを同時に計測することはできないが、単位計測時間を2sと短時間に設定することで、頻繁に変化する状況の中でほぼ同じ時刻で起きている状況に対して、プローブインスタントオフ電位E_offによるＩＲドロップを除いた正確な対電解質電位の評価と、プローブ直流電流密度I_d.c.による直流迷走電流腐食リスクの評価を行うことが可能になる。

各単位計測時間（Unit1，Unit2，…，Unit43200）においては、単位時間1.6sの間は、サブ単位時間（Sub1，Sub2，Sub3，…）毎の瞬時値I(t)，E(t)（E_on(t)とＥ_off(t)）のデータは保存されている。そして、各単位計測時間のオン時間で、平均値（I_d.c. ^ave，I_a.c. ^ave，E_on ^ave），最大値（I_d.c. ^max，I_a.c. ^max，E_on ^max），最小値（I_d.c. ^min，I_a.c. ^min，E_on ^min）を求めた後は、これらの値を保存して、プローブオン電位の最大値Ｅ_on ^maxを示したサブ単位時間の瞬時値E_on(t)と、プローブ直流電流密度の最小値I_d.c. ^minを示したサブ単位時間の瞬時値I(t)とを保存し、他の瞬時値データは消去する。

そして、計測時間（24h）が終了すると、以下のようにして、パイプライン１の直流迷走電流腐食リスクを評価する。

［１］１つの単位計測時間（2s）に設定される単位時間（1.6s）において、プローブ直流電流密度の最小値I_d.c. ^minと平均値I_d.c. ^aveが共にマイナス値であった場合には、最小値I_d.c. ^min×サブ単位時間＋平均値I_d.c. ^ave×（単位時間−サブ単位時間）を単位計測時間（単位時間）毎の評価値として、直流迷走電流腐食リスクを評価する。すなわち、サブ単位時間が20msの場合には、最小値I_d.c. ^minが20ms続き、平均値I_d.c. ^aveが1980ms続いたものとして、直流迷走電流腐食リスクを評価する。

［２］１つの単位計測時間（2s）に設定される単位時間（1.6s）において、プローブ直流電流密度の最小値I_d.c. ^minがマイナス値で、平均値I_d.c. ^aveがプラス値の場合には、最小値I_d.c. ^min×サブ単位時間を単位計測時間（単位時間）毎の評価値として、直流迷走電流腐食リスクを評価する。すなわち、サブ単位時間が20msの場合には、最小値I_d.c. ^minが20ms続いたものとして、直流迷走電流腐食リスクを評価する。

このような評価方法によると、プローブ３から電解質である土壌Ｓに流れるアノード電流の状況を短時間の単位計測時間（例えば2s）毎に、精度良く把握することができる。この際、プローブ直流電流密度の最小値I_d.c. ^minと平均値I_d.c. ^aveの正負で、アノード電流の状況を把握するので、過剰な瞬時値データの保存を行うこと無く、精緻に状況を把握することができる。また、1つの単位計測時間をプローブ電流密度の最小値I_d.c. ^minで評価する場合と比較して、過剰なリスク評価を避けることができる。

なお、カソード防食されたパイプライン１の防食管理は、ISO 15589-1:2015において、カソード防食基準範囲が維持されているのであれば、直流迷走電流によって誘起されるアノードシフトは許容されると定められている。カソード防食基準範囲の維持は、プローブインスタントオフ電位E_offがカソード防食基準に合格していることを確認することによってなされる。前述した計測方法では、プローブインスタントオフ電位E_offは、短時間の単位計測時間（2s）毎に頻繁に求められており、直流迷走電流による頻繁な状況変化に対して、パイプライン１がカソード防食基準範囲にあるか否かを適正に把握することができる。

１：埋設金属パイプライン（パイプライン），２：コーティング，
３：プローブ（クーポン），４：照合電極，５：シャント，
６：スイッチ，７：電圧計，Ｓ：土壌（電解質）

Claims (4)

1. 埋設金属体とプローブ間に流れるプローブ電流を計測することで埋設金属体の直流迷走電流腐食リスクを計測評価する方法であって、
   プローブから流出する方向の電流をマイナスとし、プローブに流入する方向の電流をプラスとして、
   サブ単位時間の間に複数計測されるプローブ電流の瞬時値から前記サブ単位時間毎にプローブ直流電流密度I_d.c.を求め、
   前記サブ単位時間を複数連ねた単位時間毎に、前記プローブ直流電流密度I_d.c.の最小値I_d.c. ^minと平均値I_d.c. ^aveを求め、
   前記単位時間において、前記最小値I_d.c. ^minと前記平均値I_d.c. ^aveが共にマイナス値であった場合には、前記最小値I_d.c. ^min×前記サブ単位時間＋前記平均値I_d.c. ^ave×（前記単位時間−前記サブ単位時間）を前記単位時間毎の評価値とし、
   前記単位時間において、前記最小値I_d.c. ^minがマイナス値で前記平均値I_d.c. ^aveがプラス値の場合には、前記最小値I_d.c. ^min×前記サブ単位時間を前記単位時間毎の評価値とすることを特徴とする直流迷走電流腐食リスクの計測評価方法。
2. 前記サブ単位時間は、商用交流周波数の１周期であり、前記プローブ電流の瞬時値を0.1ミリ秒毎に計測することを特徴とする請求項１に記載された直流迷走電流腐食リスクの計測評価方法。
3. 前記単位時間の後にプローブインスタントオフ電位E_offを求めるためのオフ時間を加えて、1つの単位計測時間とし、
   当該単位計測時間を複数連ねて計測時間とすることを特徴とする請求項１又は２に記載された直流迷走電流腐食リスクの計測評価方法。
4. 前記単位時間を1.6秒とし、前記単位計測時間を2秒とし、前記計測時間を24時間とすることを特徴とする請求項３に記載された直流迷走電流腐食リスクの計測評価方法。

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