JP6712543B2 - 腐食量推定装置とその方法 - Google Patents

Description

本発明は、地中埋設された鋼材の腐食速度を計算する腐食量推定装置とその方法に関する。

我々の生活を支えるインフラ構造物の中で水道及びガスのパイプライン、電力用ケーブル管路、地下タンク、鋼管柱、支線アンカ等、土壌中に埋設して使用される鋼材は極めて多く存在する。土壌中に埋設されるこれら構造物は、土壌環境で腐食することで故障等を誘発する。したがって、これらインフラ構造物の高い信頼性及び安全性を確保するためには、適切な点検による更改が不可欠である。

地中埋設された鋼材の腐食量を推定するためには、土壌中に鋼材を長期間埋設し、その腐食量から腐食推定式を導く方法が一般的である。しかし、この方法では、評価に数十年もの期間を必要とする。また、評価期間を短縮するために、土壌環境を変えて（例えば温度を上げて）評価する方法もあるが、実際の腐食量と一致しない場合が多い。

そこで、電気化学的手法を用いて土壌中の鋼材の腐食を計測する考えが提案されている（例えば非特許文献１）。

宮田義一ほか１名、「電気化学的手法を中心とした土壌腐食計測（その２）」、材料と環境、46, 610〜619, 1997.

しかしながら、電気化学的な計測方法を用いて地中に埋設された鋼材の腐食量を測定する装置は、未だに実用化されていない。また、地中に埋設された鋼材の腐食量を短期間に評価する装置及び方法も実用化されていない。つまり、地中埋設された鋼材の腐食量を短期間に推定することが出来ないという課題がある。

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、電気化学的な手法を用い短期間で地中埋設された鋼材の腐食量を推定できる腐食量推定装置とその方法を提供することを目的とする。

本実施形態の一態様に係る腐食量推定装置は、土壌の含水率が、最大値から所定値以下となるまでの１回の給水サイクルの前記含水率の変化と、前記土壌中の鋼材の分極抵抗値とを取得し、前記分極抵抗値を用いて前記含水率の関数である前記鋼材の腐食速度を多項式関数で表す腐食速度関数を、前記給水サイクルごとに求める腐食速度関数導出部と、ｎ回目の前記給水サイクルの腐食速度関数とｎ−１回目の前記給水サイクルの腐食速度関数の関係性から、前記多項式関数を構成する各定数項の相関係数を計算する相関係数計算部と、前記相関係数を用いて将来の腐食速度関数を求める腐食速度関数推定部と、前記将来の腐食速度関数と、前記含水率の変化の履歴を表す水履歴から前記鋼材の将来の腐食量を計算する推定腐食量計算部とを備えることを要旨とする。

本実施形態の一態様に係る腐食量推定方法は、上記の腐食量推定装置が行う腐食量推定方法であって、土壌の含水率が、最大値から所定値以下となるまでの１回の給水サイクルの含水率の変化と、前記土壌中の鋼材の分極抵抗値とを取得し、前記分極抵抗値を用いて前記含水率の関数である前記鋼材の腐食速度を多項式関数で表す腐食速度関数を、前記給水サイクルごとに求め、ｎ回目の前記給水サイクルの腐食速度関数とｎ−１回目の前記給水サイクルの腐食速度関数の関係性から、前記多項式関数を構成する各定数項の相関係数を計算し、前記相関係数を用いて将来の腐食速度関数を求め、前記将来の腐食速度関数と、前記含水率の変化の履歴を表す水履歴から前記鋼材の将来の腐食量を計算することを要旨とする。

本発明によれば、電気化学的な手法を用い短期間で地中埋設された鋼材の腐食量を推定できる腐食量推定装置とその方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る腐食量推定装置の機能構成例を示す図である。 第１実施形態に係る腐食量推定装置の動作フローを示す図である。 （ａ）は経過時間と土壌含水率との関係を模式的に示す図であり、（ｂ）は土壌含水率と腐食速度の関係を模式的に示す図である。 （ａ）は給水サイクルをパラメータとした腐食速度関数の例を模式的に示す図であり、（ｂ）は給水サイクル数と相関係数の関係例を模式的に示す図である。 土壌含水率の履歴を模式的に示す図である。 鋼材の腐食量の例を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る腐食量推定装置の機能構成例を示す図である。 降雨データの例を模式的に示す図であり、（ａ）は降雨間隔と頻度の関係を示す図であり、（ｂ）は連続降雨時間と頻度の関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものに
は同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

〔第１実施形態〕
図１に、第１実施形態に係る腐食量推定装置１の機能構成例を示す。図２に、腐食量推定装置１の動作フローを示す。

腐食量推定装置１は、腐食速度関数導出部１０、相関係数計算部２０、腐食速度関数推定部３０、及び推定腐食量計算部４０を備える。腐食量推定装置１は、電気化学的な手法を用いて取得したデータから、埋設した鋼材の将来の腐食量を計算するものである。

腐食速度関数導出部１０は、土壌の含水率が、最大値から所定値以下となるまでの１サイクルの含水率の変化と、土壌中の鋼材の分極抵抗Ｒ_ｐを取得し、分極抵抗Ｒ_ｐと含水率の関数である鋼材の腐食速度を表す腐食速度関数を求める（ステップＳ１）。土壌の含水率は、土壌の含水量を表す値であり、例えばＪＩＳ−Ａ−１２０３の土質試験法に基づいて求めた値である。

本実施形態では、土壌に模擬土壌１００を用いる。模擬土壌１００は、鋼材を埋設する土地の土壌と水はけを模擬したものであり、評価対象の鋼材と同じ材料の鋼材サンプル１５を埋設可能な容量を持つ。模擬土壌１００について詳しくは後述する。

図１に示すように模擬土壌１００の中には、水分センサ１１、白金対極１２、作用電極（分極抵抗を求めたい鋼材サンプル）１３、及び照合電極１４が配置されている。水分センサ１１は、模擬土壌１００の含水率を測定する。白金対極１２、作用電極１３、及び照合電極１４は、公知の３電極法の電極である。３電極法は、作用電極１３の分極抵抗Ｒ_ｐを測定する。３電極法についての詳しい説明は省略する。

図１において、分極抵抗Ｒ_ｐを測定する電気化学測定器の表記は省略している。インピーダンス測定器は、腐食速度関数導出部１０の内部に備えても良いし、外部に配置しても良い。

相関係数計算部２０は、複数サイクルの腐食速度関数の変化の関係性から、腐食速度関数を構成する定数項の相関係数を求める（ステップＳ２）。定数項とは、腐食速度関数を、例えば多項式関数であると仮定した場合の各項の定数（a,b,c,…）のことである。なお、腐食速度関数は、多項式関数に限られない。分数関数、指数関数、及び対数関数等のどのような関数で有っても良い。

腐食速度関数推定部３０は、相関係数計算部２０で求めた相関係数を用いて含水率のサイクルごとに腐食速度関数を求める（ステップＳ３）。含水率のサイクルごととは、土壌の含水率が、最大値から所定値以下になるまでを１サイクルとした繰り返しのことであり、土壌に給水する給水サイクルと同じである。以降、含水率は土壌含水率、及びサイクルは給水サイクルと称する。

推定腐食量計算部４０は、各給水サイクルの腐食速度関数と、土壌含水率の変化の履歴を表す水履歴から鋼材の将来の腐食量を計算する（ステップＳ４）。水履歴は、土壌含水率の変化の履歴であり、降雨データから求めることができる。また、腐食速度関数導出部１０が、水分センサ１１で測定した土壌含水率の変化を記憶しておき、そのデータを用いるようにしても良い。降雨データと水履歴との関係について詳しくは後述する。

以上説明した本実施形態の腐食量推定装置１によれば、電気化学的な手法により鋼材の腐食速度関数を求め、求めた腐食速度関数から漸化式を導くように将来の腐食速度関数を推定し、推定した腐食速度関数から鋼材の将来の腐食量を計算する。したがって、短期間で土壌に埋設された鋼材の腐食量を推定できる。また、埋設された鋼材を掘削する必要がない。以降、本実施形態を構成する各部について詳しく説明する。

（模擬土壌）
土壌に埋設された鋼材の腐食は、土壌種と土壌含水率の影響を受ける。ある土地に埋設された鋼材の腐食量の推定をする場合、その地域の代表的な土壌を模擬土壌１００に採用する、例えば、関東地方における腐食量を推定する場合は、土壌種を関東ロームとする。埋設場所の土壌が取得できない場合は、類似の成分を含有し、類似の物理量を示す土を用いる。

土壌含水率は、降雨データに連動して変化する。鋼材を埋設する地域の１年間の時間雨量データから、雨が降ってから次に雨が降るまでの「降雨間隔」と、雨が降り続ける「連続降雨時間」の分布を求める。そして、「降雨間隔」の例えば最高頻度を、模擬土壌１００への給水間隔とする。また、「連続降雨時間」の例えば最高頻度を給水時間とする。１つの給水間隔を１回の給水サイクルと定義する。

一度に給水する給水量は、各地域の時間雨量の年間平均から決定する。給水する水は、鋼材を埋設する地域に降る雨か、土壌成分が染み出た地下水を採取して用いるのが好ましい。

模擬土壌１００に水を給水すると、重力によって水が模擬土壌の底面から排出される。模擬土壌１００の底面にはフィルタを敷き、土壌粒子を損なうことが無いようにする。フィルタの細孔径は水が透過し、かつ土壌粒子が通過しないものを採用する。なお、図１において、フィルタの表記は省略している。

フィルタの細孔径が10μm程度の場合は、水が透過し易く排水性が良い。水はけが遅い土壌を再現する場合は、より小さな細孔径のフィルタを用いる。

本実施形態では、決定した給水間隔、給水時間、及び給水量に基づいてオペレータが模擬土壌１００に給水する。

（腐食速度関数導出部）
腐食速度関数導出部１０は、直流分極抵抗法又は交流インピーダンス法を用いて測定した分極抵抗値Ｒ_ｐを取得し、次式に基づいて腐食電流密度ｉ_ｃｏｒｒを計算する。

ここでＫは、換算係数であり予め求めておく。換算係数Ｋは、アノード及びカソード分極曲線からＴａｆｅｌ勾配を導いて算出する（参考文献：「コンクリート中鋼材の腐食速度測定方法（CIPE法）の開発」、さび、148号、p2-8、2015）。

次に、次式に基づいて腐食速度ｒを計算する。

ここでｚはイオン価数、ρは密度（g/cm²）、Ｆはファラデー定数（C）、Ｍは原子量（g/mol）である。腐食速度ｒは、土壌の含水率が、最大値から所定値以下となるまでの１回の給水サイクルの変化の中で複数回計算する。

図３（ａ）に、経過時間と土壌含水率との関係を模式的に示す。図３（ｂ）に、土壌含水率と腐食速度ｒとの関係を模式的に示す。

模擬土壌１００に給水した直後に、土壌含水率は直ちに最大になり、その後、フィルタから排水されて徐々に低下する特性を示す。一方、腐食速度ｒは、例えば、土壌含水率が高いと速く、土壌含水率が低いと遅くなる特性を示す。なお、腐食速度ｒの特性は、例えば土壌粒子の粒径等で変化する。

腐食速度関数導出部１０は、水分センサ１１から得られる土壌含水率の変化に対応させて分極抵抗値Ｒ_ｐを取得し、式（１）と式（２）に基づいて腐食速度ｒを計算する。土壌含水率に対する腐食速度ｒの変化の関係を、例えば多項式関数で近似することで腐食速度関数ｒ_１を求める。

腐食速度関数ｒ_１の添え字は、模擬土壌１００に給水する給水サイクルの回数を表す。腐食速度関数導出部１０は、模擬土壌１００にオペレータが給水する度に腐食速度関数ｒ_ｎを求める。腐食速度関数ｒ_ｎは次式で表せる。

（相関係数計算部）
給水サイクルの繰り返しにより、鋼材サンプル１５の土壌腐食が進行し、鋼材サンプル１５の表面状態が変化する。腐食が進行することで形成される錆層の影響でカソード反応に必要な酸素の見かけ上の拡散が遅くなることで腐食速度ｒは次第に低下する。

相関係数計算部２０は、ｎ回目の給水サイクルの腐食速度関数ｒ_ｎと、ｎ−１回目の腐食速度関数ｒ_ｎ−１の関係性から両者の相関係数ｇ_ｎを計算する。相関係数ｇ_ｎは、腐食速度関数ｒ_ｎを構成する定数項ごとに計算する。

腐食速度関数ｒ_ｎを、例えばｒ_ｎ＝ａｘ^３−ｂｘ^２＋ｃｘ−ｄと仮定した場合、相関係数計算部２０は、定数項ａの相関係数ａｇ_ｎ、定数項ｂの相関係数ｂｇ_ｎ、定数項ｃの相関係数ｃｇ_ｎ、及び定数項ｄの相関係数ｄｇ_ｎを計算する。各定数項の相関係数を求めることで、将来の腐食速度関数を推定することができる。

（腐食速度関数推定部）
ｎ回目の給水サイクルの腐食速度関数ｒ_ｎは、ｎ−１回目の腐食速度関数ｒ_ｎ−１と相関係数ｇ_ｎ−１により次式で表せる。

腐食速度関数推定部３０は、１回目の給水サイクルの腐食速度関数ｒ_１が既知であるので、次式により将来の腐食速度関数ｒ_ｎを計算する。

（推定腐食量計算部）
推定腐食量計算部４０は、腐食速度変化を時間積分することで腐食量ｗ_ｎを計算する。つまり、任意の給水サイクルｎの鋼材サンプル１５の腐食量は次式で計算できる。

腐食速度関数ｒ_ｎは、土壌含水率の関数である。したがって、図５に示す土壌含水率の履歴と腐食速度関数ｒ_ｎで腐食速度変化を求めることができ、腐食速度変化を積分することで腐食量を計算することができる。

土壌含水率の履歴を表す水履歴は、外部から推定腐食量計算部４０に入力する。又は、水分センサ１１で測定した土壌含水率を記憶しておき、その記憶したデータを用いても良い。

各給水サイクルの腐食量を積算することで、鋼材サンプル１５の腐食量を推定することができる（式（７））。

推定腐食量Ｗは、べき乗則で記述可能と考えられている腐食進行のモデル式で近似できる。モデル式の一例を式（７）に示す。Ｔｎはサイクル期間、ａ，ｂは定数である。

図６に、腐食量ｗ_ｎの変化を模式的に示す。横軸は、例えば鋼材を埋設してからの年数（建年）、縦軸は腐食量である。腐食量は、年数が経過するに従って飽和する特性を示す。

以上説明したように本実施形態の腐食量推定装置１は、電気化学的な手法を用い、腐食進行に伴う経時的な腐食速度の変化から相関係数を求め、漸化式を求めるように将来の腐食速度関数を計算するので、短期間で地中埋設した鋼材の腐食量の推定を可能にする。

〔第２実施形態〕
図７に、第２実施形態に係る腐食量推定装置２の機能構成例を示す。負傷量推定装置２は、腐食量推定装置１（図１）に対して給水部５０を備える点で異なる。

給水部５０は、所定地域の１年間の降雨データから、雨が降ってから次ぎの雨が降るまでの降雨間隔と、１回の降雨で雨が降り続ける連続降雨時間を求め、降雨間隔と連続降雨時間で、模擬土壌１００に給水すると共に、腐食速度関数導出部１０に降雨開始を通知する。

図８（ａ）に降雨間隔、図８（ｂ）に連続降雨時間を示す。図８（ａ）と図８（ｂ）は、地域Ａと地域Ｂの１年間の時間雨量データから求めたヒストグラムである。

給水部５０は、外部から入力される降雨データから上記のヒストグラムを作成する。そして、各地域で最も頻度の高い降雨間隔と連続降雨時間を、給水条件として決定する。

一度に給水する給水量は、各地域の時間雨量の年間平均値から決定する。降雨量の単位は（mm）であるため、模擬土壌１００の底面積に基づいて（ml）に換算して給水量を決定する。

給水部５０は、決定した給水条件に基づいてノズル５１から模擬土壌１００に給水する。腐食速度関数導出部１０は、給水部５０から給水開始の通知を受け、水分センサ１１による土壌含水率と、電気化学測定器による分極抵抗の測定を開始する。

以上説明した給水動作は、自動的に行われる。したがって、本実施形態の腐食量推定装置２は、腐食量推定装置１が必要としたオペレータによる給水操作を不要とし、腐食量の評価を省力化することができる。

以上説明したように本実施形態の腐食量推定装置１，２によれば、電気化学的な手法を用い、腐食進行に伴う経時的な腐食速度の変化から相関係数を求め、漸化式を求めるように将来の腐食速度関数を計算するので、短期間で地中埋設した鋼材の腐食量の推定を可能にする。また、本実施形態の腐食量推定装置２は、鋼材サンプル１５の腐食量の評価を自動化することができる。

なお、模擬土壌１００の分極抵抗を測定する電気化学測定器は、腐食速度関数導出部１０の内部に設けても良いし、外部に配置しても良い。また、外部から入力した水履歴は、腐食速度関数導出部１０が水分センサ１１で測定した土壌含水率を記憶し、記憶した土壌含水率の変化のデータを水履歴として用いるようにしても良い。このように本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。

１、２：腐食量推定装置
１０：腐食速度関数導出部
１１：水分センサ
１２：白金対極
１３：作用電極（鋼材サンプル）
１４：照合電極
２０：相関係数計算部
３０：腐食速度関数推定部
４０：推定腐食量計算部
５０：給水部
５１：ノズル

Claims (3)

1. 土壌の含水率が、最大値から所定値以下となるまでの１回の給水サイクルの前記含水率の変化と、前記土壌中の鋼材の分極抵抗値とを取得し、前記分極抵抗値を用いて前記含水率の関数である前記鋼材の腐食速度を多項式関数で表す腐食速度関数を、前記給水サイクルごとに求める腐食速度関数導出部と、
   ｎ回目の前記給水サイクルの腐食速度関数とｎ−１回目の前記給水サイクルの腐食速度関数の関係性から、前記多項式関数を構成する各定数項の相関係数を計算する相関係数計算部と、
   前記相関係数を用いて将来の腐食速度関数を求める腐食速度関数推定部と、
   前記将来の腐食速度関数と、前記含水率の変化の履歴を表す水履歴から前記鋼材の将来の腐食量を計算する推定腐食量計算部と
   を備えることを特徴とする腐食量推定装置。
2. 外部から入力される所定地域の１年間の雨量データから、雨が降ってから次ぎの雨が降るまでの降雨間隔と、雨が降り続ける連続降雨時間を求め、前記降雨間隔と前記連続降雨時間で、前記土壌に給水すると共に、前記腐食速度関数導出部に給水開始を通知する給水部を備えることを特徴とする請求項１に記載の腐食量推定装置。
3. 腐食量推定装置が行う腐食量推定方法であって、
   土壌の含水率が、最大値から所定値以下となるまでの１回の給水サイクルの含水率の変化と、前記土壌中の鋼材の分極抵抗値とを取得し、前記分極抵抗値を用いて前記含水率の関数である前記鋼材の腐食速度を多項式関数で表す腐食速度関数を、前記給水サイクルごとに求め、
   ｎ回目の前記給水サイクルの腐食速度関数とｎ−１回目の前記給水サイクルの腐食速度関数の関係性から、前記多項式関数を構成する各定数項の相関係数を計算し、
   前記相関係数を用いて将来の腐食速度関数を求め、
   前記将来の腐食速度関数と、前記含水率の変化の履歴を表す水履歴から前記鋼材の将来の腐食量を計算することを特徴とする腐食量推定方法。

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