JP7104326B2

JP7104326B2 - 腐食性評価装置とその方法

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Publication number: JP7104326B2
Application number: JP2018181553A
Authority: JP
Inventors: 真悟峯田; 翔太大木; 守水沼; 昌幸津田; 孝澤田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2022-07-21
Anticipated expiration: 2038-09-27
Also published as: WO2020066715A1; US20210341381A1; JP2020051894A

Description

本発明は、環境によって金属が腐食される程度の大きさを表す腐食性を評価する腐食性評価装置とその方法に関する。

我々の生活を支えるインフラ設備は、種類も多く、数も膨大である。加えて、インフラ設備は、市街地だけでなく、山岳地、海岸付近、温泉地、及び寒冷地等の多様な環境に曝されている。このように様々な環境に曝されるインフラ設備の保全には、点検による劣化の現状把握や、予測推定技術を踏まえた効率的な運用が必要になる。

例えば、地上の大気環境に曝露されるインフラ設備も多い。これらのインフラ設備は、風雨等に曝されることで、それぞれの環境に応じた速さで腐食が進行する。

また、水中に設置されたインフラ設備も、その環境特有の速さで腐食する。また、鋼管柱、支持アンカー、地中鋼配管等に代表されるように、全体または一部を地中に埋設した状態で使用される地中設備も多い。

地中設備が埋設される土壌の腐食性を評価する規格としては、例えば、ＡＮＳＩ（American National Standards Institute）及びＤＶＧＷ（ドイツガス水道協会）が知られている（非特許文献１）。

角田知巳ほか１名、「土壌の腐食性を評価するための視点」、防蝕技術、Vol.36, pp.168-177(1987).

ＡＮＳＩとＤＶＧＷのどちらも、腐食性を評価したい土壌について、抵抗率、ｐＨ、及び水分量など、腐食に寄与する環境因子を測定し、それらの結果を総合的に取り入れて評価する方法である。しかしながら、いずれも定性的な評価にとどまり、例えば劣化予測に用いるために必要な定量的評価を行うことが難しい。また、得られた結果が実態と合わない場合も多いことが指摘されている（非特許文献１）。

つまり、現状では、金属が配置される環境の腐食性を定量的に評価できる装置及び方法が存在し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、金属が配置される環境の腐食性を定量的に評価できる腐食性評価装置とその方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る腐食性評価装置は、環境によって金属が腐食される程度の大きさを表す腐食性を評価する腐食性評価装置であって、前記環境に配置され、少なくとも1種類の前記金属を含む電極部と、前記環境の水分量の1サイクルの変化の間に、前記電極部を用いた交流インピーダンス測定により前記金属の腐食反応の抵抗を表す電荷移動抵抗を測定し、該電荷移動抵抗から前記環境によって前記金属が腐食される程度の大きさ表す腐食速度、又は前記腐食速度に関連する値を繰り返し測定する測定部と、前記測定部で測定された前記腐食速度又は前記腐食速度に関連する値の時間変化を、関数で近似し、該関数を積分して前記金属の腐食量又は前記腐食量に関連する値を計算する計算部とを備えることを要旨とする。

また、本発明の一態様に係る腐食性評価方法は、上記の腐食性評価装置が実行する腐食性評価方法であって、少なくとも1種類の前記金属が配置される環境の水分量の1サイクルの変化の間に、前記金属を含む電極部を用いた交流インピーダンス測定により前記金属の腐食反応の抵抗を表す電荷移動抵抗を測定し、該電荷移動抵抗から前記環境によって前記金属が腐食される程度の大きさ表す腐食速度、又は前記腐食速度に関連する値を繰り返し測定する測定ステップと、前記測定ステップで測定された前記腐食速度又は前記関連する値の時間変化を、関数で近似し、該関数を積分して前記金属の腐食量又は前記腐食量に関連する値を計算する計算ステップとを行うことを要旨とする。

本発明によれば、金属が配置される環境の腐食性を定量的に評価することができる。

本発明の実施形態に係る腐食性評価装置の機能構成例を示す図である。図１に示す腐食速度推定装置の動作フローを示す図である。降雨と土壌含水率の関係を模式的に示す図である。降雨と土壌中の金属の腐食速度との関係を模式的に示す図である。ナイキスト線図を模式的に示す図である。電荷移動抵抗を計算するのに仮定する等価回路の例を示す図である。電荷移動抵抗を計算するのに仮定する等価回路の例を示す図である。時間と、腐食速度に比例する値（1/Ｒｃｔ）の関係を模式的に示す図である。収容部の例を模式的に示す図である。他の収容部の例を模式的に示す図である。

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。

図１は、本発明の実施形態に係る腐食性評価装置の機能構成例を示す図である。図１に示す腐食性評価装置１００は、環境によって金属が腐食される程度の大きさを表す腐食性を評価する装置である。この腐食性は、環境の腐食性である。

環境の腐食性とは、インフラ設備が配置される例えば土壌のその設備を腐食させる程度の大きさを表す性質である。例えば、設備を速く腐食するのであれば腐食性が高い、また、設備の腐食が遅いのであれば腐食性は低いと称する。腐食性評価装置１００は、インフラ設備が配置される環境の腐食性の大きさを定量的に評価するものである。

図１において、環境の表記は省略している。環境は、土壌、水、及び大気の何れの環境であっても良い。以降の説明では、土壌を例に説明する。

腐食性評価装置１００は、電極部１０、測定部２０、及び計算部３０を備える。電極部１０は、環境に間隔を空けて配置される2つ以上の金属を含む。

図２は、腐食性評価装置１００の処理手順を示すフローチャートである。図１と図２を参照してその動作を説明する。

図１に示す電極部１０は、例えば、評価対象の金属片（金属１０ａ，１０ｂ）を2つ、環境内に配置した例を示す。金属１０ａ，１０ｂは、同一種類の金属である。つまり、電極部１０は、環境に配置され、少なくとも1種類の金属を含む。

図１に示す例では評価対象の土壌に埋設される。なお、金属１０ａ，１０ｂの大きさ厚さを含む形状に特に制限はない。

測定部２０は、環境の水分量の1サイクルの変化から、該変化の間の金属１０ａ，１０ｂの腐食速度、又は金属１０ａ，１０ｂの腐食速度に関連する値を測定する（ステップＳ１）。水分量の1サイクルの変化は、例えば、土壌の含水率が100％～0％に推移することである。なお、上限は100％に限られない。また、下限も0％に限られない。

環境の水分量の1サイクルの変化は、腐食速度を測定する間隔と期間を適切に設定することで捉えることができる。例えば、水はけの良い土壌であれば1日程度の測定期間及び数時間の測定間隔で、1サイクルの水分量の変化に対応させた腐食速度を測定することが可能である。

環境は、この例では土壌である。土壌は、ＳｉやＡｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃａなどの酸化物等からなる土壌粒子と、土壌粒子の間隔内に存在する気相及び液相（水）から構成される3相共存環境である。土壌中の気相の割合と液相の割合の合計は、一定と考えることができ、一方が高まればもう一方は低くなる相反関係にある。また、土壌腐食反応には、基本的に水と酸素が必要であり、これらの状態に依存した腐食速度で腐食が進行する。

したがって、土壌中を占める水の割合を指す土壌含水率は、腐食速度に寄与する主要な環境因子であり、土壌含水率と共に腐食速度は変化するといえる。

土壌含水率は、地中のよほど深い位置でない限り、常に一定に保持されているわけではない。土壌含水率は、例えば降雨などの自然現象に応じて変化する。

図３は、降雨と土壌含水率の関係を模式的に示す図である。図３の横軸は経過時間である。図３に示すように、土壌含水率の増減は降雨とよく連動しており、降雨時に急激に増加し、雨が止むと徐々に減少するというサイクルを繰り返す。したがって、腐食速度の経時的な変化も、降雨を起点としたサイクルの繰り返しになると考えることができる。

図４は、降雨と土壌中の金属の腐食速度の関係を模式的に示す図である。ここで、1サイクルとは、降雨から次の降雨までの期間を指している。降雨間隔によって1サイクルの時間の長さは異なる。

なお、土壌含水率の他にも腐食速度に寄与する因子は多い。例えばｐＨ値及び各種イオン量がある。これらイオン種は、基本的に土壌中から水に溶出したものであるため、土壌と含水率を定めればｐＨ値及び各種イオン量は一義的に定まる。したがって、これらの因子の時間的な変動も降雨を起点としてサイクル的に変化するものと考えられる。

測定部２０は、この1サイクルの土壌含水率の変化の間の金属１０ａ，１０ｂの腐食速度、又は金属１０ａ，１０ｂの腐食速度に関連する値を測定する。具体的な測定方法については後述する。なお、測定部２０は、電極部１０の金属１０ａ，１０ｂの腐食速度等を測定するが、その腐食速度は金属１０ａ，１０ｂが配置された環境との相互作用によって決定されるものである。したがって、測定部２０で測定した腐食速度等は、環境の腐食性の程度の大きさを表すことになる。

計算部３０は、測定部２０で測定された値から、金属１０ａ，１０ｂの腐食量、又は金属１０ａ，１０ｂの腐食量に関連する値を計算する（ステップＳ２）。計算部３０は、1サイクルの土壌含水率の変化の間に測定された腐食速度、又は腐食速度に関連する値から、腐食量、又は腐食量に関連する値を計算する。計算した値はそのまま外部に出力しても良いし、何らかの基準値と比較して腐食性の大小を判定するようにしても良い。この腐食性の大小は、上記のように金属１０ａ，１０ｂが配置される環境の腐食性を表す。

以上説明したように本実施形態に係る腐食性評価装置１００は、環境によって金属１０ａ，１０ｂが腐食される程度の大きさを表す腐食性を評価する腐食性評価装置であって、環境に間隔を空けて配置される2つ以上の金属１０ａ，１０ｂを含む電極部１０と、環境の水分量の1サイクルの変化から、該変化の間の金属１０ａ，１０ｂの腐食速度、又は金属１０ａ，１０ｂの腐食速度に関連する値を測定する測定部２０と、測定部２０で測定された値から、金属１０ａ，１０ｂの腐食量、又は金属１０ａ，１０ｂの腐食量に関連する値を計算する計算部３０とを備える。これにより、環境の腐食性を定量的に評価することができる。環境の腐食性は、1サイクルの水分量の変化から求められる。したがって、短時間で環境の腐食性を定量的に評価することができる。

次に、腐食性評価装置１００の各機能構成部について詳しく説明する。

（電極部）
電極部１０は、測定部２０における電気化学的測定において必要な数の電極を備える必要がある。例えば、2電極法による交流インピーダンス測定を行う場合は、図１に示すように金属１０ａ，１０ｂを備えたものとする。

金属１０ａ，１０ｂは、評価対象の土壌に直接埋設する。なお、評価対象の土壌のサンプルを入手し、土壌サンプルに金属１０ａ，１０ｂを挿入して腐食性を評価しても良い。土壌サンプルを用いて評価する方法については後述する。

また、3電極法による交流インピーダンス測定を行う場合は、作用極、対極、及び参照極を設ける。この場合、対極には白金、カーボンシート等、参照極にはＡｇ/ＡｇＣｌ電極、硫酸銅電極等を用いる。なお、3電極法による交流インピーダンス測定は周知である。

（測定部）
測定部２０は、交流インピーダンス測定機能を有する。交流インピーダンス測定は、環境内に配置された金属を電極とし、電極間に微少電圧もしくは電流を交流で印加し、電気的な応答を測定する。なお、金属は、上記のような2つの金属１０ａ，１０ｂに限られない。

金属に印加する電圧もしくは電流は、金属の表面が変化しないように微少にするのがよい。例えば、電圧で±5mV程度である。周波数は、例えば0.1Hz～数kHzの幅で変化させる。

交流インピーダンス測定を行うことでナイキスト線図を得ることができる。図５に、ナイキスト線図を模式的に示す。ナイキスト線図の横軸は実部、縦軸は虚部である。ナイキスト線図を元に、所定の等価回路に基づいてカーブフィッティングすることで電荷移動抵抗を導く。

図６と図７は、電荷移動抵抗を計算するのに仮定する等価回路の例である。どちらの図も（ａ）は、3電極で交流インピーダンスを測定した場合の等価回路である。（ｂ）は、2電極で交流インピーダンスを測定した場合の等価回路である。

図中の電荷移動抵抗Ｒｃｔは、土壌に埋設された金属の腐食反応の抵抗を表す。電気二重層Ｃ_ｄｌは、金属と土壌の界面に存在する容量である。抵抗成分Ｒ_Ｓ１，Ｒ_Ｓ２は、土壌及びその他の抵抗を表す。容量Ｃ_Ｓは、土壌の容量成分である。ワールブルグインピーダンスＺ_Ｗ（図７）は、拡散過程によるインピーダンスである。なお、カーブフィッティングする際は、電気二重層Ｃ_ｄｌと容量Ｃ_ＳはＣＰＥ（Constant Phase Element）に置き代えてもよい。

図６と図７に示す等価回路によれば、図５に示すようにナイキスト線図の上に理論上二つの円弧が描かれる。高周波数側の円弧は土壌に由来する。低周波数側の円弧は腐食反応に起因するものである。

電荷移動抵抗Ｒｃｔは、ナイキスト線図の低周波数側の円弧が横軸（実部）と交差する幅で与えられる。なお、2電極で交流インピーダンスを測定した場合の電荷移動抵抗Ｒｃｔは、その幅の半分の値である。

腐食速度は、電荷移動抵抗Ｒｃｔの逆数に比例する。腐食速度は、金属表面の単位面積上で単位時間当たりにイオン化する量、すなわち電流密度と同義である。腐食電流密度は、Stern-Gearyの式として知られる分極抵抗の原理から、導出した電荷移動抵抗Ｒｃｔの逆数と比例定数Ｋを用いることで求められる（参考文献：「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，Vol. 46,p.610-619(1967)）。

比例定数Ｋは実験で求めてもよい。対象とする土壌における金属のアノード分極試験及びカソード分極試験の結果から予め比例定数Ｋを求める。

比例定数Ｋを用いることで、電荷移動抵抗Ｒｃｔの逆数から、腐食電流密度（腐食速度）を算出することができる。また、腐食電流密度から重量減肉速度や体積減肉速度等の腐食速度に関連する値を算出するようにしてもよい。

このように測定ステップ（ステップＳ１）で測定した1回のインピーダンス測定結果から、一つの腐食速度、又は一つの腐食速度に比例する値（1/Ｒｃｔ）を得ることができる。

図８は、1回の給水と排水の1サイクルの水分量の変化に対応する時間と、腐食速度に比例する値（1/Ｒｃｔ）の関係を模式的に示す図である。図８の横軸は1回の給水と排水の1サイクルの水分量の変化に対応する時間、縦軸は腐食速度に比例する値（1/Ｒｃｔ）である。

測定部２０は、所定時間毎に電荷移動抵抗Ｒｃｔを測定する。また1サイクルにかかる時間は、対象とする土壌の排水性の善し悪しによって異なる。例えば、1サイクルの時間は数時間の場合もあるし、排水が悪く常に湿潤しているような土壌では日単位の時間となる。また所定時間は任意に定めてもよいが、1サイクルで複数回の測定を実施することが好ましいため、土壌の水はけに応じて所定時間を調整するのがよい。

所定時間を例えば1時間と仮定すると、測定部２０は18時間で図８に示す電荷移動抵抗Ｒｃｔの測定を終了する。測定部２０は、測定した電荷移動抵抗Ｒｃｔから腐食速度（腐食電流密度）を計算してもよいし、重量減肉速度や体積減肉速を計算してもよい。

（計算部）
計算部３０は、測定部２０で測定された腐食電流密度（腐食速度）又は重量減肉速度等の値から、金属の腐食量又は腐食量に関連する値を求める。求めた腐食量又は腐食量に関連する値は、外部に出力される。

計算部３０は、腐食速度又は腐食速度に比例する値の時間変化を、関数ｆ（ｔ）でフィッティングし、関数ｆ（ｔ）を積分して腐食量を求める。求めた腐食量の大きさで土壌（環境）の腐食性を評価することができる。

以上説明したように本実施形態に係る腐食性評価方法は、2以上の金属が配置される環境の水分量の1サイクルの変化から、該変化の間の例えば金属１０ａ，１０ｂの腐食速度、又は例えば金属１０ａ，１０ｂの腐食速度に関連する値を測定する測定ステップ（Ｓ１）と、測定ステップで測定された値から、上記の金属の腐食量、又は上記の金属の腐食量に関連する値を計算する計算ステップ（Ｓ２）とを行う。これにより、環境の腐食性を、定量的に且つ短時間で評価することができる。

表１に、腐食性評価装置１００で求めた腐食量の例を示す。

土壌（１）は赤土、土壌（２）は灰色低地土、土壌（３）は黒土、土壌（４）は泥炭土である。腐食量の単位は、腐食速度に比例する値（1/Ｒｃｔ）に時間を乗じたものである。

表１に示すような腐食量が計算されたとすると、腐食性は（４）＞（２）＞（３）＞（１）の順で大きい。腐食性は表１に示すように定量値で評価しても良いし、基準を設け、基準と比較して評価するようにしても良い。

例えば、計算部３０で計算した腐食量等が入力される評価部（図示せず）を備え、評価部が備える基準値を上回れば腐食性有り、基準値を下回れば腐食性無し、と評価しても良い。基準値は、表１に示す例であれば例えば0.010といった値である。

なお、求めた値そのものを比較せず、腐食量又は腐食量に比例する値から別の評価基準値に変換するようにしても良い。例えば、ある評価基準について、腐食量又は腐食量に比例する値をｘとし、評価値ｇ（ｘ）を求めても良い。

（土壌サンプルを用いて評価する方法）
評価対象の土壌サンプルを入手し、土壌サンプルを収容部に収容した後に、金属１０ａ，１０ｂを土壌サンプルに埋設させて腐食性を評価しても良い。

図９は、収容部２に土壌サンプル３を収容し、土壌サンプル３に金属１０ａ，１０ｂを埋設した状態を模式的に示す図である。収容部２に対しては、図示しない給水機構から給水するようにしても良い。又は、予め所定の土壌含水率に制御した土壌サンプルを用いるようにしても良い。

土壌サンプル３の水分は、収容部２の下部から外部に排出される。収容部２の下部には、多孔質のフィルターを設けることで、簡便な排水機構を実現することができる。

なお、給水機構と排水機構は、土壌サンプル３の土壌含水率を変化させられればよく、その機構を実現する形態及び方法は問わない。例えば、土壌サンプル３は手動で給水するようにしても良い。

また、収容部２は、評価する対象の環境を模擬する環境機能部を備えても良い。環境機能部としては、例えば、温度制御機能部（図示せず）、及び酸素濃度制御機能部等が考えられる。

温度制御機能部は、例えば恒温槽であり、恒温槽内に収容部２を入れることで、評価する対象の環境の温度を模擬することができる。

酸素濃度制御機能部は、収容部２の内部に、土壌サンプル３の表面を気体に曝す空間を設けることで実現できる。その空間にガスを導入する吸気口と、排出させる排気口を設け、例えばＮ_２とＯ_２の混合ガスを導入する。また、ＣＯ_２を混合しても良い。

図１０は、土壌サンプル３の表面を所定の気体に曝す空間４を備える収容部２の例を模式的に示す図である。ガスは吸気口５ａから導入され排気口５ｂから排出される。ガスを例えば上記の混合ガスとし、その比率を変化させれば土壌サンプル３中の酸素濃度を制御することができる。つまり、図１０に示す空間４、吸気口５ａ、及び排気口５ｂは、酸素濃度制御機能部を構成する。これにより、実際の土壌環境に近い模擬環境を創ることができ、腐食性評価の信頼性を向上させることができる。

このように、本実施形態に係る腐食性評価装置１００は、収容部２を備えても良い。なお、収容部２は、土壌サンプルを収容する例で説明を行ったがこの例に限定されない。収容部２は、気体のみを収容しても良いし、液体と気体の2相を収容するようにしても良い。気体のみを収容した場合、上記の土壌含水率は、収容部２内の湿度ということになる。

このように環境の水分量は、土壌含水率に限られない。環境の水分量は、例えば、収容部２内に液体と気体の2相を収容するようにした場合、金属１０ａ，１０ｂが液体に浸漬される比率（量）、あるいは金属１０ａ，１０ｂの表面が液体に曝される回数等のことである。つまり、環境の水分量の1サイクルの変化は、環境に配置される金属表面の水分量、水膜厚、及び湿度等の水分に関連した量の1サイクルの変化を意味する。

収容部２は、腐食性を評価する対象の環境を模擬したものを閉じ込めるものである。つまり、腐食性評価装置１００は、電極部１０を収容する収容部２を備え、測定部２０は、収容部２内の含水率の1サイクルの変化から、該変化の間の例えば金属１０ａ，１０ｂの腐食速度、又は例えば金属１０ａ，１０ｂの腐食速度に関連する値を測定する。これにより、実験室内で環境の腐食性を評価することができる。

以上説明したように本実施形態に係る腐食性評価装置１００によれば、環境の腐食性を定量的に評価することができる。なお、上記の実施形態の説明において環境は、土壌を例に説明したが、本発明はこの例に限定されない。

環境は、大気中及び水中でも構わない。その環境に電極部１０を配置することで、それぞれの環境の腐食性を、実態に即した精度で定量的に評価することが可能である。

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。例えば、電極部１０は、間隔を空けて配置される2つの金属１０ａ，１０ｂで構成される例を示したが、対極、作用極、及び照合電極の3つの電極を備える電極部としても良い。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１００：腐食性評価装置
２：収容部
３：土壌サンプル
４：空間（環境機能部）
１０：電極部
１０ａ，１０ｂ：金属
２０：測定部
３０：計算部

Claims

環境によって金属が腐食される程度の大きさを表す腐食性を評価する腐食性評価装置であって、
前記環境に配置され、少なくとも1種類の前記金属を含む電極部と、
前記環境の水分量の1サイクルの変化の間に、前記電極部を用いた交流インピーダンス測定により前記金属の腐食反応の抵抗を表す電荷移動抵抗を測定し、該電荷移動抵抗から前記環境によって前記金属が腐食される程度の大きさ表す腐食速度、又は前記腐食速度に関連する値を繰り返し測定する測定部と、
前記測定部で測定された前記腐食速度又は前記腐食速度に関連する値の時間変化を、関数で近似し、該関数を積分して前記金属の腐食量又は前記腐食量に関連する値を計算する計算部と
を備えることを特徴とする腐食性評価装置。
前記電極部を収容する収容部を備え、
前記測定部は、前記収容部内の含水率の1サイクルの変化の間に、前記電極部を用いた交流インピーダンス測定により前記金属の腐食反応の抵抗を表す前記電荷移動抵抗を測定し、該電荷移動抵抗から前記環境によって前記金属が腐食される程度の大きさ表す前記腐食速度、又は前記腐食速度に関連する値を繰り返し測定する
ことを特徴とする請求項１に記載の腐食性評価装置。
前記収容部は、
評価する対象の前記環境を模擬する環境機能部を備える
ことを特徴とする請求項２に記載の腐食性評価装置。
環境によって金属が腐食される程度の大きさを表す腐食性を評価する腐食性評価装置が実行する腐食性評価方法であって、
少なくとも1種類の前記金属が配置される環境の水分量の1サイクルの変化の間に、前記金属を含む電極部を用いた交流インピーダンス測定により前記金属の腐食反応の抵抗を表す電荷移動抵抗を測定し、該電荷移動抵抗から前記環境によって前記金属が腐食される程度の大きさ表す腐食速度、又は前記腐食速度に関連する値を繰り返し測定する測定ステップと、
前記測定ステップで測定された前記腐食速度又は前記腐食速度に関連する値の時間変化を、関数で近似し、該関数を積分して前記金属の腐食量又は前記腐食量に関連する値を計算する計算ステップと
を行うことを特徴とする腐食性評価方法。