JP7285437B2 - 吸蔵水素量推定方法及びその装置 - Google Patents

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Description

本発明は、腐食により発生した水素が金属内部に侵入して蓄えられる量を推定する吸蔵水素量推定方法及びその装置に関する。
インフラ設備等の屋外に設置された金属構造物は、風雨に曝されることで腐食する。腐食反応によって発生した水素は、金属内部に侵入することで脆性破断（水素脆化）の原因になる。
金属中の水素量が増えるほど破断する確率は高くなる。よって、金属中の水素量を推定することは重要である。金属中の水素量を測定する方法は、例えば昇温ガス脱離分析装置（ＴＤＡ）及び水素透過試験等がある（非特許文献１）。また、特許文献１及び２等に開示された方法が知られている。
特開２０１９－１００９３９号公報 特開２０１８－２００２９２号公報
水流徹、「電気化学法による鉄鋼への水素侵入・透過の計測」、材料と環境,63,3-9(2014).
例えば、昇温ガス脱離分析装置では、サンプルスペースが小さいため小さなサンプルしか測定できない。よって、金属構造物を破壊して加工しなければ吸蔵水素量を測定することができない。また、水素透過試験では、サンプルの片面をメッキして電極を付ける加工が必要である。
このように従来の吸蔵水素量測定方法は、金属材料の加工が必要である。その加工の際に、金属材料から水素が抜けてしまい正しい水素量を測定でき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、金属構造物の吸蔵水素量を非破壊/非加工で求めることができる吸蔵水素量推定方法及びその装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る吸蔵水素量推定方法は、吸蔵水素量推定装置が行う吸蔵水素量推定方法であって、湿潤状態から乾燥状態への湿度の変化によって金属に吸蔵される吸蔵水素単位量と、前記金属が設置されてからの期間と、前記金属が設置された地域の前記期間に対応する気象データとに基づいて、前記期間の間に前記金属に侵入する吸蔵水素量を推定する吸蔵水素量推定ステップを実行することを要旨とする。
また、本発明の一態様に係る吸蔵水素量推定装置は、上記の吸蔵水素量推定方向を実行する装置であって、湿潤状態から乾燥状態への湿度の変化によって金属に吸蔵される吸蔵水素単位量と、前記金属が設置されてからの期間と、前記金属が設置された地域の前記期間に対応する気象データとに基づいて、前記期間の間に前記金属に侵入する吸蔵水素量を推定する吸蔵水素量推定部を備えることを要旨とする。
本発明によれば、金属構造物の吸蔵水素量を非破壊/非加工で推定することができる。
本発明の実施形態に係る吸蔵水素量推定装置の機能構成例を示す図である。 金属が置かれた環境の湿度が湿潤状態から乾燥状態に変化した場合にその金属に侵入する水素量の変化を模式的に示す図である。 乾湿の繰り返しで金属に吸収される吸蔵水素量が増加する様子を模式的に示す図である。 過去の一日当たりの降雨量の気象データの一例を示す図である。 降雨量の気象データの他の例を示す図である。 腐食時間と金属の腐食生成物の質量比α/γの関係を示す図である。 図１に示す吸蔵水素量推定装置の処理手順を示すフローチャートである。 汎用的なコンピュータシステムの構成例を示すブロック図である。
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。
〔吸蔵水素量推定装置〕
図１は、本発明の実施形態に係る吸蔵水素量推定装置の機能構成例を示す図である。図１に示す吸蔵水素量推定装置１００は、入力部１０、吸蔵水素量推定部２０、及び出力部３０を備える。吸蔵水素量推定装置１００は、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等からなるコンピュータで実現することができる。
入力部１０は、吸蔵水素量推定装置１００を構成する例えばキーボードである。キーボードを操作して吸蔵水素単位量、期間、及び気象データを入力する。
吸蔵水素単位量は、所定の環境に設置される金属構造物（金属）の環境の湿度が湿潤状態から乾燥状態に変化することで金属に吸蔵される水素量のことである。吸蔵とは、金属の腐食反応によって発生する水素がその金属に侵入して蓄えられることである。
湿潤状態とは、環境が大気中であれば例えば湿度90%以上のことである。また、乾燥状態とは、例えば湿度10%以下のことである。環境が地中であれば、湿潤状態とはその土壌の含水率が90%以上、乾燥状態とは含水率が10％以下のことである。このように湿潤及び乾燥は、環境中の水分量の状況を表す。
図２は、環境の湿度が湿潤状態から乾燥状態に変化した場合に金属に侵入する水素量の変化を模式的に示す図である。図２の横軸は時間、縦軸は侵入水素量である。
図２に示す様に、湿潤状態から乾燥状態に環境中の水分量が変化すると、その変化より遅れて金属に侵入する水素量が徐々に増加して最大値を示し、その後最小値に戻る特性を示す。この侵入水素量の変化を積分した水素量が、１回の乾湿繰り返しで金属に蓄えられる吸蔵水素単位量Ｘである。
この吸蔵水素単位量Ｘは、一般的な昇温ガス脱離分析装置及び水素透過試験で測定することができる。吸蔵水素単位量Ｘは、対象とする金属構造物と同じ金属材料を、湿潤状態から乾燥状態に曝して予め測定する。又は、信頼できる文献で公開されている値を用いても良い。
水素は腐食反応によって発生し、その後金属内部に侵入する。金属の腐食は環境の乾湿の繰り返しで起こるため、水素の金属への侵入も乾湿の繰り返しで進行する。
したがって、吸蔵水素単位量Ｘと、乾湿の繰り返しの回数Ｙを乗ずることで金属に侵入して蓄えられた吸蔵水素量を推定することができる。
図３は、乾湿の繰り返しで金属に蓄えられる吸蔵水素量が増加する様子を模式的に示す図である。図３に示す様に、例えば乾湿を3回繰り返すと吸蔵水素量は3倍に増加する。
乾湿の繰り返しの回数Ｙは、例えば、金属構造物の設備情報（建築年数）と気象データから求めることができる。気象データは、気象庁のホームページからダウンロードすることができる。
図４は、気象庁のホームページから過去の一日当たりの降雨量をダウンロードした気象データの例を示す。一列目は年月日、二列目は地域とその日の降雨量(mm)である。この例の地域は、東京都港区である。このように、特定の地域ごと、特定の期間ごとに気象データを取得することができる。なお、図４に示す降雨量は仮の値である。
降雨量の最小単位は0.5mmであるが、降雨量が少ないと環境の水分量が湿潤状態にならない。したがって、例えば10mm以上の降雨量が有った日を降雨回数1回とカウントする。また、日をまたいで連続して降雨があった場合は、連続した日の集合を1回とカウントする。
図５は、例えば10mm以上の降雨量が有った日を、横軸を日付で表記した図である。図５に示す様に8/1から8/10の間では、降雨回数が3回カウントされる。この期間に金属に蓄えられる吸蔵水素量はＸ×3と推定される。
金属構造物の設備情報（建築年数）が不明な場合は、その金属構造物の腐食生成物から腐食時間を求めることができる。腐食生成物を、粉末Ｘ線解析法で定量分析し、オキシ水酸化鉄であるα－ＦｅＯＯＨとγ－ＦｅＯＯＨの質量比α/γを求める。質量比α/γは、腐食時間との間に相関があることが知られている。
図６は、腐食時間と質量比α/γの関係を示す図である。図５の横軸は腐食時間（years）、縦軸は質量比α/γである。
図６に示す様に、質量比α/γが分かれば腐食時間を求めることができる。例えば質量比α/γ＝2の場合の腐食時間は11年である。腐食時間11年の間の降雨回数（繰り返しの回数Ｙ）は、金属構造物の設備情報が既知の場合と同じように求めれば良い。つまり、腐食時間は金属構造物の建築年数に相当する。
以上説明した様に本実施形態に係る吸蔵水素量推定装置１００は、所定の環境に設置される金属に吸蔵される水素量を推定する吸蔵水素量推定装置であって、湿潤状態から乾燥状態への湿度の変化によって金属に吸蔵される吸蔵水素単位量と、金属が所定の環境に設置されてからの期間と、金属が設置された地域の期間に対応する気象データとに基づいて、その期間の間に金属に吸収される吸蔵水素量を推定する吸蔵水素量推定部２０を備える。これにより、所定の環境に設置される金属構造物に吸蔵される吸蔵水素量を、1回の乾湿繰り返しに伴う吸蔵水素単位量と、気象データとの組合せの簡易な方法により、その金属構造物を破壊及び加工することなく推定することが可能となる。
（吸蔵水素量推定方法）
図７は、吸蔵水素量推定装置１００の動作フローを示す。図７に示すように吸蔵水素量推定装置１００の動作フローは、入力ステップＳ１、取得ステップＳ２、及び吸蔵水素量推定ステップＳ３を含む。
入力ステップＳ１は、吸蔵水素単位量Ｘ、期間、及び気象データを、例えば吸蔵水素量推定装置１００を構成するコンピュータの入力ポートに入力する。気象データは、吸蔵水素量推定装置１００がネットワークを介して気象庁のサーバに接続し、そのサーバからＣＳＶデータ形式の気象データを取得し、ＣＳＶデータから必要なデータを抽出するようにしても良い。
取得ステップＳ２は、期間に対応する気象データから乾湿の繰り返しの回数Ｙを取得する。また、期間は、金属の腐食生成物から求めた腐食時間で有っても良い。
吸蔵水素量推定ステップＳ３は、吸蔵水素単位量Ｘに乾湿の繰り返しの回数Ｙを乗じて吸蔵水素量を推定する。推定した吸蔵水素量は、例えば吸蔵水素量推定装置１００を構成するディスプレイに表示する。
このように本実施形態に係る吸蔵水素量推定方法は、吸蔵水素量推定装置１００が行う吸蔵水素量推定方法であって、湿潤状態から乾燥状態への湿度の変化によって金属に吸蔵される吸蔵水素単位量Ｘと、金属が設置されてからの期間と、金属が設置された地域の期間に対応する気象データとに基づいて、その期間の間に金属に吸収される吸蔵水素量を推定する吸蔵水素量推定ステップＳ３を実行する。
吸蔵水素量推定装置１００は、図８に示す汎用的なコンピュータシステムで実現することができる、例えば、ＣＰＵ９０、メモリ９１、ストレージ９２、通信部９３、入力部９４、及び出力部９５を備える汎用的なコンピュータシテムにおいて、ＣＰＵ９０がメモリ９１上にロードされた所定のプログラムを実行することにより、吸蔵水素量推定装置１００の機能が実現される。所定のプログラムは、HDD、SSD、USBメモリ、CD-ROM、DVD-ROM、MOなどのコンピュータ読取り可能な記録媒体に記録することも、ネットワークを介して配信することもできる。
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、気象データは、ネットワークを介してクラウド上から取得するようにしても良い。
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。
１０：入力部
２０：吸蔵水素量推定部
３０：出力部
１００：吸蔵水素量推定装置

Claims (3)

  1. 吸蔵水素量推定装置が行う吸蔵水素量推定方法であって、
    湿潤状態から乾燥状態への湿度の変化によって金属に吸蔵される吸蔵水素単位量と、前記金属が設置されてからの期間と、前記金属が設置された地域の前記期間に対応する気象データとに基づいて、前記期間の間に前記金属に侵入する吸蔵水素量を推定する吸蔵水素量推定ステップを実行する吸蔵水素量推定方法。
  2. 前記吸蔵水素量推定ステップは、
    前記気象データの降雨回数と前記吸蔵水素単位量を乗じて前記吸蔵水素量を推定する請求項１に記載の吸蔵水素量推定方法。
  3. 所定の環境に設置される金属に吸蔵される水素量を推定する吸蔵水素量推定装置であって、
    湿潤状態から乾燥状態への湿度の変化によって金属に吸蔵される吸蔵水素単位量と、前記金属が設置されてからの期間と、前記金属が設置された地域の前記期間に対応する気象データとに基づいて、前記期間の間に前記金属に侵入する吸蔵水素量を推定する吸蔵水素量推定部を備える吸蔵水素量推定装置。
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