JP7405254B2

JP7405254B2 - 腐食推定装置および方法

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Publication number: JP7405254B2
Application number: JP2022530390A
Authority: JP
Inventors: 翔太大木; 真悟峯田; 守水沼; 貴志三輪; 宗一岡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2023-12-26
Anticipated expiration: 2040-06-09
Also published as: JPWO2021250769A1; WO2021250769A1

Description

本発明は、埋設されている金属の腐食を推定する腐食推定装置および方法に関する。

我々の生活を支えるインフラ設備は高度経済成長期以降のおよそ２０年間に大量にかつ急速に整備されてきたことから、２０３０年には建設後５０年を経過する設備が全体の半数以上を占めると言われている。この結果、数多くのインフラ設備が、老朽化による故障の危機に瀕している。従って、今後益々増加する設備の故障に対応するために、安全性および効率性を考慮したインフラマネジメントを推進する必要がある。

これら老朽化したインフラ設備の故障を防ぐため、従来、定期点検による保守運用が実施されてきた。しかしながら、地中部や狭窄部などは目視点検が困難である上、代替となる他の適切な点検手段が確立されていない場合も多い。このため、これら点検が困難あるいは不可能な設備については、ある一定の年数が経過したものを一律に更新する運用、すなわちタイムベースメンテナンスの形態を取らざるを得ない現状にある。

このような状況に鑑み、目視点検が困難な設備の安全性および効率性を両立するため、設備の劣化状態を予測・推定することでコンディションベースメンテナンスを実現する技術の研究開発が、近年盛んに実施されている。コンディションベースメンテナンスにより、劣化進行の速い対象を見逃すことなく更新することで安全性が担保され、劣化進行の遅い対象はより長く使用することでコスト面の効率化が期待される。

目視点検が困難な領域に設置された設備の代表として、地中設備が挙げられる。なかでも、地中に埋設された状態で使用される金属製の構造物は数多い。なぜなら、一般的に大気中および海洋中と比べ、地中の腐食速度は遅いと言われているためだと考えられる。しかしながら、酸素濃淡電池、迷走電流による腐食、あるいは微生物腐食など地中環境特有の腐食モードは、局所的に穴あきを生じるほど腐食速度が速く、上述したように直接点検が困難であることを併せると、使用環境および使用設備によってはリスクが高い。

例えば、水道およびガスのパイプラインは、１箇所の穴あきでさえ重大な事故を生じかねない。また、使用済み核燃料のオーバーパック材では、放射線の漏洩、鋼管柱や支線アンカでは、電力および通信柱の倒壊を招く。

地中に埋設された金属材料の劣化主要因である土壌腐食を予測するためには、支配的な環境因子の抽出およびその影響度を把握する必要がある。腐食挙動と環境因子の関係を各種実験により評価することが重要であり、前記評価方法には複数候補が挙げられる。

第１に、屋外の既設設備の設置環境、および腐食状況を評価する方法である。設置環境に基づいて数多くの環境因子を抽出することができれば、統計的解析から腐食を推定することができる。しかしながら、この方法では、設置してから数十年経過した腐食劣化した実機を探さなければならず、調査方法によっては、スパースデータの解析から信頼性の高い結果を得られることができない。

また、そもそも点検ができないことから、腐食劣化に関する設備データを取得することが困難である。例えば、この方法では、設備更改後の腐食実機を回収して分析する必要があり、土の除去や酸洗による錆落としなどの大変な手間を要する。

第２に、屋外環境に金属サンプルを埋設してこの環境の腐食性を評価する曝露試験法がある。この方法では、埋設するサンプルの形状・表面積・重量・厚さなどを予め規定することができるため、曝露試験前後の変化量から、腐食の進行度を評価することが可能である。また、環境因子についても、埋設する土壌を選択することで、イオン量や酸性度、粒子径など好みのパラメータに調整することができる。しかしながら、第２の方法では、腐食測定が可能となる板厚減少量まで腐食させる必要があり、評価するまで長時間を要する。

第３に、実験室内で構築した模擬環境中で、腐食と相関の高い環境因子から腐食速度および腐食挙動を電気化学的に求め、腐食推定式から腐食を推定する方法である。材料の腐食メカニズムに基づき腐食に最も寄与する環境因子を特定し、環境因子と腐食速度の因果関係を把握することができれば、様々な土地の様々な環境に対して腐食推定が可能となる。地中埋設金属材料の腐食要因は複数存在し、土壌腐食は複雑な系と言われているが（非特許文献１）、鉄がイオンとして溶出する酸化反応（アノード反応）と水溶液中の酸素が電子を受け取る還元反応（カソード反応）に基づき進行すると言われている。

鉄がイオンとして溶出する際に流れる腐食電流を読み取ることで、短期間で発生する微視的な腐食挙動まで捉えることができる。電気化学的手法を適用するには、装置と電極との間の距離を短くすることで、ノイズの影響が無い（抑制された）状態の測定が可能となる。このため、実験系をコンパクトに設計することが可能な室内実験ならではの強みを活かすことができ、装置と電極との間の距離を長く確保しなければならない屋外環境に、この電気化学測定を適用することは困難である。

上述したアノード反応およびカソード反応に基づく、腐食反応のトリガーとなる支配因子は、水と酸素であると言える。すなわち、第３の方法においては、地中埋設された金属表面に水と酸素が一定のバランスで共存する必要がある。土壌は、固相・気相・液相の三相共存環境であり、固相の割合は土壌によって一定のため、気相もしくは液相どちらかの量を知ることができれば、自ずと両者を知ることができる。一般的には、計測が容易な液相、すなわち土壌含水率をモニタリングするケースが多い。

Y. Wan et al., "Corrosion Behaviors of Q235 Steel in Indoor Soil", International Journal of ELECTROCHEMICAL SCIENCE, vol. 8, pp. 12531-12542, 2013.

しかしながら、土壌含水率のモニタリングのみでは、肝心な固相に関する情報を得ることが困難であり、固相の情報を得るため別の測定と組み合わせて考察することが重要である。固相の情報として一般的に挙げられる要素は、土粒子径である。土粒子の大小および粒子径分布の違いによって、粒子間隙の構造や粒子の充填率が変化し、土壌中の水捌け挙動も連動して変化する。

土壌含水率の測定は、市販の土壌水分センサーを用いてモニタリングすることが可能である。しかしながら、土壌によっては水捌け速度が遅く、湿った状態から完全に乾燥しきるまで１か月以上を要するものもあり、測定に長時間かかることが難点である。また、土粒子径の測定として広く利用されている技術は、以下の２つが挙げられる。

第１に、ＪＩＳＡ１２０４：２００９に記載の土の粒度試験方法である。この試験は、７５μｍ以上の粒子に対してふるい分析を、７５μｍ以下の粒子に対して沈降分析を適用する。この試験は、２つの試験を実施する必要があるため、測定結果を得るまで長期間を要する。

土粒子径を測定する第２の方法は、レーザー回折／散乱式粒度分析法である。この分析法は、測定に要する時間は数十秒と短時間である点に優れているが、分析装置は精密機器であるが故におよそ数百万円と高価であり、誰もが容易に入手することができない。また、粒度試験から取得した土粒子径分布は、場合によって解釈が難しく、土壌含水率の結果との因果関係を導くことが困難である。また、短時間で腐食速度を評価する電気化学測定を追加で実施しなければならず、腐食推定に要する各種分析数が多く煩雑であることが課題として挙げられる。

上述したように、従来、地中埋設された金属材料の腐食を推定することが、容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、地中埋設された金属材料の腐食が、容易に推定できるようにすることを目的とする。

本発明に係る腐食推定方法は、土壌の透水係数を測定する第１ステップと、土壌の土壌抵抗を測定する第２ステップと、透水係数および土壌抵抗から腐食を推定する第３ステップとを備える。

本発明に係る腐食推定装置は、土壌の透水係数を測定する第１測定部と、土壌の土壌抵抗を測定する第２測定部と、透水係数および土壌抵抗から腐食を推定する推定部とを備える。

以上説明したように、本発明によれば、透水係数および土壌抵抗から腐食を推定するので、地中埋設された金属材料の腐食が、容易に推定できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る腐食推定方法を説明するフローチャートである。図２は、本発明の実施の形態に係る腐食推定装置の構成を示す構成図である。図３は、本発明の実施の形態に係る腐食推定装置の一部構成を示す構成図である。図４は、本発明の実施の形態に係る腐食推定装置の一部構成を示す構成図である。図５は、透水係数と土壌含水率２０％到達時間の関係を示す特性図である。図６は、土壌抵抗と初期腐食速度との関係を示す特性図である。図７は、透水係数と最大腐食速度との関係を示す特性図である。図８は、対象となる土壌の腐食挙動を示す特性図である。図９は、本発明の実施の形態に係る腐食推定方法をより詳細に説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態に係る腐食推定方法について図１を参照して説明する。この方法は、まず、ステップＳ１０１で、推定対象の土壌の透水係数を測定する（第１ステップ）。ステップＳ１０１では、いわゆる透水試験を実施する。次に、ステップＳ１０２で、土壌の土壌抵抗を測定する（第２ステップ）。次に、ステップＳ１０３で、測定された透水係数および土壌抵抗から、腐食を推定する（第３ステップ）。この腐食の推定（第３ステップ）では、透水係数および土壌抵抗から、湿潤した土壌の土壌含水率が０％に至るまでの、初期腐食速度と腐食速度上昇時間と最大腐食速度を含む腐食速度の時間変化を推定する。

次に、上述した腐食推定方法を実施するための腐食推定装置について、図２を参照して説明する。この腐食推定装置は、土壌の透水係数を測定する第１測定部１０１と、土壌の土壌抵抗を測定する第２測定部１０２と、透水係数および土壌抵抗から腐食を推定する推定部１０３とを備える。推定部１０３は、透水係数および土壌抵抗から、湿潤した土壌の土壌含水率が０％に至るまでの、初期腐食速度と腐食速度上昇時間と最大腐食速度を含む腐食速度の時間変化を推定する。

次に、腐食推定装置について、より詳細に説明する。まず、第１測定部１０１について、図３を参照して説明する。第１測定部１０１は、透水試験装置から構成され、透水円筒部１１１、土壌収容部１１２、給水部１１３、排水部１１４、透水測定部１１５、および透水係数算出部１１６を備える。

第１測定部１０１では、土壌の透水係数を算出するための試験（透水試験）を実施する。この試験には、定水位透水試験および変水位透水試験がある。定水位透水試験は、比較的小さな一定の水頭差を与え、一様な断面積内に生じた水の流れに対し一定時間内での浸透水量から透水係数を算出する方法である。また、変水位透水試験は、透水性が低い土壌が試験対象となり、任意の時間ｔ１からｔ２の間に透水円筒部１１１内の水位が、ｈ１からｈ２まで低下する時間から透水係数を算出する方法である。

第１測定部１０１における透水試験はＪＩＳＡ１２１８：２００９に記載の土の透水試験方法に準拠して実施しても良い。なお、ＪＩＳの規格によると、定水位透水試験と変水位透水試験を使い分ける境界線は、土壌の透水係数がｋ＝１０－５、と記載されていることから、上述した数値に従い試験法を選択しても良い。

土壌収容部１１２は、透水試験を実施する対象の土壌を収容する。土壌収容部１１２は、土壌の最大粒子径に比べて十分に大きい内径および長さを有することが望ましい。ＪＩＳＡ１２１８：２００９に準拠し、土壌収容部１１２は、内径１０ｃｍおよび長さ１２ｃｍとすることができる。透水円筒部１１１は、内径および長さを、試料の最大粒径の１０倍以上とすることが好ましい。

土壌収容部１１２の上部および下部には、土壌に接する側から順番に金網、フィルターが設けられる。さらに、フィルターを保持するため、土壌収容部１１２は、多数の小孔からなる有孔板が設けられる。なお、これらの有孔板は、耐食性の材料で構成されることが好ましい。金網は、ＪＩＳＡ１２１８：２００９に準拠し目開き４２５μｍのものを使用することができる。なお、金網は、耐食性の材料で構成されることが好ましい。

土壌収容部１１２のフィルターは、ＪＩＳＡ１２１８：２００９に準拠し土壌の１０倍以上の透水係数をもつ粗砂または多孔板で構成され、これらの合計厚さは、土壌の長さの０．２倍以下とすることができる。

土壌収容部１１２において、土壌を締め固めて土壌サンプルを作製したい場合は、ＪＩＳＡ１２０１に記載の土質試験のための乱した土の試料調製方法に準拠することができる。土壌収容部１１２に試料となる土壌を金網の上に規定の厚さに入れ、層状に締め固める。なお、１層の厚さは、締め固め後の厚さが１５ｍｍ、または最大粒径の１．５倍のうちの大きい方とすることができる。

第１測定部１０１における試験（測定）の前に、土壌収容部１１２内の土壌に、前処理を施す必要がある。土壌において、土粒子間隙に気相が存在する状況で透水試験を実施すると、透水係数を小さく見積もってしまうと言われている。従って、土粒子間隙の気相を除去し、すべて液相で満たす、すなわち土壌を飽和させる処理を実施する。この、土壌の飽和処理を実施する方法として、例えば水浸脱気法、もしくは吸水脱気法が挙げられる。

水浸脱気法は、水を満たした水浸減圧容器に土壌収容部１１２を入れ、真空ポンプなどで容器内を徐々に減圧することで飽和する方法である。土壌収容部１１２から気泡が出なくなる、すなわち土壌中の気相が液相で満たされた後、土壌収容部１１２内の圧力を徐々に大気圧に戻すことで完了する。

吸水脱気法は、土壌収容部１１２を減圧吸水装置に接続し、真空ポンプなどによる土壌収容部１１２内の減圧と、給水瓶からの給水とを交互に実施し、アスピレーター瓶から気泡が出なくなるまで繰り返すことで完了する。

上述したいずれかの前処理による土壌の飽和処理の後、土壌収容部１１２に透水円筒部１１１を取り付け、土壌収容部１１２の下に土壌収容部１１２より大きい受け皿である越流水槽を設け、各種の透水試験を実施する。

まず、定水位透水試験では、給水部１１３から透水円筒部１１１に給水し、透水円筒部１１１にて一定の水位を保つ状態に調整し、この状態の水位と越流水槽との水位差ｈ（ｃｍ）を計測する。透水測定部１１５は、測定開始時間ｔ１と測定終了時間ｔ₂との差（ｔ₂―ｔ₁）と、この時間差にて排水部１１４に越流する水量Ｑ（ｃｍ³）を測定する。この測定結果に基づき、透水係数算出部１１６は、以下に示す式（１）を用いて透水係数ｋを算出する。

式（１）において、Ｌ（ｃｍ）は土壌収容部１１２の高さ、Ａ（ｃｍ²）は土壌収容部１１２の断面積である。なお、上述した測定は、３回以上実施し、これらの平均値として透水係数ｋを算出することが好ましい。

変水位透水試験では、給水部１１３から透水円筒部１１１に給水し、越流水槽と任意の水位ｈ₁およびｈ₂（ｈ₁＞ｈ₂）を設定し、透水測定部１１５はｈ₁からｈ₂まで水位が下がる時間差（ｔ₂―ｔ₁）を計測する。この測定結果に基づき、透水係数算出部１１６は以下に示す式（２）を用いて透水係数ｋを算出する。

式（２）において、Ｌ（ｃｍ）は土壌収容部１１２の高さ、ａ（ｃｍ²）は透水円筒部１１１の断面積、Ａ（ｃｍ²）は土壌収容部１１２の断面積である。なお、上述した測定は３回以上実施し、これらの平均値として透水係数ｋを算出することが好ましい。また、ｈ₁からｈ₂まで水位が下がる時間差（ｔ₂―ｔ₁）は、例えば、ストップウォッチを用いて測定することもできる。また、上記時間差の測定は、透水試験の様子をビデオ撮影した動画に基づいて人の目で測定することもできる。また、このビデオを撮影した動画を画像認識などの技術を用いて処理することで、上述した時間差の測定を実施することもできる。

透水係数算出部１１６で求めた透水係数ｋは、推定部１０３に送られる。上述では、第１測定部１０１における透水係数ｋの測定方法を説明したが、透水係数ｋを求めることのできる試験方法であれば、上述した方法に限るものではない。例えば、ダルシーの法則から得た偏微分方程式から土壌水分拡散係数を求め、水分特性曲線の勾配から透水係数に変換することもできる。土壌水分拡散係数の偏微分方程式は、拡散係数が土壌含水率によって変化し、簡単に解くことができないため注意する。土壌水分拡散係数を求める方法は、例えば、Ｂｒｕｃｅ＆Ｋｌｕｔｅ法やＧａｒｄｎｅｒ法などが挙げられる。

また、第１測定部１０１における透水試験の実施にあたって、土壌収容部１１２に収容した土壌の飽和処理を施すことが重要であるが、現状、土壌の飽和の状態を確認する手段がない。この土壌の飽和状態を確認するために、例えば、第１測定部１０１に用いる水として血液を用いることができる。血液に含まれる赤血球は、ヘモグロビンを有しており、ヘモグロビンは、ヘム鉄およびグロビンタンパクが４量体となって形成されている。ヘモグロビンは、４量体に含まれる４箇所のヘム鉄すべてに酸素が結合した状態を酸素ヘモグロビンと呼ぶ。一方、４箇所のヘム鉄に酸素がまったく結合していない状態は、還元ヘモグロビンと呼ぶ。ヘモグロビンは、これらの２状態のみ存在する。

給水部１１３から供給されて透水試験を経て排水部１１４に排出される血液の吸光度測定を実施し、吸光スペクトルから酸素ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの割合を算出することで、土壌の飽和状態を確認する。酸素ヘモグロビンは鮮紅色、還元ヘモグロビンは暗赤色を呈し、６６５ｎｍおよび９４０ｎｍの波長を有する光の吸光度が、両者で大きく異なる。従って、透水測定部１１５に波長が６６５ｎｍおよび９４０ｎｍのレーザーを内蔵し、内蔵されたレーザーを光源とした吸光度測定により、上述した割合が算出できる。

上述した割合を算出した後、酸素解離曲線を用い、算出した割合から酸素濃度を算出する。算出した酸素濃度が、０％あるいは飽和溶存酸素濃度（１気圧、２０℃で８．８４ｍｇ／Ｌ）以下であれば、土壌の飽和処理が完遂されたと判断することができる。なお、吸光度測定における光測定器は、排水部１１４に予め設置しておくと良い。また、血液を用いて透水試験を実施する場合、用いる血液によって血中脂肪濃度などが異なり、すなわち血液の粘性度が異なる可能性がある。このため、すべての試験で、同様の血液を使用することが好ましい。

透水試験で使用する血液は、酸素と結合する能力を有するものであれば人工血液でも構わない。生体から摂取した血液を使用する場合、ヘモグロビンを有する血液であれば動物種は問わない。ただし、動物種が異なると酸素解離曲線が人とは異なる挙動を示す可能性があるため、酸素ヘモグロビンと酸素濃度との関係に注意が必要である。

次に、第２測定部１０２について、図４を参照して説明する。第１測定部１０１において、透水試験が実施された土壌は、第２測定部１０２に送られる。第２測定部１０２は、土壌収納部１２１、給水部１２２、電極１２３、および電気化学測定部１２４を備える。

まず、第１測定部１０１から送られてきた土壌は、土壌収納部１２１に収納される。この後、給水部１２２が、土壌収納部１２１に収容された土壌に、十分な量の水を供給する。この給水量は、土壌が浸漬する以上の量であることが好ましい。

次いで、土壌収納部１２１に収納されている土壌に電極１２３を挿入し、電気化学測定部１２４で土壌抵抗を測定する。土壌抵抗を測定する方法として、例えば、土壌杖法、および四電極法がある。土壌杖法は、１本の棒電極から構成した電極１２３を用い、この棒電極を土壌に刺すのみで、土壌抵抗が測定可能な簡易な方法である。土壌抵抗は、電極棒との接地抵抗値として測定される。

四電極法では、四つの電極から構成した電極１２３を用い、四つの電極を等間隔に土壌へ差し込み、両端の電極間に交流電流を流す。この状態で、中間の２つの電極間に生じた電位差を測定し、電位差を通電した電流で割れば土壌抵抗が算出される。

なお、電気化学測定部１２４で採用する測定方法は、土壌抵抗を測定できる方法であれば、上述した方法限定されない。例えば、土壌のような多孔質体であれば、抵抗とコンデンサとの並列回路として等価回路を記述することが可能なため、交流インピーダンス法により測定された容量性半円の直径をフィッティングすることで得られた値を、土壌抵抗として用いることもできる（参考文献）。第２測定部１０２で測定された土壌抵抗は、推定部１０３に送られる。

推定部１０３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）と主記憶装置と外部記憶装置とネットワーク接続装置となどを備えたコンピュータ機器とし、主記憶装置に展開されたプログラムによりＣＰＵが動作する（プログラムを実行する）ことで、測定された透水係数および土壌抵抗を用いた腐食の推定を実現する。このプログラムは、腐食推定方法の第３ステップをコンピュータが実行するためのプログラムである。ネットワーク接続装置は、ネットワークに接続し、第３ステップで得られた推定の結果を、他地点に配置されている機器に送信可能としている。

推定部１０３は、測定された透水係数および土壌抵抗を用いて、土壌中金属材料の腐食挙動を推定する。腐食挙動は、土壌が濡れてから乾く過程における腐食速度の時間変化を指す。初めに、推定部１０３は、第１測定部１０１で測定された透水係数から、腐食推定に必要な情報を算出する。

図５は、透水係数と土壌含水率２０％到達時間の関係を表すグラフである。透水係数は水の流れやすさと直結する指標のため、土壌含水率の変化と相関が強い。また、土壌埋設された金属材料の腐食はカソード反応とした水と酸素が必要であることから、水および酸素がバランス良く共存する状況で腐食反応が急速に進行すると言える。

腐食挙動においては、まず土壌が濡れた状態では水溶液中の腐食と同様、ある一定の腐食速度を推移する。この後、土壌含水率の減少に伴い酸素が供給されると共に、ある土壌含水率で腐食速度が加速しある最大値を迎える。この土壌含水率の減少が進むにつれて、腐食の反応場である水が枯渇し、腐食速度は０となる経緯を辿ることが分かっている。

図５では、腐食速度の加速、すなわち経過時間と腐食速度の立ち上がり時間は、土壌含水率が２０％のときに起こると仮定し、透水係数から土壌含水率２０％到達時間を算出している。なお、図５に例示する関係は、予め求めておき、推定部１０３の外部記憶装置に記憶させておき、任意のタイミングで推定部１０３が利用する。なお、土壌含水率は、２０％に限る必要はない。ただし、土壌含水率は、土壌によって５０～６０％の値となるため、水と酸素がバランス良く共存するであろう２０～３０％の間で設定することが好ましい。

続いて、推定部１０３は、第２測定部１０２が測定した土壌抵抗から、初期腐食速度を算出する。初期腐食速度は、上述した腐食挙動の通り、土壌が水で浸漬した状態の腐食速度ある。初期腐食速度は、水溶液中で腐食電流がどれだけ流れやすいか、すなわち土壌抵抗がどれだけ低いかに依存して腐食速度は大きくなる。

図６は、土壌抵抗と初期腐食速度との関係を表すグラフである。この関係より、初期腐食速度を算出する。なお、土壌抵抗と初期腐食速度との関係は、予め求めておき、推定部１０３の外部記憶装置に記憶させておき、任意のタイミングで推定部１０３が利用する。

続いて、推定部１０３は、透水係数および土壌抵抗から、土壌の乾湿過程における腐食速度の最大値を求める。図７は、透水係数と最大腐食速度との関係を表すグラフである。透水係数は、土粒子径の情報を含み、土粒子径は、土壌埋設金属上の水膜厚さと強い関係を有する。一般的に、金属材料の表面に薄い水膜が形成されると、最大腐食速度は大きくなると言われている。さらに、土壌抵抗の値によって最大腐食速度も大きくなる。よって、透水係数および土壌抵抗から、最大腐食速度を算出する。

ただし、図７は透水係数と最大腐食速度の関係のみを記しているが、土壌抵抗の値に応じて図７の値がＸ倍されることとする。例えば、土壌抵抗に基づく土壌の腐食性を加味し、土壌抵抗が０～１０００Ωで２倍、１０００～３０００Ωで１．５倍、３０００～５０００Ωで１倍、５０００～１００００Ωで０．５倍、１００００Ω以上で０．１倍、とすることができる。

なお、上述した透水係数と最大腐食速度の関係は予め求めておき、推定部１０３の外部記憶装置に記憶させておき、任意のタイミングで推定部１０３が利用する。

腐食推定に必要なパラメータを算出した後、推定部１０３は、埋設されている金属材料の腐食挙動を推定する。図８は、上述した図５，図６，図７を用いて説明した結果から推定された腐食挙動を表すグラフである。

まず、土壌が濡れた状態の初期腐食速度は、図６で求めた結果である。時間が経過するにつれ土壌が乾燥し、例えば土壌含水率が２０％の時点で図５の結果に基づき、腐食速度は急激に上昇する。急激に腐食速度が上昇してから最大腐食速度を迎える時間は、例えば腐食速度が上昇し始めてから土壌含水率が２％減少した点とし、直線あるいは曲線で結んでも良いし、一律に上昇の傾きを設定しても良い。

最大腐食速度は、図７で求めた結果である。最大腐食速度を迎えた後、腐食速度は減少する。減少の挙動は、例えば土壌含水率が１０％の時点でほぼ腐食速度は０に近い値を示すことから、土壌含水率１０％となるまで大きい負の傾きで減少する。また、土壌含水率が１０％から０％となるまで小さい負の傾きで減少させることもできる。また、最大腐食速度を維持する時間は、金属表面上の水と酸素のバランスがどれだけ維持されるかに依存することから、最大腐食速度を迎えてから２％土壌含水率が低下するまで、最大腐食速度が維持されるとすることもできる。また、上述した土壌含水率２％についても、これに限定されない。

以上に説明したことにより、推定部１０３の腐食推定は完了する。なお、腐食挙動から腐食量を推定したい場合は、例えば、土壌が存在した地点から最も近い箇所の降雨記録を気象庁から入手し、降雨の時点を土壌の濡れ状態とし次の降雨までの間隔で土壌が乾燥するとし、図８の腐食挙動を時間積分に換算し、腐食量を推定することもできる。本発明における腐食推定結果の利用方法は、上述したことに限定されず、使用者が任意に決定することができる。

なお、第１測定部１０１、第２測定部１０２、および推定部１０３の各動作は、操作者の操作により制御することができる。また、コンピュータなどにより構成される制御装置を用いて、各動作の制御を実施することもできる。例えば、制御装置の制御により、第１測定部１０１における透水試験前に実施する前に、設定された飽和処理方法により、設定された時間で飽和処理を実施する。

また、制御装置の制御により、第１測定部１０１が実施する透水試験の方法を設定することもできる。例えば、比較的透水係数の大きい土壌に対しては定水位透水試験、透水係数の小さい土壌に対しては変水位透水試験の適用を設定することができる。これらの判断は、例えば、透水係数は土の粒子径と相関があるため、予め第１測定部１０１に粒子径測定機構を備え付け、平均粒子径もしくは粒子径分布の結果に基づき、制御部は、定水位透水試験もしくは変水位透水試験のどちらを適用するかを決定することができる。なお、試験法の適用を判断する粒子径の境界値は、設定部に予め設定しておく。

第１測定部１０１にて透水試験を実施した土壌は、第２測定部１０２に移行され、土壌抵抗が測定されるが、この測定前処理として、土壌を水に浸漬することが重要である。制御部は、給水部１２２を制御して、所定の量の水を土壌収納部１２１に供給する。また、電気化学測定部１２４における測定結果の信頼性を確保するため、制御部は電気化学測定部１２４で得た土壌抵抗値のバラつきから、土壌抵抗の測定回数を決定およびすることもできる。このように決定された測定回数で測定した場合、推定部１０３に送られる土壌抵抗値は、任意の回数測定した土壌抵抗の平均値となる。

また、制御部は、推定部１０３において腐食速度と経過時間の関係を得る際、腐食速度が急速に立ち上がる時間を設定することができる。腐食速度の立ち上がり時間は、土壌含水率が任意の値（２０～３０％）に到達したときに起こるため、制御部は、土壌含水率の値を決定して設定する。この判断の基準としては、例えば、第１測定部１０１で測定した土の粒子径の結果に基づいて決定することができる。

粒子径が小さい土壌の場合、腐食させる金属材料の近傍に形成された細かい間隙中に強い毛細管力で水が捕捉されていると考えられ、センサーから出力された土壌含水率が小さくとも、薄い水膜に基づく急速な腐食現象が生じる。一方で、粒子径が大きい土壌の場合、金属材料の近傍に形成された大きい間隙には、長時間、水が留まることはなく、センサーから出力された土壌含水率の通りの腐食能を発揮すると考えられる。従って、制御部は、粒子径の小さい土壌には土壌含水率が２０％に到達したとき、粒子径の大きい土壌には土壌含水率３０％に到達したとき、それぞれ腐食速度の急速な上昇がみられると判断し、土壌含水率の値を決定して設定する。なお、これら関係は予め求めておき、推定部１０３の外部記憶装置に記憶させておき、任意のタイミングで推定部１０３が利用する。

以下、より詳細な腐食推定方法について、図９のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ２０１で、腐食推定装置に土壌を導入し、第１測定部１０１における土壌収容部１１２に土壌を収容する。次に、ステップＳ２０２で、土壌収容部１１２に収容した土壌に対して、土壌の飽和処理を実施する。次に、ステップＳ２０３で、飽和処理を実施した土壌に対して、給水部１１３から透水円筒部１１１に供給された水に対して、透水測定部１１５により、所定の透水試験法で、ある高さからある高さまで透水する時間を測定する。

次に、ステップＳ２０４で、測定された透水時間に基づき、透水係数算出部１１６が、所定の計算式を用いて透水係数を算出する。次に、ステップＳ２０５で、透水時間が測定された土壌を、第２測定部１０２における土壌収納部１２１に格納し、この土壌に電極１２３を挿入する。次に、ステップＳ２０６で、電気化学測定部１２４が、対象の土壌抵抗を測定する。

次に、ステップＳ２０７で、推定部１０３が、ステップＳ２０４で算出した透水係数、およびステップＳ２０６で測定した土壌抵抗を用い、透水係数に基づき土壌含水率Ｘ％（例えば２０％）到達時間を算出する。次に、ステップＳ２０８で、推定部１０３は、土壌抵抗に基づき初期腐食速度を算出する。次に、ステップＳ２０９で、推定部１０３は、透水係数および土壌抵抗に基づき、最大腐食速度を算出する。最後に、ステップＳ２１０で、推定部１０３は、算出した結果から、地中埋設された金属材料の腐食（腐食曲線）を推定する。

以上に説明したように、本発明によれば、透水係数および土壌抵抗から腐食を推定するので、地中埋設された金属材料の腐食が、容易に推定できるようになる。本発明では、固相および液相の情報として短時間で実施可能な透水試験から透水係数を、電気化学的測定として腐食電流の流れやすさの指標として土壌抵抗を測定し、これら２つの測定結果から地中埋設された金属材料の腐食を推定する。本発明によれば、少ない試験数かつ短時間で土壌腐食が推定できるので、腐食推定を低コストかつ簡便に実施することが可能となり、地中埋設された金属製構造物のコンディションベースメンテナンスが実現され、高効率化に伴う経済性および安全性の担保が実現される。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

［参考文献］M. Barbalat et al., "Electrochemical study of the corrosion rate of carbon steel in soil: Evolution with time and determination of residual corrosion rates under cathodic protection", Corrosion Science, vol. 55, pp. 246-253, 2012.

１０１…第１測定部、１０２…第２測定部、１０３…推定部。

Claims

土壌の透水係数を測定する第１ステップと、
前記土壌の土壌抵抗を測定する第２ステップと、
前記透水係数および前記土壌抵抗から腐食を推定する第３ステップと
を備え、
前記第３ステップは、前記透水係数および前記土壌抵抗から、湿潤した前記土壌の土壌含水率が０％に至るまでの、初期腐食速度と腐食速度上昇時間と最大腐食速度を含む腐食速度の時間変化を推定する腐食推定方法。
土壌の透水係数を測定する第１測定部と、
前記土壌の土壌抵抗を測定する第２測定部と、
前記透水係数および前記土壌抵抗から腐食を推定する推定部と
を備え、
前記推定部は、前記透水係数および前記土壌抵抗から、湿潤した前記土壌の土壌含水率が０％に至るまでの、初期腐食速度と腐食速度上昇時間と最大腐食速度を含む腐食速度の時間変化を推定する腐食推定装置。