WO2023073751A1 - 腐食推定方法および装置 - Google Patents

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真悟 峯田
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    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids

Definitions

  • the present invention relates to a corrosion estimation method and apparatus for estimating corrosion of structures buried in the ground.
  • condition-based maintenance In recent years, research and development of technology that realizes condition-based maintenance by predicting and estimating the deterioration state of equipment has been actively carried out in order to achieve both safety and efficiency of equipment that is difficult to visually inspect. If condition-based maintenance can be realized, it is expected that safety will be ensured by updating equipment that is rapidly deteriorating without overlooking it, and cost efficiency will be improved by using equipment that is slowly deteriorating for a longer period of time.
  • Underground equipment is a typical example of equipment that is difficult to visually inspect.
  • soil corrosion which is the main cause of deterioration of metal materials buried underground, it is necessary to extract dominant environmental factors and grasp their influence.
  • Soil corrosion is known to proceed based on oxidation-reduction reactions between water and oxygen, similar to aqueous solution corrosion.
  • soil is a special environment in which the three phases of solid, gas, and liquid coexist, and there are multiple environmental factors related to the progression of soil corrosion, making soil corrosion particularly complicated. is said to be a system (Non-Patent Document 1).
  • Non-Patent Document 1 Non-Patent Document 1
  • the present invention was made to solve the above problems, and aims to facilitate estimation of corrosion of metal materials buried underground.
  • the corrosion estimation method includes a particle size measurement step of measuring the particle size of soil, a color measurement step of measuring a color measurement value related to the color of the soil, and a soil embedded in the soil from the particle size and the color measurement value. and an estimation step of estimating corrosion of the steel.
  • the corrosion estimating apparatus includes a particle size measuring device for measuring the particle size of soil, a color measuring device for measuring a color measurement value related to the color of the soil, and a soil buried in the soil from the particle size and the color measurement value. and an estimating circuit for estimating the corrosion of the steel material.
  • the corrosion of steel materials buried in soil is estimated from the measured particle size and color measurement value, so the corrosion of metal materials buried underground can be easily estimated. .
  • FIG. 1 is a flow chart explaining a corrosion estimation method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the corrosion estimation device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a configuration diagram showing a partial configuration of the corrosion estimation device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a configuration diagram showing a partial configuration of the corrosion estimation device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing temporal changes in the corrosion rate estimated from the grain size of soil.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the CIELAB L * value and the corrosion rate magnification.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the CIELAB a * value and the corrosion rate magnification.
  • FIG. 1 is a flow chart explaining a corrosion estimation method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the corrosion estimation device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a configuration
  • FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the CIELAB b * value and the corrosion rate magnification.
  • FIG. 9 is a characteristic diagram showing temporal changes in the corrosion rate estimated from the grain size and color of soil.
  • FIG. 10 is a flow chart explaining in more detail the corrosion estimation method according to the embodiment of the present invention.
  • step S101 the particle size of soil is measured (particle size measurement step).
  • JIS A 1204:2009 Metal for testing particle size of soil
  • a method based on JIS Z 8825:2013 “particle size analysis-laser diffraction/scattering method” can be used.
  • a color measurement value relating to the color of the soil is measured (color measurement step).
  • color values can be measured as color measurements.
  • a standard soil color chart in which the standard soil colors are arranged according to the Munsell systematic classification system can be used.
  • a spectrophotometer can be used to measure the color measurement value.
  • step S103 the corrosion of the steel material buried in the soil is estimated from the measured particle size and color measurement value (estimation step).
  • the corrosion rate is obtained from the measured particle size
  • the corrosion rate magnification is obtained from the measured color measurement value
  • the corrosion rate is multiplied by the corrosion rate magnification to obtain the corrected corrosion rate
  • the corrected corrosion rate is obtained.
  • This corrosion estimating device comprises a particle size measuring device 101 that measures the particle size of soil, a color measuring device 102 that measures a color measurement value related to the color of the soil, and from the measured particle size and the measured color measurement value, and an estimation circuit 103 for estimating corrosion of the steel material buried in the soil.
  • the color measurer 102 measures color values, for example, as color measurements.
  • the estimation circuit 103 obtains the corrosion rate from the particle diameter, obtains the corrosion rate multiplier from the color measurement value, obtains the corrected corrosion rate by multiplying the corrosion rate by the corrosion rate multiplier, and estimates the corrosion of the steel material from the obtained corrected corrosion rate.
  • the estimation circuit 103 is computer equipment including a CPU (Central Processing Unit), a memory, and the like.
  • the function (estimation step) described above is realized by the CPU operating (executing the program) by the program developed in the memory.
  • the estimation circuit 103 can be configured by a programmable logic device (PLD: Programmable Logic Device) such as an FPGA (field-programmable gate array).
  • PLD Programmable Logic Device
  • FPGA field-programmable gate array
  • soil corrosion is a complex system, so the key to estimating soil corrosion is how to extract and analyze the controlling factors related to corrosion from the solid phase that is unique to the soil environment. is the key.
  • soil particle size is the most effective environmental factor for estimating information on the liquid phase and gas phase that governs the presence or absence of corrosion for soil corrosion.
  • soil color The most important factor in estimating the chemical components in soil is the color of the soil (soil color).
  • soil color For example, "soil groups" classified according to the agricultural land soil classification standard are classified by soil color based on soil chemical components that are important for implementing agriculture. For example, black soil, as the name suggests, is black in color and contains organic acids derived from humus. Brown soil, yellow soil, and red soil are classified according to the ratio of iron oxide in the soil, and gley soil, which gives a blue color, is also derived from reduced iron. From these facts, it is possible to estimate the acceleration of corrosion from the chemical components in the soil based on the color of the soil.
  • the particle size measuring device 101 includes a first container 111 , a dryer 112 , a stirrer 113 , a particle size measuring section 114 and a particle size calculating circuit 115 .
  • the particle size measuring instrument 101 performs a test for measuring the particle size of soil.
  • the soil in which the steel material whose corrosion amount is to be estimated is buried is stored in the first container 111.
  • the amount of soil to be stored in the first container 111 varies depending on the particle size measurement method described below, but the maximum amount can be about 500 mL.
  • the shape of the first container 111 is not limited as long as it is large enough to contain the amount of soil required for measurement.
  • a user can arbitrarily determine the material that constitutes the first container 111 .
  • the first container 111 is made of a metal material
  • the first container 111 contains wet soil
  • corrosion reactions with the wet soil occur depending on the metal, degrading the container, and furthermore, corrosion products are mixed into the wet soil. and may affect the soil color measurement described later. Therefore, it is preferable to avoid metallic materials when selecting materials for the first container 111 .
  • the first container 111 can be made of heat-resistant polymer resin, glass, or the like.
  • soil particle clumps may be formed due to the capillary phenomenon of water trapped in the particle gaps.
  • particle size measurement is performed in the presence of soil particle masses, a large proportion of particles larger than the original particle size are detected, making it difficult to obtain the true particle size. In order to prevent this, it is important to remove the water in the interstices between the particles, which is the cause of the lumps of soil particles.
  • the dryer 112 dries the contained soil by, for example, applying heat to raise the temperature of the first container 111 . Also, the dryer 112 can reduce the pressure in the first container 111 to perform vacuum drying. Here, when heat is applied, a material that can withstand the temperature set by the user for the first container 111 must be selected.
  • the temperature rise in the first storage container 111 it is preferable to limit the temperature rise in the first storage container 111 to an upper limit of 50°C.
  • the first container 111 is made of a material that can withstand the reduced pressure.
  • the first container 111 is preferably made of glass.
  • the drying operation in the dryer 112 ends when the moisture content of the soil contained in the first container 111 reaches 0%. For example, by installing a soil moisture content sensor in the first container 111, the soil moisture content of the first container 111 can be detected.
  • the dryer 112 is not limited to the drying method described above, as long as it is a mechanism that realizes a method capable of reducing the moisture content of the soil in the first container 111 to 0%.
  • the agitator 113 agitates the soil in the first container 111 whose soil moisture content has become 0% due to drying by the dryer 112 in order to break up the soil particle clumps.
  • the stirrer 113 is not limited as long as it is a mechanism capable of dissolving all the soil particle clumps.
  • it can be composed of a mechanism for circularly stirring two rod-shaped stirrers.
  • a mechanism similar to an automatic stirrer employed in food factories or the like can be employed.
  • the particle size measurement unit 114 measures the particle size of the soil in the first container 111 that has been pretreated by the dryer 112 and the stirrer 113 .
  • JIS A 1204:2009 “Method for testing particle size of soil” can be used.
  • the particle size can be measured according to JIS Z 8825:2013 "Particle Size Analysis - Laser Diffraction/Scattering Method".
  • the particle size is calculated using the soil particle sedimentation method using hydrohail. It is possible to calculate the particle size distribution by combining the results of the sieve method for soil particles of 75 ⁇ m or more and the sedimentation method for soil particles of less than 75 ⁇ m. Note that about 500 mL of soil to be accommodated in the first container 111 is required to carry out the soil particle size test method.
  • Particle size analysis-laser diffraction/scattering method which is another measurement technology that can measure particle size, irradiates soil particles with laser light, and diffracted/scattered light with different intensities depending on the size of the particles is generated.
  • the particle size distribution is calculated by analyzing the light intensity distribution pattern formed from the diffracted/scattered light.
  • the amount of soil contained in the first container 111 can be about 50 mL.
  • the soil used for the measurement by the particle size measuring unit 114 can be discarded as it is, or can be reused in the color measuring device 102 . When discarding, it is necessary to additionally prepare soil in an amount that enables measurement by the color measuring device 102 . Further, when reused by the color measuring device 102, it is not necessary to prepare an additional amount of soil. The work and the removal of the soil mass with the agitator 113 must be carried out again.
  • the particle size measurement result measured by the particle size measurement unit 114 is sent to the particle size calculation circuit 115, and the particle size distribution is derived based on the measurement result.
  • the particle size distribution obtained by the particle size calculation circuit 115 is, for example, a graph in which the horizontal axis indicates the particle size and the vertical axis indicates the frequency % of each particle size and the cumulative frequency %.
  • a color measuring instrument 102 performs a test for measuring the color of the soil.
  • soil is transferred from the first container 111 of the particle size measuring device 101 to the second container 121 .
  • the shape and material of the second storage container 121 are not particularly limited as long as the soil color can be measured. However, it is essential that the soil color can be determined from the outside of the first container 111 regardless of which of the method of using a measuring instrument or the visual confirmation by the measurer is selected as the soil color measuring means. Therefore, it is preferable that the container has a shape in which the upper portion is largely open, such as a petri dish, or that the entire surface of the container is made of a transparent material.
  • the soil color measurement unit 122 measures the color of the soil in the second container 121, and the soil color determination circuit 123 determines the measured soil color.
  • the soil color measurement in the earth color measurement unit 122 for example, a standard earth color chart in which the standard earth colors are arranged according to the Munsell system classification method can be used. Further, a spectrophotometer can be used for earth color measurement in the earth color measurement unit 122 .
  • the person who performs the measurement is always the same person in order to reduce the measurement error as much as possible when measuring the soil color for multiple soils. is preferred.
  • the measurer who uses the standard soil color chart to measure the soil color completes the measurement by recording the color values of hue, lightness, and saturation described in the standard soil color chart.
  • a spectrophotometer is a type of photometer, and can obtain information about a color by measuring the wavelength intensity of each color.
  • the second container 121 When a spectrophotometer is used as the soil color measurement unit 122, the second container 121 must be a transparent spectroscopic cell that enables measurement.
  • the color information measured and stored is sent to the earth color determination circuit 123 and converted into some color value.
  • color values for example, the CIE 1976 (L * a * b * ) color space (CIELAB) developed by the International Commission on Illumination (CIE) can be used.
  • CIELAB describes color values as three coordinates: L * representing the lightness of the color, a * representing the location of red and green, and b * representing the location of yellow and blue.
  • the values of L * , a * , and b * can be calculated by the earth color determination circuit 123 and used as earth color measurement results.
  • the estimation circuit 103 estimates the corrosion amount of the steel buried in the measured soil based on the results obtained by the particle size measuring device 101 and the color measuring device 102 .
  • the particle size measurement result (particle size distribution) obtained by the particle size calculation circuit 115 and the soil color measurement result (earth color determination result) obtained by the soil color determination circuit 123 are sent to the memory of the estimation circuit 103 .
  • the estimation circuit 103 calculates and outputs a corrosion amount estimation result using each measurement result stored in the memory. From the particle size measurement result (particle size distribution) obtained by the particle size calculation circuit 115 in the particle size measuring device 101, information on the corrosion rate due to soil corrosion is obtained.
  • the progress of the corrosion reaction is determined by the wetted area of the metal surface embedded in the soil and the oxygen partial pressure.
  • the wetted area depends on the capillary force of water trapped in the interparticle spaces, which can be determined from the interparticle diameter, ie the particle size distribution.
  • the oxygen partial pressure is the same, after the interstices between particles are filled with water such as rainwater, the water penetrates deep underground as gravity water and diffuses, and oxygen diffuses from the surface layer to the metal surface. supplied.
  • the supplied oxygen dissolves in water and can reach the metal surface as dissolved oxygen.
  • the diffusion rate of dissolved oxygen is 10 4 times slower than that of gaseous oxygen, it diffuses through the soil as a gas. The longer the distance, the easier it is to supply the oxygen necessary for the corrosion reaction. That is, in order to lengthen the distance in which gaseous oxygen can diffuse, the water in the soil is interlocked with the permeation diffusion speed, and the water permeation diffusion speed is also determined by the particle size distribution.
  • FIG. 5 shows the time change of the corrosion rate estimated from the results of measuring the grain size in soil under various conditions.
  • the corrosion rate of steel buried underground exhibits a time-varying behavior as shown in Fig. 5, and the timing at which the corrosion rate increases and the value of the maximum corrosion rate change depending on the particle size distribution. Therefore, the relationship between the particle size distribution and the behavior of the corrosion rate changing over time is investigated in advance, the results are stored in the memory of the estimation circuit 103, and compared with the results obtained by the particle size measuring instrument 101, the corrosion rate can be easily obtained (taken out).
  • the corrosion rate can be quantitatively measured using an electrochemical measurement method.
  • the measurement by the electrochemical measurement method is repeated until the wet soil dries, and the graph of FIG. 5 can be obtained in advance according to each particle size distribution. Also, if it is desired to save the trouble of acquiring the time-varying behavior of the corrosion rate, only the maximum corrosion rate can be stored in the memory of the estimation circuit 103 .
  • FIG. 6 is an example of a graph showing the relationship between the CIELAB L * value and the corrosion rate magnification.
  • the corrosion rate multiplier is determined by the value of L * , and the corrosion rate value in FIG. 5 is multiplied by the corrosion rate multiplier to obtain the true corrosion rate in each soil. be able to.
  • L * and corrosion rate magnification a graph can be set in which the magnification is set higher as L * is closer to 0, and the relationship between L * and corrosion rate magnification should be investigated in advance. can be done.
  • FIG. 7 is an example of a graph showing the relationship between the CIELAB a * value and the corrosion rate magnification.
  • the a * value indicates the position of red and green, with a negative a * value indicating green color and a positive a * value indicating red color.
  • a lot of iron oxide is contained in the soil showing red color. If there is a lot of iron oxide in the environment as a corrosion product, the corrosion reaction will be slowed down from the viewpoint of chemical equilibrium theory, and the corrosion rate multiplier will be low. Therefore, it is possible to set FIG. 7 so that the corrosion rate magnification is low when the a * value takes a positive value, and the relationship between the a * value and the corrosion rate magnification can be investigated in advance. .
  • FIG. 8 is an example of a graph showing the relationship between the CIELAB b * value and the corrosion rate magnification.
  • the b * value indicates the position of yellow and blue.
  • a negative b * value indicates blue color, and a positive b * value indicates yellow color.
  • Blue soil contains a large amount of reduced iron and is rich in electron acceptors necessary for the progress of the corrosion reaction, so it has the characteristic of significantly increasing the corrosion rate. Therefore, it is possible to set FIG. 8 so that the corrosion rate multiplying factor increases when the b * value takes a negative value, and the relationship between the b * value and the corrosion rate multiplying factor can be investigated in advance. .
  • the estimating circuit 103 multiplies the change in corrosion rate over time or the maximum corrosion rate obtained from the results obtained from the grain size measuring device 101 by the corrosion rate magnification obtained from the results obtained from the color measuring device 102 to obtain a corrected corrosion rate. Calculate This calculation completes the acquisition of all information about the corrosion rate. Subsequently, the estimation circuit 103 performs estimation calculation of the corrosion amount from the information of the corrosion rate.
  • the change in corrosion rate over time is extracted from the results obtained by the particle size measuring device 101, it indicates the change in corrosion rate over time from one rain to the next, so the extracted time change is integrated. By doing so, it is possible to calculate the amount of corrosion that progresses in one rain. Therefore, the rainfall information of the area where the used soil was buried is obtained, and the amount of corrosion that progresses in one rain is added for the number of rains to obtain the amount of corrosion R that progresses in one year.
  • D is the amount of corrosion [mm]
  • T is the age of the buried metal material [year]
  • n is the corrosion evaluation value of the material.
  • the value of n is empirically said to be 0.4 to 0.6, an intermediate value of 0.5 can be adopted. It is possible to estimate the amount of corrosion of the buried metal material by introducing an aging value that describes how many years have passed since the buried metal material whose corrosion amount is to be estimated is inserted into T in the formula (1). be.
  • FIG. 9 is an example of a graph showing the amount of corrosion and the elapsed years estimated from the results of FIGS. It is an example of a graph representing.
  • step S ⁇ b>201 soil is introduced into the corrosion estimating device and stored in the first container 111 of the particle size measuring device 101 .
  • step S202 the dryer 112 is operated for the soil accommodated in the first container 111 to dry the soil.
  • step S203 the agitator 113 is operated to agitate the dried soil to remove soil clogs.
  • step S204 the particle diameter measurement unit 114 is operated to measure the particle diameter.
  • step S205 the particle size distribution is determined by the particle size calculation circuit 115 based on the measured particle size.
  • step S ⁇ b>206 the color of the soil in the second container 121 is measured by the soil color measurement unit 122 .
  • step S207 the soil color determination circuit 123 determines the color of the measured soil.
  • step S208 the estimation circuit 103 calculates the corrosion rate of the steel buried in the measured soil based on the results obtained by the particle size measuring device 101.
  • step S ⁇ b>209 the estimation circuit 103 calculates the corrosion rate magnification from the result obtained by the color measuring device 102 .
  • step S210 the estimation circuit 103 multiplies the corrosion rate value by the corrosion rate multiplier to obtain the corrosion rate (corrected corrosion rate).
  • step S211 the estimation circuit 103 estimates the corrosion (corrosion curve) of the metal material buried underground from the obtained corrosion rate.
  • the corrosion of steel materials buried in the soil is estimated from the measured particle size and color measurement value, so the corrosion of metal materials buried underground can be easily estimated. become able to.
  • the present invention in soil corrosion, which is a complex corrosion system, it is possible to estimate soil corrosion at low cost and simply by estimating soil corrosion from only solid phase information in a small number of tests and in a short time. , the condition-based maintenance of metal structures buried underground becomes possible, and economic efficiency and safety are ensured due to high efficiency.

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Abstract

ステップＳ１０１で、土壌の粒子径を測定し（粒径測定ステップ）、ステップＳ１０２で、土壌の色に関する色測定値を測定し（色測定ステップ）、ステップＳ１０３で、測定された粒子径および色測定値から、土壌に埋設される鋼材の腐食を推定する（推定ステップ）。色測定値の測定では、色測定値として色値を測定する。腐食の推定では、測定された粒子径から腐食速度を求め、測定された色測定値から腐食速度倍率を求め、腐食速度に腐食速度倍率を乗じて補正腐食速度を求め、求めた補正腐食速度により鋼材の腐食を推定する。

Description

腐食推定方法および装置
　本発明は、土中に埋設されている構造体の腐食を推定する腐食推定方法および装置に関する。
　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、設備の設置場所によっては目視点検が困難であり、さらに、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。
　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が実現できれば、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。
Y. Wan et al., "Corrosion Behaviors of Q235 Steel in Indoor Soil", International Journal of Electrochemical Science, vol. 8, pp. 12531-12542, 2013.
　目視点検が困難な設備の代表として、地中設備が挙げられる。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。土壌腐食は、水溶液腐食と同様に、水と酸素による酸化還元反応に基づき進行することが知られている。しかしながら、水溶液腐食とは異なり、土壌は、固相・気相・液相の三相が共存する特殊環境であり、土壌腐食の進展に関連する環境因子は複数存在するため、土壌腐食は特に複雑な系であると言われている（非特許文献１）。このように、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、土壌の粒子径を測定する粒径測定ステップと、土壌の色に関する色測定値を測定する色測定ステップと、粒子径および色測定値から、土壌に埋設される鋼材の腐食を推定する推定ステップとを備える。
　また、本発明に係る腐食推定装置は、土壌の粒子径を測定する粒径測定器と、土壌の色に関する色測定値を測定する色測定器と、粒子径および色測定値から、土壌に埋設される鋼材の腐食を推定する推定回路とを備える。
　以上説明したように、本発明によれば、測定した粒子径および色測定値から、土壌に埋設される鋼材の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、土壌の粒径から推定した腐食速度の時間変化を示す特性図である。 図６は、ＣＩＥＬＡＢのＬ*値と腐食速度倍率の関係を示す特性図である。 図７は、ＣＩＥＬＡＢのａ*値と腐食速度倍率の関係を示す特性図である。 図８は、ＣＩＥＬＡＢのｂ*値と腐食速度倍率の関係を示す特性図である。 図９は、土壌の粒径と色とから推定した腐食速度の時間変化を示す特性図である。 図１０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、土壌の粒子径を測定する（粒径測定ステップ）。粒子径を測定は、例えば、ＪＩＳ Ａ １２０４：２００９「土の粒度試験方法」を用いることができる。また、ＪＩＳ Ｚ ８８２５：２０１３「粒子径解析―レーザー回折・散乱法」に準拠した方法を用いることができる。
　次に、ステップＳ１０２で、土壌の色に関する色測定値を測定する（色測定ステップ）。色測定値の測定では、色測定値として色値を測定することができる。色測定値の測定では、例えば、標準土色をマンセル系統分類方式で土色を配列した標準土色帖を用いることができる。また、色測定値の測定は、分光測色計を用いることができる。
　次に、ステップＳ１０３で、測定された粒子径および色測定値から、土壌に埋設される鋼材の腐食を推定する（推定ステップ）。腐食の推定では、測定された粒子径から腐食速度を求め、測定された色測定値から腐食速度倍率を求め、腐食速度に腐食速度倍率を乗じて補正腐食速度を求め、求めた補正腐食速度により鋼材の腐食を推定する。
　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、土壌の粒子径を測定する粒径測定器１０１と、土壌の色に関する色測定値を測定する色測定器１０２と、測定された粒子径および測定された色測定値から、土壌に埋設される鋼材の腐食を推定する推定回路１０３とを備える。色測定器１０２は、例えば、色測定値として色値を測定する。
　推定回路１０３は、粒子径から腐食速度を求め、色測定値から腐食速度倍率を求め、腐食速度に腐食速度倍率を乗じて補正腐食速度を求め、求めた補正腐食速度により鋼材の腐食を推定する。推定回路１０３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）、メモリなどを備えたコンピュータ機器である。メモリ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、上述した機能（推定ステップ）が実現される。また、推定回路１０３は、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ：Programmable Logic Device）により構成することも可能である。推定ステップの動作を実現するためのプログラムは、所定の書き込み装置を接続してＦＰＧＡに書き込むことができる。
　前述したように、土壌腐食は複雑な系であるため、土壌環境に特有である固相から腐食に関連する支配因子を、如何にして抽出して分析するかが、土壌腐食を推定するための鍵である。
　重要な固相の情報の一つとして、まず土壌粒子径が挙げられる。土壌は、粒子径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、土壌表層からの酸素の供給し易さや、毛細管現象によって捕捉された水による金属表面の濡れ面積に大きく影響する。土壌粒子径は、土壌腐食にとって腐食発生の有無を支配する液相と気相の情報を推測するために最も有効な環境因子である。
　上述したように、土壌の粒子径により土壌腐食発生の有無に関わる情報を得ることができるが、土壌の粒子径のみでは、土壌腐食を推定するには不十分である。設備が設置されている場所の温度や湿度などの気候条件が同様であったとしても、例えば、沿岸部や温泉地では、一般的に腐食進行速度が速いと言われている。従って、腐食発生条件を満たしたうえで、腐食進行を加速する環境中の化学成分の有無を考慮する必要がある。
　土壌中の化学成分を推定するうえで最も重要となるのは、土壌の色（土色）である。例えば、農耕地土壌分類基準で分類される「土壌群」は、農業を実施するうえで重要となる土壌の化学成分に基づき土の色で分類している。例えば、黒ボク土は名の通り黒色であり、腐植に由来する有機酸を含む。また、褐色土、黄色土、赤土は、土壌中の酸化鉄の割合で分類されており、青色を呈するグライ土も還元鉄に由来している。これらのことより、土の色に基づいて、土壌中の化学成分から腐食の加速度を推定することが可能である。
　土壌に埋設された金属材料の表面近傍の固相および液相の情報から腐食発生有無を推定する因子として土壌の粒子径を測定し、腐食発生条件下で腐食を加速する化学成分を推定する因子として土の色を測定し、これらの測定された２の因子から、地中埋設された金属材料の腐食量を推定することが可能となる。
　次に、腐食推定装置について、より詳細に説明する。まず、粒径測定器１０１について、図３を参照して説明する。粒径測定器１０１は、第１収容容器１１１、乾燥機１１２、撹拌機１１３、粒子径計測部１１４、および粒子径算出回路１１５を備える。粒径測定器１０１では、土壌の粒子径を測定する試験を実施する。
　粒径測定器１０１においては、まず、腐食量を推定したい鋼材が埋設されている土壌を第１収容容器１１１に収容する。第１収容容器１１１に収容すべき土壌の量は、後述する粒子径測定方法によって異なるが、最大量５００ｍＬ程度とすることができる。第１収容容器１１１は、測定に必要な量の土壌を収容可能な大きさであれば形状は限定されない。
　第１収容容器１１１を構成する材質は使用者が任意に決定することができる。しかしながら、第１収容容器１１１が金属材料から構成されている場合、湿潤土壌を収容すると、金属によっては湿潤土壌と腐食反応が発生して容器が劣化し、さらに、腐食生成物が湿潤土壌に混入し、後述の土色測定に影響する可能性がある。従って、第１収容容器１１１を構成する材料選定においては、金属材料は避けることが好ましい。
　また、第１収容容器１１１内の土壌の乾燥機１１２による乾燥を、加熱により実施する場合、熱に弱い材料は避けた方が好ましい。例えば、第１収容容器１１１は、耐熱性高分子樹脂、ガラスなどから構成することが可能である。
　第１収容容器１１１に格納した土壌が湿潤状態であった場合、粒子間隙中に補足された水の毛細管現象によって土粒子塊が形成されていることがある。土粒子塊の存在下で粒子径測定を実施すると、本来の粒子径と比べて大きい粒子の割合が多く検出され、真の粒子径を得ることが困難となる。これを防ぐため、土粒子塊の原因である粒子間隙中の水を除去が重要であり、乾燥機１１２より第１収容容器１１１内の土壌の乾燥を実施する。
　乾燥機１１２は、例えば、熱を加えて第１収容容器１１１の温度を上昇させることで、収容している土壌を乾燥させる。また、乾燥機１１２は、第１収容容器１１１内を減圧し真空乾燥さることができる。ここで、熱を加える場合、使用者が設定する温度まで第１収容容器１１１が耐え得る材質を選定しなければならない。
　また、第１収容容器１１１に収容している土壌が腐植を含み黒色を呈している場合、有機物由来の化学成分が熱で変性し、黒色土壌が本来有する性質を失うだけでなく、色測定器１０２で得られる結果にも影響する恐れが生じる。従って、第１収容容器１１１内の温度上昇は上限５０℃までにとどめることが好ましい。
　また、減圧により第１収容容器１１１に収容している土壌を乾燥する場合、第１収容容器１１１が、減圧に耐え得る材料から構成されていることが重要となる。例えば、減圧により土壌を乾燥する場合、第１収容容器１１１は、ガラスから構成されていることが好ましい。
　乾燥機１１２における乾燥作業は、第１収容容器１１１に収容している土壌の含水率が０％に到達した時点で終了する。例えば、第１収容容器１１１に土壌含水率センサーを設置することで第１収容容器１１１の土壌含水率を検知することが可能である。乾燥機１１２は、第１収容容器１１１内の土壌含水率を０％にすることが可能な方法を実現する機構であれば、上述した乾燥方法に限定されない。
　撹拌機１１３は、乾燥機１１２の乾燥により土壌含水率が０％になった第１収容容器１１１内の土壌に対し、土粒子塊を解すため撹拌作業を実施する。撹拌機１１３は、土粒子塊をすべて解消できる機構であれば、限定されるものではない。例えば、二本の棒状の撹拌子を円形にかき回す機構から構成することができる。また、食品工場などで採用される自動撹拌機と同様の機構を採用することができる。
　粒子径計測部１１４は、乾燥機１１２および撹拌機１１３による土壌の前処理を実施した第１収容容器１１１内の土壌に対して、粒子径測定を実施する。粒子径を測定する方法として、ＪＩＳ Ａ １２０４：２００９「土の粒度試験方法」を用いることができる。また、粒子径の測定は、ＪＩＳ Ｚ ８８２５：２０１３「粒子径解析―レーザー回折・散乱法」に準拠して実施することができる。
　例えば、土の粒度試験方法を実施する場合、ＪＩＳ Ｚ ８８０１－１に規定する金属製網ふるいを用い、目開き７５ｍｍ、５３ｍｍ、３７．５ｍｍ、２６．５ｍｍ、１９ｍｍ、９．５ｍｍ、４．７５ｍｍ、２ｍｍ、８５０μｍ、４２５μｍ、２５０μｍ、１０６μｍ、および７５μｍのものを用意する。金属製網ふるいに土壌を投入しふるいがけを実施し、各ふるい上に残置された土粒子の割合から粒子径分布を算出する。
　また、７５μｍ以下の粒子径に関しては、浮ひょうを用いた土粒子沈降法を用いて粒子径を算出する。７５μｍ以上の土粒子に対するふるい法と７５μｍ未満の土粒子に対する沈降法の結果を合わせ、粒子径分布を算出することが可能である。なお、土の粒度試験方法を実施するためには、第１収容容器１１１に収容する土壌が５００ｍＬ程度必要である。
　粒子径測定が可能なもう一つの計測技術として挙げた粒子径解析―レーザー回折・散乱法は、土粒子にレーザー光を照射し、粒子の大小によって異なる強度の回折・散乱光が生じ、生じた回折・散乱光から形成される光強度分布パターンを分析することで粒子径分布を算出する。
　レーザー回折・散乱法による粒子径測定は、市販の分析機器を用いて実施することができる。なお、粒子径解析―レーザー回折・散乱法を実施するためには、第１収容容器１１１に収容する土壌は５０ｍＬ程度とすることができる。粒子径計測部１１４の計測に使用した土壌は、そのまま破棄することができ、また、色測定器１０２にて再利用することもできる。破棄する場合、色測定器１０２での測定が可能となる量の土壌を追加で準備する必要がある。また、色測定器１０２にて再利用する場合、追加量の土壌を用意する必要はないが、粒子径計測部１１４での測定を実施した土壌は湿潤状態となるため、乾燥機１１２での乾燥作業、および撹拌機１１３での土壌塊の除去を再度実施する必要がある。
　粒子径計測部１１４で計測した粒子径測定結果は、粒子径算出回路１１５に送られ、測定結果を基に粒子径分布が導かれる。粒子径算出回路１１５で求められる粒子径分布は、例えば、横軸に粒子径、縦軸に各粒子径の頻度％や頻度の累積％としたグラフである。
　次に、色測定器１０２について、図４を参照して説明する。色測定器１０２では、土壌の色を測定する試験を実施する。まず、粒径測定器１０１の第１収容容器１１１から第２収容容器１２１へ土壌が移送される。第２収容容器１２１は、土色測定が可能であれば形状や材質などは特に限定されない。ただし、土色測定手段として、測定機器を用いる場合、もしくは計測者の目視で確認する場合のどちらを選択したとしても、第１収容容器１１１の外部から土色判別が可能であることが必須のため、シャーレなどのように容器の上部が大きく開放された形状であるか、もしくは容器全面が透明な材質であることが好ましい。
　土色計測部１２２では、第２収容容器１２１内の土の色を計測し、土色判定回路１２３では、計測した土の色を判定する。土色計測部１２２における土色の計測として、例えば、標準土色をマンセル系統分類方式で土色を配列した標準土色帖を用いることができる。また、土色計測部１２２における土色の計測として、分光測色計を用いることができる。
　標準土色帖を使用して土色の計測を実施する場合、複数の土壌に対して土色を計測する際に計測誤差を極力減らすため、計測を実施する計測者は常に同に人物であることが好ましい。標準土色帖を使用して土色の計測を実施する計測者は、標準土色帖に記載の色相・明度・彩度の色値を記録することで、計測の実施を完了する。土色計測に標準土色帖を使用する場合、目視で土色を判定するため、第２収容容器１２１内の土壌は、最低でも２０ｍＬ程度用意することが好ましい。
　次に、土色計測部１２２における土色の計測として、分光測色計を用いる場合について説明する。分光測色計は、光度計の一種であり、色ごとの波長強度を測定することで色に関する情報を得ることができる。土色計測部１２２として分光測色計を使用する場合、第２収容容器１２１は計測が可能となる透明な分光セルとする必要がある。
　前述したように、計測を実施して記憶された色情報は、土色判定回路１２３へ送られ、何らかの色値として変換される。色値として、例えば国際照明委員会（ＣＩＥ）が策定した、ＣＩＥ１９７６（Ｌ*ａ*ｂ*）色空間（ＣＩＥＬＡＢ）を使用することができる。ＣＩＥＬＡＢでは、色の明度を表すＬ*、赤色と緑色の位置を表すａ*、黄色と青色の位置を表すｂ*の３つの座標として色値を記述する。Ｌ*、ａ*、ｂ*の値を、土色判定回路１２３で算出して土色測定結果とすることができる。
　次に、推定回路１０３について、詳細に説明する。推定回路１０３では、粒径測定器１０１および色測定器１０２で得た結果に基づき、測定土壌に埋設された鋼材の腐食量を推定する。まず、粒子径算出回路１１５で得た粒子径測定結果（粒子径分布）、および土色判定回路１２３で得た土色測定結果（土色判定結果）は、推定回路１０３のメモリへ送られる。推定回路１０３は、メモリに格納された各測定結果を用いて腐食量推定結果を算出して出力する。粒径測定器１０１における粒子径算出回路１１５で得た粒子径測定結果（粒子径分布）から、土壌腐食による腐食速度に関する情報を取得する。
　前述したように、腐食反応の進展は、土壌埋設された金属表面の濡れ面積、および酸素分圧によって決定される。濡れ面積は、粒子間隙に補足された水の毛管力に依存し、これは粒子間隙径、すなわち粒子径分布から求めることができる。
　また、酸素分圧も同様、粒子間隙が雨等の水で満たされた後、重力水として水が地下深くに浸透して拡散するとともに、表層から酸素が地中へ拡散し金属表面へ酸素が供給される。供給された酸素は、水に溶解し溶存酸素として金属表面まで到達することが可能であるが、溶存酸素の拡散速度は気体酸素の拡散速度と比べ１０4倍遅いため、気体として土壌中を拡散する距離が長いほど、腐食反応に必要な酸素が供給され易い。すなわち、気体酸素が拡散可能となる距離を長くするため、土壌中の水が、浸透拡散する速度と連動しており、透水拡散速度も粒子径分布で決まる。
　これらのことにより、粒子径分布から腐食速度の時間変化に関する情報を得ることができる。腐食速度の時間変化に関する情報の一例として、様々な状態の土壌における粒径を測定した結果から推定した腐食速度の時間変化を図５に示す。
　図５に示すグラフにおいて、横軸の経過時間０の時点は、土粒子間隙すべてが水で満たされた湿潤状態であり、時間経過とともに水の透水拡散に伴い土壌の乾燥が進む。乾燥が進むに連れて腐食速度は増加し、ある時点で、最大腐食速度を迎える。これは、乾燥に伴い金属表面近傍への酸素供給が可能となり、腐食反応の進展に必要な水と酸素の均衡が保たれたためである。また、最大腐食速度を迎えた後、腐食速度は減少している。これは、乾燥がさらに進み腐食反応に必要な酸素は十分量供給されているが、金属表面の濡れ面積が減少したためである。
　地中埋設された鋼材の腐食速度は図５示すような時間変化挙動を示し、腐食速度が増加するタイミングや最大腐食速度の値は粒子径分布に依存して変化する。従って、粒子径分布と腐食速度の時間変化挙動の関係を予め調べておき、この結果を推定回路１０３のメモリに格納し、粒径測定器１０１で得られた結果と照らし合わせることで、腐食速度の時間変化挙動を容易に求めること（取り出すこと）ができる。
　なお、腐食速度は、電気化学的な測定方法を用いて定量的に測定することが可能である。電気化学的測定方法による測定を湿潤土壌が乾燥するに至るまで繰り返し実施し、各粒子径分布に応じて、図５のグラフを予め求めておくことができる。また、腐食速度の時間変化挙動を取得する手間を省きたいと希望する場合、最大腐食速度のみを推定回路１０３のメモリに記憶しておくだけとすることもできる。
　続いて、推定回路１０３は、色測定器１０２で得た結果から腐食速度倍率を算出する。図６は、ＣＩＥＬＡＢのＬ*値と腐食速度倍率の関係を表すグラフ例である。ＣＩＥＬＡＢのＬ*値は色の明度を表しており、Ｌ*＝０は黒、Ｌ*＝１００は白の拡散色を示す。従って、Ｌ*＝０に近いほど土壌内には腐植に由来する有機酸を多く含むことになる。
　酸は腐食を加速する要因であるため、Ｌ*の値によって腐食速度倍率を決定し、図５の腐食速度値に腐食速度倍率を掛ける（乗じる）ことで、各土壌における真の腐食速度を得ることができる。なお、Ｌ*と腐食速度倍率の関係性として、Ｌ*が０に近いほど倍率を高く設定するグラフを設定することができ、また、予めＬ*と腐食速度倍率の関係性を調べておくことができる。
　図７は、ＣＩＥＬＡＢのａ*値と腐食速度倍率の関係を表すグラフ例である。ａ*値は赤と緑の位置を示しており、ａ*値が負で緑色、ａ*値が正で赤色を呈することを表す。赤色を示す土壌中には、酸化鉄が多く含まれている。腐食生成物として生じる酸化鉄が環境中に多い場合、化学平衡論の観点から腐食反応は遅くなり、腐食速度倍率は低くなることが考えられる。従って、ａ*値が正の値を取る場合に腐食速度倍率が低くなるように図７を設定することができ、また、予めａ*値と腐食速度倍率の関係性を調べておくことができる。
　図８は、ＣＩＥＬＡＢのｂ*値と腐食速度倍率の関係を表すグラフ例である。ｂ*値は黄色と青色の位置を示しており、ｂ*値が負で青色、ｂ*値が正で黄色を呈することを表す。青色を示す土壌中には還元鉄が多く含まれており、腐食反応の進行に必要な電子の受け取り手が豊富であることから、腐食速度が顕著に速くなる特徴を有する。従って、ｂ*値が負の値を取る場合に腐食速度倍率が高くなるように図８を設定することができ、また、予めｂ*値と腐食速度倍率の関係性を調べておくことができる。
　推定回路１０３は、粒径測定器１０１で得た結果から取得した腐食速度の時間変化、もしくは最大腐食速度に、色測定器１０２で得た結果から取得した腐食速度倍率を掛け合わせ、補正腐食速度を算出する。この算出により、腐食速度に関するすべての情報取得が完了する。続いて、推定回路１０３は、腐食速度の情報から腐食量の推定計算を実施する。
　粒径測定器１０１で得た結果から腐食速度の時間変化を抽出した場合、これは雨が降ってから次の雨が降るまでの腐食速度の時間変化を示すことから、抽出した時間変化を積分することで１回の雨で進展する腐食量を計算することが可能である。従って、使用した土壌が埋設されていた地域の降雨情報を取得し、雨の回数分だけ、１回の雨で進展する腐食量を足し合わせ、１年で進展する腐食量Ｒを求めておく。
　また、粒径測定器１０１で最大腐食速度を抽出した場合、最大腐食速度から１年で進展する腐食量Ｒを同様に求めておく。求められている腐食量Ｒから、腐食進展を予測する経験モデルとして知られるべき乗則「Ｄ＝ＲＴn・・・（１）」を使用しても良い。Ｄは腐食量［ｍｍ］、Ｔは埋設金属材料の経年［ｙｅａｒ］、ｎは材料の腐食性評価値を示す。ただし、ｎの値については経験的に０．４～０．６と言われているため、この中間値である０．５を採用することができる。腐食量の推定を希望する埋設金属材料が埋められてから何年経過したか記述する経年値を式（１）のＴに導入することで、埋設金属材料の腐食量を推定することが可能である。
　図９は、図５、図６、図７、図８の結果から推定された腐食量と経過年を表すグラフ例であり、腐食進展を予測する経験モデルである式（１）を模式的に表すグラフ例である。
　以下、より詳細な腐食推定方法について、図１０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、粒径測定器１０１における第１収容容器１１１に土壌を収容する。次に、ステップＳ２０２で、第１収容容器１１１に収容した土壌に対して、乾燥機１１２を動作させ、土壌の乾燥処理を実施する。次に、ステップＳ２０３で、乾燥処理を実施した土壌に対して、撹拌機１１３を動作させて、土壌隗を除去するための撹拌処理を実施する。
　次に、ステップＳ２０４で、粒子径計測部１１４を動作させて粒子径測定を実施する。次に、ステップＳ２０５で、測定された粒子径を基に、粒子径算出回路１１５により、粒子径分布を求める。次に、ステップＳ２０６で、土色計測部１２２により、第２収容容器１２１内の土の色を計測する。次に、ステップＳ２０７で、土色判定回路１２３により、計測した土の色を判定する。
　次に、ステップＳ２０８で、推定回路１０３において、粒径測定器１０１で得た結果に基づき、測定土壌に埋設された鋼材の腐食速度を算出する。次に、ステップＳ２０９で、推定回路１０３は、色測定器１０２で得た結果から腐食速度倍率を算出する。次に、ステップＳ２１０で、推定回路１０３は、腐食速度値に腐食速度倍率を掛けて腐食速度（補正腐食速度）を求める。この後、ステップＳ２１１で、推定回路１０３は、求めた腐食速度から、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、測定した粒子径および色測定値から、土壌に埋設される鋼材の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。
　本発明によれば、複雑な腐食系である土壌腐食において固相の情報のみから少ない試験数かつ短時間で土壌腐食を推定することで、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可能となり、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。
　１０１…粒径測定器、１０２…色測定器、１０３…推定回路。

Claims (6)

  1. 　土壌の粒子径を測定する粒径測定ステップと、
    　前記土壌の色に関する色測定値を測定する色測定ステップと、
    　前記粒子径および前記色測定値から、前記土壌に埋設される鋼材の腐食を推定する推定ステップと
    　を備える腐食推定方法。
  2. 　請求項１記載の腐食推定方法において、
    　前記推定ステップは、前記粒子径から腐食速度を求め、前記色測定値から腐食速度倍率を求め、前記腐食速度に前記腐食速度倍率を乗じて補正腐食速度を求め、求めた補正腐食速度により前記鋼材の腐食を推定することを特徴とする腐食推定方法。
  3. 　請求項１または２記載の腐食推定方法において、
    　前記色測定ステップは、前記色測定値として色値を測定することを特徴とする腐食推定方法。
  4. 　土壌の粒子径を測定する粒径測定器と、
    　前記土壌の色に関する色測定値を測定する色測定器と、
    　前記粒子径および前記色測定値から、前記土壌に埋設される鋼材の腐食を推定する推定回路と
    　を備える腐食推定装置。
  5. 　請求項４記載の腐食推定装置において、
    　前記推定回路は、前記粒子径から腐食速度を求め、前記色測定値から腐食速度倍率を求め、前記腐食速度に前記腐食速度倍率を乗じて補正腐食速度を求め、求めた補正腐食速度により前記鋼材の腐食を推定することを特徴とする腐食推定装置。
  6. 　請求項４または５記載の腐食推定装置において、
    　前記色測定器は、前記色測定値として色値を測定することを特徴とする腐食推定装置。
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