JP2017003419A - 隙間腐食センサ、及び隙間腐食モニタリングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】専門的な技術を必要とせず、隙間腐食を可視化し、短期間で予測するための隙間腐食センサ、及び隙間腐食モニタリングシステムを提供する。【解決手段】第１の浸漬電極２２と、前記第１の浸漬電極２２との間で流体が入り込む隙間３４を形成するように配置された第２の浸漬電極２６と、前記第１の浸漬電極２２と前記第２の浸漬電極２６に接続された無抵抗電流計２０と、を有し、前記無抵抗電流計２０は、前記隙間３４において発生する隙間腐食に起因して前記第１の浸漬電極２２と前記第２の浸漬電極２４の間に発生する電位差を相殺する相殺電圧を前記第１の浸漬電極２２と前記第２の浸漬電極２６との間に印加するとともに、前記相殺電圧を印加時の電流値を測定し、前記第２の浸漬電極２６の浸漬面積は、前記第１の浸漬電極２２の浸漬面積よりも小さいことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、隙間腐食センサ、及び隙間腐食モニタリングシステムに関する。

海水機器や関連配管に発生する隙間腐食は、事故事例などによる経験則や、現地試験などを長期間（１年以上）行い、事前検討することによってその腐食速度を予測することが通常行われている。特許文献１は、事前に孔食電位、孔食深さ、経時変化のデータを予め取得しておくことにより、材料の孔食進展量を予測する技術を開示している。特許文献２は、充填材により実環境と同様の隙間環境を形成し、電位測定により腐食環境を評価する技術を開示している。

特許文献３は、スポット溶接などによって接合された金属の平板に作成された隙間環境に対し、温度制御を組み込んで電位測定を実施することにより、隙間腐食を評価する技術を開示している。非特許文献１は、高い腐食性を有する塩化第二鉄溶液を用いて、試験片に隙間腐食を発生させ、試験片の耐食性を試験片に発生した隙間腐食の深さにより評価する手法を開示している。隙間は、試験片に樹脂製の治具を取り付けることにより形成している。

特許第４７９３４５７号公報 特開２０１４−６６６２０号公報 特許第３１９６７０７号公報

ＡＳＴＭ Ｇ４８−０３，Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｉｔｔｉｎｇ ａｎｄ Ｃｒｅｖｉｃｅ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ａｌｌｏｙｓ ｂｙ Ｕｓｅ ｏｆ Ｆｅｒｒｉｃ Ｃｈｌｏｒｉｄｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ．

しかし、非特許文献１では、塩化第二鉄溶液を用いて腐食を加速させているが、実海水に対する腐食加速率が不明瞭であり、定量的な評価とはならない。また、特許文献１では、新しい材料や環境に対応するために別途データベースの構築が必要になるという問題がある。特許文献２，３は電位測定により評価という判断に専門性を要する。このように、専門的な技術が必要であることや、時間が必要であることから、設計に短時間で反映することは困難である。
そこで、本発明は、専門的な技術を必要とせず、隙間腐食を可視化し、短期間で予測するための隙間腐食センサ、及び隙間腐食モニタリングシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る隙間腐食センサは、第１には、第１の浸漬電極と、前記第１の浸漬電極との間で流体が入り込む隙間を形成するように配置された第２の浸漬電極と、前記第１の浸漬電極と前記第２の浸漬電極に接続された無抵抗電流計と、を有し、前記無抵抗電流計は、前記隙間において発生する隙間腐食に起因して前記第１の浸漬電極と前記第２の浸漬電極の間に発生する電位差を相殺する相殺電圧を前記第１の浸漬電極と前記第２の浸漬電極との間に印加するとともに、前記相殺電圧を印加時の電流値を測定し、前記第２の浸漬電極の浸漬面積は、前記第１の浸漬電極の浸漬面積よりも小さいことを特徴とする。

上記構成により、腐食が起きている隙間内では水素イオン濃度が上昇するためｐＨが低下する。また、第２の浸漬電極の浸漬面積は、第１の浸漬電極の浸漬面積よりも小さいため、第２の浸漬電極では、隙間腐食を起こす面積比が第１の浸漬面積よりも大きい。これにより、第２の浸漬電極周囲のｐＨの平均値が第１の浸漬電極周囲のｐＨの平均値よりも低くなるので、第２の浸漬電極の電位が第１の浸漬電極の電位よりも高くなる形で電位差が発生する。また、第２の浸漬電極の電位は、その電極材料の腐食の活性域における腐食速度のピークとなる電位に近づくため、第２の浸漬電極における隙間腐食に起因する腐食電流が第１の浸漬電極よりも著しく大きくなる。よって、隙間腐食は第２の浸漬電極において支配的に発生する。しかし、この腐食電流を直接測定することは不可能である。

そこで、上記構成のように、無抵抗電流計が、第１の浸漬電極と第２の浸漬電極との電位差を相殺する相殺電圧を印加すると、その際に無抵抗電流計を流れる電流が第２の浸漬電極の隙間腐食に起因する腐食電流に実質的に等しくなる。また、第２の浸漬電極の材料に関する物理量、及び第２の浸漬電極の隙間腐食を起こしている部分の腐食面積は既知とすることができる。

よって、無抵抗電流計が測定した電流値、前記物理量、前記腐食面積から第２の浸漬電極における隙間腐食の当該測定時期における単位時間当たりの減肉量（腐食速度）を算出することができる。さらに電流値を時間方向で積分すれば、隙間腐食の減肉量（腐食深さ）を、時間を追って監視することができ、さらに当該電流値が一定の値に収束した場合には将来の腐食量を予測することができる。以上より、専門的な技術を必要とせず、隙間腐食を可視化し、短期間で予測するための隙間腐食センサとなる。

第２には、前記隙間は、１ｍｍ以下であることを特徴とする。
上記構成により、毛細管現象により流体が隙間内部に吸い込まれるとともに、新たな流体の流入は隙間により制限されるため、隙間腐食を確実に進行させることができる。

第３には、前記第１の浸漬電極は、貫通孔を有する部材であり、前記第２の浸漬電極は、前記貫通孔に挿通される部材であり、その側面が前記貫通孔との間で前記隙間を形成していることを特徴とする。
上記構成により、簡易な構成で隙間腐食センサを構築することができるとともに、平板のような角を有しないので、角における急激な腐食を防止して腐食電流の誤差を低減することができる。

第４には、前記第２の浸漬電極の側面には、絶縁部材が巻きつけられていることを特徴とする。
上記構成により、例えば配管のフランジとパッキンとの接触部分の隙間に対応した構成になるため、当該部分の腐食電流を高精度にモニタリングすることができる。

第５には、前記第１の浸漬電極及び前記第２の浸漬電極は、絶縁性の固定部材に螺合して一体となっていることを特徴とする。また、第６には、前記第１の浸漬電極及び前記第２の浸漬電極は、絶縁性の固定部材に嵌め込まれて一体となっていることを特徴とする。
上記構成により、第１の浸漬電極と第２の浸漬電極の位置関係が螺合または嵌め込みにより定まるので、製造バラつきに起因した腐食電流のバラつきを抑制することができる。

第７には、前記第１の浸漬電極及び前記第２の浸漬電極は、それぞれ平板形状を有していることを特徴とする。
上記構成により、簡易な構成で隙間腐食センサを構築することができる。また平板を円形とすることにより、角を廃して角に起因する急激な腐食を防止することができる。

第８には、前記第１の浸漬電極と前記第２の浸漬電極との間には、絶縁部材が挟み込まれていることを特徴とする。
上記構成により、例えば配管のフランジとパッキンとの接触部分の隙間に対応した構成になるため、当該部分の腐食電流を高精度にモニタリングすることができる。

一方、本発明に係る隙間腐食モニタリングシステムは、第１には、前述の隙間腐食センサを用いた隙間腐食モニタリングシステムであって、測定対象となる配管に取り付けられ、前記配管中を流れる流体を分岐させる分岐配管と、前記分岐配管から排出された前記流体を蓄える貯水槽と、を有し、前記第１の浸漬電極及び前記第２の浸漬電極に形成された前記隙間において、前記隙間の下端の開口部から前記隙間の高さ方向の途中位置までが前記貯水槽に蓄えた前記流体に浸漬していることを特徴とする。
上記構成により、第１の浸漬電極と第２の浸漬電極との間の隙間の隙間腐食以外の隙間腐食を防止して、隙間腐食に伴う腐食電流を高精度に測定することができる。

第２には、前述の隙間腐食センサを用いた隙間腐食モニタリングシステムであって、前記第１の浸漬電極が、モニター対象となる配管であり、前記貫通孔が、前記配管の側壁に配置され前記配管に連通したフランジの開口部であり、前記貫通孔を封止するように前記フランジに接続する絶縁性の蓋部が設けられ、前記第２の浸漬電極が前記蓋部に取り付けられた状態で前記配管内部に配置されるとともに、前記開口部の内壁と前記第２の浸漬電極との間で前記隙間を形成していることを特徴とする。

上記構成により、第１の浸漬電極となる配管中の流れる流体に第２の浸漬電極を直接浸漬させるので、隙間腐食センサにより測定される腐食電流を実モデルとなる配管系の隙間で生じる隙間腐食に伴う隙間電流に近似させることができ、隙間腐食のモニタリングを高精度に行うことができる。

第３には、前述の隙間腐食センサを用いた隙間腐食モニタリングシステムであって、前記第１の浸漬電極が、モニター対象となる配管であり、前記貫通孔が、前記配管の側壁に配置され前記配管に連通したフランジの開口部であり、前記固定部材が、前記フランジに螺合して前記開口部を封止する蓋部であり、前記第２の浸漬電極が前記蓋部に螺合した状態で前記配管内部に配置されるとともに、前記開口部の内壁と前記第２の浸漬電極との間で前記隙間を形成していることを特徴とする。

上記構成により、第１の浸漬電極となる配管中を流れる流体に第２の浸漬電極を直接浸漬させるので、隙間腐食センサにより測定される腐食電流を実モデルとなる配管系の隙間で生じる隙間腐食に伴う隙間電流に近似させることができ、隙間腐食のモニタリングを高精度に行うことができる。さらに、第１の浸漬電極となる配管と、第２の浸漬電極の位置関係が螺合により定まるので、第２の浸漬電極の配置位置のバラつきを抑制して腐食電流のバラつきを抑制することができる。

本発明に係る隙間腐食センサによれば、無抵抗電流計が測定した電流値、第２の浸漬電極の材料に関する物理量、第２の浸漬電極の隙間腐食を起こしている部分の腐食面積から第２の浸漬電極における隙間腐食の当該測定時期における単位時間当たりの減肉量（腐食速度）を算出することができる。さらに電流値を時間方向で積分すれば、隙間腐食の減肉量（腐食深さ）を、時間を追って監視することができ、さらに当該電流値が一定の値に収束した場合には将来の腐食量を予測することができる。以上より、専門的な技術を必要とせず、隙間腐食を可視化し、短期間で予測することができる。

また、本発明に係る隙間腐食モニタリングシステムによれば、第１の浸漬電極と第２の浸漬電極との間の隙間の隙間腐食以外の隙間腐食を防止して、隙間腐食に伴う腐食電流を高精度に測定することができる。また、第１の浸漬電極を配管とした場合、配管中の流れる流体に第２の浸漬電極を直接浸漬させるので、隙間腐食センサにより測定される腐食電流を実モデルとなる配管系の隙間で生じる隙間腐食に伴う隙間電流に近似させることができ、隙間腐食のモニタリングを高精度に行うことができる。さらに、第１の浸漬電極となる配管と、第２の浸漬電極の位置関係が定まるので、第２の浸漬電極の付け替えに伴う腐食電流のバラつきを抑制することができる。

第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの模式図である。 図１の破線で囲った部分における配管中の隙間腐食の例を示す断面図である。 第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の分解斜視図である。 第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の断面図である。 第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の断面図（絶縁シートを巻きつけた場合）である。 実験で用いた腐食電流測定用の浸漬電極の断面図である。 無抵抗電流計が検出した腐食電流のグラフである。 第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の第１変形例の断面図である。 第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の第２変形例の断面図である。 第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の第３変形例の分解図（平面図）である。 第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の第３変形例（嵌め込み後）の平面図である。 図１１のＡ−Ａ線断面図である。 第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の第４変形例の平面図である。 図１３のＡ−Ａ線断面図である。 第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の第５変形例の断面図である。 第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の第６変形例（その１）の断面図である。 第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の第６変形例（その２）の断面図である。 第２実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの模式図である。 図１８の破線で囲った部分の断面図である。 第２実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの変形例の図１７の破線で囲った部分の断面図である。 第３実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの模式図である。 第４実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの模式図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１に、第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの模式図を示す。本実施形態の隙間腐食モニタリングシステム１０は、例えば、測定対象となるステンレス製の配管１００に取り付けられ、配管１００中を流れる流体（淡水または海水）を分岐させる分岐配管１２と、分岐配管１２から排出された流体を蓄える貯水槽１８と、隙間腐食センサ（無抵抗電流計２０、第１の浸漬電極２２、第２の浸漬電極２６）と、を有する。

分岐配管１２の途中には減圧弁１４が取り付けられ、先端には開閉バルブ１６が取り付けられている。貯水槽１８には一定量の流体が蓄えられているが、開閉バルブ１６を常時開放して貯水槽１８内の流体を常に入れ替えるようにしてもよいし、例えば週に１回程度を目安として開閉バルブ１６を開放して貯水槽１８内の流体の入れ替えを行ってもよい。

無抵抗電流計２０は、第１の浸漬電極２２と第２の浸漬電極２６に接続されており、後述のように第１の浸漬電極２２と第２の浸漬電極２６との電位差により第２の浸漬電極２６に生じる隙間腐食に係る腐食電流を測定するものである。

図２に、図１の破線で囲った部分における配管中の隙間腐食の例を示す断面図を示す。図２に示すように、配管１００は、その両端がフランジ１０２となっており、互いに隣接する配管１００同士は、テフロン（登録商標）やゴムなどの樹脂で形成されたパッキン１０４を挟んだ状態でフランジ１０２同士をボルト１０６とナット１０８を用いてボルト締めしている。このような形態において、本願発明者は、配管１００のフランジ１０２（金属）とパッキン１０４（樹脂）との隙間で腐食（隙間腐食）が最も顕著に表れることを見出している。

一般に、金属の腐食は表面において酸化反応と還元反応が電気的中性条件を維持しつつ以下のように起きている。
酸化反応：Ｆｅ→Ｆｅ^２＋＋２ｅ⁻
還元反応：Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻
表面全体がほぼ均一に腐食する全面腐食の場合は、その表面に微小な酸化領域と微小な還元領域が多数交互に形成されるが、そのトータルの面積比は１対１であり、その腐食速度は非常にゆっくりとしたものになる。

一方、前述のような隙間がある場合、その隙間における新たな流体の流入はほとんどないため酸素が不足することになる。このため、隙間においては以下のような反応が発生することが知られている（Ｊ．Ｌｏｐｅｚ Ｄｅ Ｌａ Ｃｒｕｚ，ｅｔ ａｌ．Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｏｆ Ｉｒｏｎ Ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＣ １７ｔｈ ＩＣＣ Ｎｏ．３８５０（２００９））。
Ｈ_２Ｏ→Ｈ^＋＋ＯＨ⁻
Ｆｅ^２＋＋Ｈ_２Ｏ→ＦｅＯＨ^＋＋Ｈ^＋（鉄の加水分解）
Ｆｅ^２＋＋ＣＩ⁻→ＦｅＣｌ^＋（錯体形成反応）
これらの反応により、隙間においてＨ^＋が相対的に増加してｐＨが下がり、これにより隙間の電位が上昇する。よって、金属表面において隙間がアノードとなり、それ以外の部分がカソードとなり、アノードにおける電子の供給速度が速くなる（腐食電流が大きくなる）。これにより、アノード（隙間）における腐食速度が増加することになる。しかし、前述のように、金属全体としては電気的中性条件を維持しているので、腐食電流を直接計測することはできない。

そこで、本実施形態では、隙間腐食を発生している部分と、それ以外の部分と、を絶縁させた電極を構築し、両電極間の電位差から腐食電流を近似的に求めることにしている。なお、上記隙間腐食では、フランジ（金属）とパッキン（樹脂）との間の隙間で起こる旨説明したが、金属表面に形成された溝（傷）内部においても同様の隙間腐食が発生する。

図３に、第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の分解斜視図を、図４に、第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の断面図を、図５に、第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の断面図（絶縁シートを巻きつけた場合）を示す。

第１の浸漬電極２２及び第２の浸漬電極２６は、絶縁性接着剤３２により接合されている。第１の浸漬電極２２は、円筒形の形状を有しており、軸方向に貫通する貫通孔２４が形成されている。第２の浸漬電極２６は、貫通孔２４に挿通される円柱形の挿通部２８と、挿通部２８の上端に接続され、第１の浸漬電極２２の上端と絶縁性接着剤３２により接合された接合部３０を有する。

貫通孔２４の内壁と挿通部２８の外壁との間には隙間腐食を形成するための隙間３４が形成されている。この隙間３４は、貫通孔２４と挿通部２８とを平面視で同心状に配置して、高さ方向及び挿通部２８の周方向において隙間３４の幅が均一になるように形成することが望ましい。これにより、隙間３４（挿通部２８の側面）において隙間腐食を均一に形成して、隙間腐食形成のバラつきを抑制し、隙間腐食のモニタリングの信頼性を高めることができる。なお、本実施形態では、貫通孔２４の断面形状を３角形や４角形などの多角形とし、挿通部２８の断面形状を貫通孔２４の断面形状に倣った多角形とすることもできる。

隙間３４の幅（Ｗ）は、毛細管現象を起こす幅であることが必要であり、１ｍｍを上限とする。また、幅（Ｗ）の下限は、水分子が入る程度の幅（０．６ｎｍ）までと考えることができるが、工作精度を考えると０．０５ｍｍ程度とすることが現実的である。また、毛細管現象を確実に発生させるため、隙間３４の長さ（深さ）（Ｌ）は、隙間３４の幅の１０倍程度あるいはそれ以上あることが望ましい。

図４では、隙間３４を貫通孔２４と挿通部２８により形成しているが、図５に示すように、挿通部２８の外周に前記隙間３４の幅（Ｗ）よりも厚みの薄い絶縁シート３８を巻きつけ、挿通部２８の外周と絶縁シート３８との間に隙間３４ａを形成することもできる。これにより、前記隙間３４を形成する工作精度０．０５ｍｍより更に狭い隙間を形成することができ、図２に示す隙間腐食に最も近い形の隙間腐食を第２の浸漬電極２６に形成することができる。

図４に示すように、第１の浸漬電極２２と第２の浸漬電極２６からなる一体物は、その途中の高さ位置（挿通部２８の下端よりは高くなる位置）に水面が来る程度に貯水槽１８の流体に浸漬させている。第２の浸漬電極２６（挿通部２８）を浸漬させると、毛細管現象により隙間３４（及び隙間３４ａ、以後同様とする）の下端にあるリング状に開口部３６から流体が吸い上げられる（入り込む）。このとき、隙間３４に流体が入り込んだ分隙間３４にあった空気は外部に排出される。そして、毛細管現象により吸い上げられる力と隙間３４に残った空気の気圧が釣り合う位置まで流体が上昇する。よって、貯水槽１８の水面と、隙間３４に吸い込まれた流体の水面（上端）の高さは一般的に一致しない。また、後述の隙間３４以外での隙間腐食を防止するため、隙間３４の上端にまで流体に浸漬させないようにする必要がある。例えば、隙間３４の幅が０．５ｍｍのときは、挿通部２８を３ｍｍ以上浸漬させないようにする。なお、毛細管現象によりどれくらい流体が吸い上げられるかは、浸漬電極の材料や隙間３４の幅を変化させてその都度確認する等の作業が必要である。

図４（図５）において（他の実施形態も同様）、第２の浸漬電極２６（挿通部２８）の浸漬面積の、第１の浸漬電極２２との浸漬面積に対する比率は１０分の１、あるいはそれ以下であることが望ましい。図では、挿通部２８の長さが第１の浸漬電極２２よりも短くなっているが、これに限定されず、例えば、同じ長さにしてもよい。一方、第１の浸漬電極２２及び第２の浸漬電極２６を全て流体に浸漬させると、隙間３４以外の部分でも隙間腐食が発生するため、無抵抗電流計２０が測定する測定値に誤差が生じるため好ましくない。

上記構成により、腐食が起きている隙間３４内では水素イオン濃度が上昇するためｐＨが低下する。また、第２の浸漬電極２６（挿通部２８）の浸漬面積は、第１の浸漬電極２２の浸漬面積よりも小さいため（１０分の１以下）、第２の浸漬電極２６では、隙間腐食を起こす面積比が第１の浸漬面積２２よりも大きい。これにより、第２の浸漬電極２６の周囲のｐＨの平均値が第１の浸漬電極２２周囲のｐＨの平均値よりも低くなるので、第２の浸漬電極２６の電位が第１の浸漬電極２２の電位よりも高くなる形で電位差が発生する。また、第２の浸漬電極２６の電位は、その電極材料の腐食の活性域における腐食速度のピークとなる電位に近づくため、第２の浸漬電極２６における隙間腐食に起因する腐食電流が第１の浸漬電極２２よりも著しく大きくなる。よって、隙間腐食は第２の浸漬電極２６において支配的に発生するが、これに伴う腐食電流を直接測定することは困難である。

しかし、無抵抗電流計２０が、第１の浸漬電極２２と第２の浸漬電極２６との電位差を相殺する相殺電圧を印加すると、その際に無抵抗電流計２０を流れる電流が第２の浸漬電極２６の隙間腐食に起因する腐食電流に実質的に等しくなる。また、第２の浸漬電極２６の材料に関する物理量、及び第２の浸漬電極２６の隙間腐食を起こしている部分の腐食面積は既知とすることができる。

物理量としては、無抵抗電流計２０が測定した電流値Ｉ［Ａ］、測定時間ｔ［ｓ］、腐食部分（挿通部２８の側壁）の面積Ｓ［ｃｍ^２］（２π×挿通部２８の半径×挿通部２８が流体により浸漬された長さ）、腐食物質の原子量Ｍ［ｇ／ｍｏｌ］（例えば、Ｆｅ＝５５．８４５ｇ／ｍｏｌ）、腐食物質の腐食反応の反応定数ｚ「Ａ→Ａ^ｚ＋＋ｚｅ⁻」（例えばＦｅ、ｚ＝２）、腐食物質の密度ｄ「ｇ／ｃｍ^３」（例えば、Ｆｅ＝７．８７４ｇ／ｃｍ^３）、ファラデー定数Ｆ＝９６５００［Ｃ／ｍｏｌ］を用いる。

そして、ファラデーの法則により、腐食物質のモル量は、ＩＳｔ／（ｚＦ）［ｍｏｌ／ｃｍ^２］であり、これを重量に直すと、ＭＩＳｔ／（ｚＦ）［ｇ／ｃｍ^３］となる。また、挿通部２８の側面において隙間腐食が均一に発生していると仮定すれば、その腐食深さは、ＭｉＳｔ／（ｚＦｄ）［ｃｍ］であり、検出している時間「ｔ」が一年の場合、これが年間腐食量となり、これを微分すれば単位時間当たりの腐食量になる。

よって、無抵抗電流計２０が測定した電流値Ｉ、前記物理量、腐食面積Ｓから第２の浸漬電極２６における隙間腐食の当該測定時期における単位時間当たりの減肉量（腐食速度）を算出することができる。さらに電流値を時間方向で積分すれば（腐食電流の総和を計算すれば）、隙間腐食の減肉量（腐食深さ）を、時間を追って監視することができ、さらに当該電流値が一定の値に収束した場合には将来の腐食量を予測することができる。以上より、専門的な技術を必要とせず、隙間腐食を可視化し、短期間で予測するための隙間腐食センサ、及び隙間腐食モニタリングシステム１０となる。

なお、本実施形態では、挿通部２８の腐食深さを計算により算出しているが、第１の浸漬電極２２及び第２の浸漬電極２６からなる一体物を引きあげて分解し、挿通部２８の直径を測定することにより、実際の腐食深さを測定できることは言うまでもない。

図６に、実験で用いた腐食電流測定用の浸漬電極の断面図を、図７に、無抵抗電流計が検出した腐食電流のグラフを示す。本願発明者は、本実施形態の隙間腐食モニタリングシステム１０による腐食電流を測定した。測定に用いた第１の浸漬電極２２及び第２の浸漬電極２６は、ともにＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｕｓｅ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ［ＪＩＳ規格］）３０４を材料として用いた。

第１の浸漬電極２２としては、内径１６ｍｍ、外形２２ｍｍの円筒形状の材料を用い、第２の浸漬電極２６としては、直径１５ｍｍの円柱形状の材料を用いた。そして、第１の浸漬電極２２及び第２の浸漬電極２６が同軸となり、かつ第２の浸漬電極２６の先端が第１の浸漬電極２２の開口部から７ｍｍとなる位置にまで挿通した状態で、第１の浸漬電極２２の上端と第２の浸漬電極２６の側面を含む領域をシリコンシーラント等の絶縁性接着剤３２によりリング状に充填させて第２の浸漬電極２６を第１の浸漬電極２２に対して固定した。このとき、第１の浸漬電極２２の内壁と第２の浸漬電極２６の側面との間には幅が０．５ｍｍの隙間３４が形成される。

また、第２の浸漬電極２６の第１の浸漬電極及び充填材からの露出部分は絶縁フィルム（不図示）等で被覆している。一方、電極を浸漬させる試験環境としては、塩分濃度３．５％の人口海水（静止環境）を用いた。そして、第１の浸漬電極２２及び第２の浸漬電極２６を、図６に示す態様で人口海水に浸漬させると、毛細管現象により第２の浸漬電極２６の下端から４ｍｍ、すなわち、絶縁性接着剤の下端から３ｍｍ下の位置まで人口海水が上昇することを確認した。このとき、カソード（第１の浸漬電極２２）とアノード（第２の浸漬電極２６）の浸漬面積比は１０対１となる。

上記第１の浸漬電極２２及び第２の浸漬電極２６からなる一体物を人口海水に浸漬させ、１０００００秒にわたって無抵抗電流計２０により電流値（腐食電流）を測定した。なお、無抵抗電流計２０は、第１の浸漬電極２２と第２の浸漬電極２６との間の電位差を相殺する相殺電圧を、常時印加するのではなく、所定の時間ごとに電流値を測定するときのみ印加している。

図７に示すように、電流値は０〜７００００秒では一定の範囲で推移しているが、８００００秒前後においてピークを有している。これは挿通部２８表面において局所的に不動態の皮膜破壊が発生し、隙間腐食が当該箇所において急激に進行したものと考えられる。また、図７では、８００００秒前後のピークを除いて電流値が比較的安定しているので、電流値の平均値を評価することができ、これにより、第２の浸漬電極２６（挿通部２８）の予想年間腐食量を１６４．７μｍ／ｙｅａｒと算出することができた。

このように、本実施形態では、隙間腐食の腐食量を予め予測することができるので、さらに以下のような効果を有する。
（１）対象とする海水機器や関連配管の設計前の現地評価が簡易になり、工数が削減される。
（２）現地の隙間腐食データを事前に得ることができるので、設計の安全性が向上する。
（３）隙間腐食モニタリングの実施により、プラント停止に至る腐食事故を事前に検出可能となる。
（４）通常、隙間腐食は、オンタイムのモニタリングが不可であり、隙間腐食の腐食深さは試験片の抜き取りなどによって実施されている。また、実際に腐食が発生するまでの試験期間が必要であり、設計時に試験結果を反映させることが難しい。しかし、無抵抗電流計２０を用いた本実施形態では、隙間腐食のオンタイムモニタリングが可能になることや、定常となった電流値から隙間腐食の腐食深さを予測することができるため、上記の問題を解決できる。
（５）また、第１の浸漬電極２２（配管１００）の材料を第２の浸漬電極２６よりも耐食性の高い金属に変えた場合は、配管１００に対して溶接などで熱の影響を受け、耐食性が下がった場合の模擬を行うことができる。このように、材料や物性を変えて、環境の模擬を行った状態でのモニタリングや、短期の事前検討が可能となる。

その他、本実施形態の適用対象として、海水淡水化設備や、海水ポンプ、海水熱交換器など海水通水機器があるが、上記製品では、海水中の塩化物イオンが隙間腐食を誘起することが知られており、隙間腐食による事故事例が多数ある。よって、本実施形態の隙間腐食モニタリングシステム１０を用いてこれらの事故を未然に防ぐことにより、プラントの信頼性及び稼働率を保証することができる。

なお、本実施形態（以後の実施形態も同様）は、適用対象が通水環境であることを前提として説明したが、土壌中やコンクリート中など、保水されている環境であれば適用可能である。これにより通常腐食モニタリングが難しい構造物中や、土壌中でも隙間腐食のモニタリングの実施が可能である。

図８から図１７に、第１実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの浸漬電極の変形例を示す。以下に示す第１変形例乃至第６変形例では、いずれも毛細管現象により隙間３４に流体が吸い込まれるが、第１実施形態と同様に隙間３４の上端にまで流体が吸い込まれないようにする必要がある。

図８に示す第１変形例では、絶縁性の円盤状の固定部材４０を用い、その外周には第１の浸漬電極２２に螺合する雄ネジ４０ａが形成され、その中央には第２の浸漬電極２６に螺合する雌ネジ４０ｂが形成されている。第１の浸漬電極２２は、その上部に雄ネジ４０ａに螺合する雌ネジ２２ａを有し、第２の浸漬電極２６は、その上部に雌ネジ４０ｂに螺合する雄ネジ２６ａを有している。

図９に示す第２変形例では、絶縁性の円盤状の固定部材４２を用い、その周縁部には第１の浸漬電極２２の上部が嵌め込まれるリング状の凹部４２ａと、凹部４２ａの外側の内壁に形成され第１の浸漬電極２２の上部に螺合する雌ネジ４２ｂが形成されている。また固定部材４２の中央には第２の浸漬電極２６に螺合する雌ネジ４２ｃが形成されている。第１の浸漬電極２２は、その上部に雌ネジ４２ｂに螺合する雄ネジ２２ｂを有している。第２の浸漬電極２６の雄ネジ２６ａは、雌ネジ４２ｃに螺合している。

第１変形例及び第２変形例では、第１の浸漬電極２２と第２の浸漬電極２６の位置関係が固定部材４０，４２への螺合により定まるので、いずれの変形例においても、製造バラつきに起因した腐食電流のバラつきを抑制することができる。

図１０（分解図）、図１１（平面図）、図１２（図１１のＡ−Ａ線断面図）に示す第３変形例は、第１の浸漬電極２２及び第２の浸漬電極２６が絶縁性の板状の固定部材４４に水平方向から嵌め込み可能な構成を有している。第１の浸漬電極２２及び第２の浸漬電極２６は４角柱形状を有しており、第１の浸漬電極２２の貫通孔２４の断面も四角形となっている。第１の浸漬電極２２の上部（固定部材４４への嵌め込み位置）は、固定部材４４への嵌め込み方向に沿った長手方向とする直方体の一対の嵌め込み部２２ｃが配置されている。また、嵌め込み部２２ｃの外側の壁面には、嵌め込み部２２ｃと平行な方向に延びる溝部２２ｄが設けられている。また、第２の浸漬電極２６の上部には、固定部材４４に嵌め込まれる括れ部２６ｂが設けられ、括れ部２６ｂより下の部分が第２の浸漬電極２６の挿通部２８であり、括れ部２６ｂよりも上の部分が係留部２６ｃとなる。

一方、固定部材４４には、嵌め込み部２２ｃの外径に倣った形状を有し、嵌め込み部２２ｃをその長手方向の端部から嵌め込み可能な凹部４４ａと、凹部４４ａの外側の内壁において凹部４４ａに嵌め込まれた嵌め込み部２２ｃの溝部２２ｄに対向する位置に形成され、溝部２２ｄの外形に倣った形状の凸部４４ｂが形成されている。また、固定部材４４の中央には、括れ部２６ｂの長さと同じ厚みとなるように、固定部材４４の端部から所定の位置まで薄肉に形成した薄肉部４４ｃが形成されている。また、薄肉部４４ｃには、括れ部２６ｂの外径に倣った形状を有し、薄肉部４４ｃの端部から括れ部２６ｂを嵌め込むととともに所定の位置において括れ部２６ｂに当接する端部４４ｅを有するスリット４４ｄが形成されている。

第３変形例では、第２の浸漬電極２６（挿通部２８）を第１の浸漬電極２２の貫通孔２４内部に配置した状態で凹部４４ａ（凸部４４ｂ）と嵌め込み部２２ｃ（溝部２２ｄ）との嵌め込みと、スリット４４ｄと括れ部２６ｂとの嵌め込みを同時に行う態様で、第１の浸漬電極２２及び第２の浸漬電極２６を固定部材４４に水平方向から嵌め込むことができる。第３変形例では、第１の浸漬電極２２と第２の浸漬電極２６の位置関係が固定部材４４への嵌め込みにより定まるので、製造バラつきに起因した腐食電流のバラつきを抑制することができる。

なお、第１変形例、第２変形例では、第２の浸漬電極２６を、それぞれ固定部材４０，４２に捻じ込み、第３変形例では、第２の浸漬電極２６を固定部材に嵌め込む態様となっている。よって、第２の浸漬電極２６と、固定部材４０，４２，４４との接触部分の気密性が低くなっている場合、第１の浸漬電極２２及び第２の浸漬電極２６を流体に浸漬させた場合に、隙間３４中の空気が、当該接触部分を経由して漏出し、流体が隙間３４の上端まで到達するおそれがある。これを防ぐため、隙間３４を形成する内壁に撥水コーティングを施してもよい。

図１３（平面図）、図１４（図１３のＡ−Ａ線断面図）に示す第４変形例では、平板により第１の浸漬電極２２及び第２の浸漬電極２６を形成し、その主面同士を対向させている。第４実施例では、第２の浸漬電極２６を第１の浸漬電極２２よりも小さく設計し、第１の浸漬電極２２と第２の浸漬電極２６とを板状（若しくはシート状の）絶縁部材４６により挟み込み、第１の浸漬電極２２、第２の浸漬電極２６、絶縁部材４６を貫通する絶縁性ボルト４８と絶縁性のナット５０によりボルト締めした構成となっている。このとき、第１の浸漬電極２２と絶縁部材４６、第２の浸漬電極２６と絶縁部材４６との間で隙間腐食が発生し得るが、上述の理由により第２の浸漬電極２６の絶縁部材４６との隙間３４ａにおいて隙間腐食が支配的に進行する。

図１５に示す第５変形例は、第４変形例同様に平板状の第１の浸漬電極２２と第２の浸漬電極２６を用いるが、両者で絶縁部材５２を挟み込み絶縁部材５２に接着させるとともに、絶縁部材５２を流体に浸漬させない態様で用いるものである。すなわち、第１の浸漬電極２２及び第２の浸漬電極２６は、それぞれ上部を残して貯水槽１８の流体に浸漬され、絶縁部材５２は、その下端が少なくとも貯水槽１８の水面よりも上方に配置され、第１の浸漬電極２２の上部及び第２の浸漬電極２６の上部に接合している。このとき、第１の浸漬電極２２と第２の浸漬電極２６との間に隙間３４ができ、上述同様に第２の浸漬電極２６の隙間３４に対向する面において隙間腐食が支配的に進行する。なお、第４変形例、第５変形例において、第１の浸漬電極２２と第２の浸漬電極２６は、その主面を矩形の平板としてもよいが、円形の平板としてもよい。これにより、矩形の角における急激な腐食を回避できるので、腐食電流の誤差を抑制することができる。

図１６に示す第６変形例は、第１実施形態に類似するが、第２の浸漬電極２６の挿通部２８の先端が円錐形、または半球形に形成されている点で相違する。このような形態とすることにより、隙間３４の幅が挿通部２８の先端に行くほど大きくなるので、毛細管現象の効果は低減される。しかし、円錐の底の部分の側面のエッジが鈍角になるので、エッジにおける急速な腐食を低減することができる。さらに半球形とすることによりエッジが消滅するので、前述の急激な腐食をさらに低減することができる。なお、挿通部２８の直径が大きい場合は、図１７に示すように、挿通部２８の先端が平坦で、エッジの部分を面取りした形状となる。

図１８に、第２実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの模式図、図１９に、図１８の破線で囲った部分の断面図を示す。第２実施形態の隙間腐食モニタリングシステム１０Ａでは、第１の浸漬電極２２が、モニター対象となる配管１００であり、貫通孔２４が、配管１００の側壁に配置され配管１００に連通したフランジ１１０の（円形の）開口部１１２となっている。また、開口部１１２を封止するようにフランジ１１０に接続する絶縁性の蓋部１１４が設けられている。そして、（円柱形の）第２の浸漬電極２６が蓋部１１４に（絶縁性接着剤３２による接合により）取り付けられた状態で配管１００内部に配置されるとともに、開口部１１２の内壁と第２の浸漬電極２６との間で隙間３４を形成している。無抵抗電流計２０は、配線２０ａにより配管１００（第１の浸漬電極２２）と接続され、また蓋部１１４を貫通する被覆配線２０ｂにより第２の浸漬電極２６に接続されている。本実施形態においても、開口部１１２の内壁と第２の浸漬電極２６の側面により隙間３４が形成され、第２の浸漬電極２６の側面おいて隙間腐食が進行する。

第２実施形態によれば、第１の浸漬電極２２となる配管１００中を流れる流体に第２の浸漬電極２６を直接浸漬させるので、無抵抗電流計２０により測定される腐食電流を実モデルとなる配管１００系の隙間で生じる隙間腐食に伴う隙間電流に近似させることができ、隙間腐食のモニタリングを高精度に行うことができる。

図２０に、第２実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの変形例の図１８の破線で囲った部分の断面図を示す。第２実施形態の変形例に係る隙間腐食モニタリングシステムでは、図９に示す第１実施形態の第２変形例を第２実施形態に適用したものである。すなわち、固定部材４２が、フランジ１１０に螺合して開口部１１２を封止する蓋部１１６となっている。そして、第２の浸漬電極２６が蓋部１１６に螺合した状態で配管１００内部に配置されるとともに、開口部１１２の内壁と第２の浸漬電極２６との間で隙間３４を形成している。

この変形例の効果は第２実施形態と共通であるが、前述のように、実際の隙間腐食の腐食量を測定するために第２の浸漬電極２６を蓋部１１６とともに取り出して測定し、測定後再び蓋部１１６をフランジ１１０に螺合させて第２の浸漬電極２６を配管１００内部に配置することができる。よって、第１の浸漬電極２２となる配管１００と、第２の浸漬電極２６の位置関係が螺合により定まるので、第２の浸漬電極２６の配置位置のバラつきを抑制して腐食電流のバラつきを抑制することができる。

図２１に、第３実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの模式図を示す。第３実施形態の腐食隙間モニタリングシステムでは、貯水槽１８に標準電極が浸漬され、標準電極５４を基準とした第２の浸漬電極２６の電位を電位計５６で測定している。標準電極５４は流体に対して浸漬電位が不変となる材料により形成されている。本実施形態では、腐食電流を測定するときに無抵抗電流計２０が前述の相殺電圧を印加するが、当該相殺電圧を電位計５６で測定される電位により補正して腐食電流をより正確に測定することが可能となる。

図２２に、第４実施形態の隙間腐食モニタリングシステムの模式図を示す。第４実施形態の隙間腐食モニタリングシステムは、分岐配管１２が第１の浸漬電極２２になっており、分岐配管１２の先端の開口部を封止するように第２の浸漬電極２６が取り付けられている。本実施形態においても、第２の浸漬電極２６の挿通部２８が分岐配管１２（第１の浸漬電極２２）に挿通されているが、分岐配管１２と第２の浸漬電極２６は互いに絶縁している。また、図において、分岐配管１２には減圧弁１４が取り付けられているが、これは省略してもよい。

専門的な技術を必要とせず、隙間腐食を可視化し、短期間で予測するための隙間腐食センサ、及び隙間腐食モニタリングシステムとして利用できる。

１０………隙間腐食モニタリングシステム、１２………分岐配管、１４………減圧弁、１６………開閉バルブ、１８………貯水槽、２０………無抵抗電流計、２０ａ………配線、２０ｂ………被膜配線、２２………第１の浸漬電極、２２ａ………雌ネジ、２２ｂ………雄ネジ、２２ｃ………嵌め込み部、２２ｄ………溝部、２４………貫通孔、２６………第２の浸漬電極、２６ａ………雄ネジ、２６ｂ………括れ部、２６ｃ………係留部、２８………挿通部、３０………接合部、３２………絶縁性接着剤、３４………隙間、３４ａ………隙間、３６………開口部、３８………絶縁シート、４０………固定部材、４０ａ………雄ネジ、４０ｂ………雌ネジ、４２………固定部材、４２ａ………凹部、４２ｂ………雄ネジ、４２ｃ………雌ネジ、４４………固定部材、４４ａ………凹部、４４ｂ…かい部、４４ｃ………薄肉部、４４ｄ………スリット、４４ｅ………端部、４６………絶縁部材、４８………絶縁性ボルト、５０………ナット、５２………絶縁部材、５４………標準電極、５６………電位計、１００………配管、１０２………フランジ、１０４………パッキン、１０６………ボルト、１０８………ナット、１１０………フランジ、１１２………開口部、１１４………蓋部、１１６………蓋部。

Claims (11)

1. 第１の浸漬電極と、
   前記第１の浸漬電極との間で流体が入り込む隙間を形成するように配置された第２の浸漬電極と、
   前記第１の浸漬電極と前記第２の浸漬電極に接続された無抵抗電流計と、を有し、
   前記無抵抗電流計は、
   前記隙間において発生する隙間腐食に起因して前記第１の浸漬電極と前記第２の浸漬電極の間に発生する電位差を相殺する相殺電圧を前記第１の浸漬電極と前記第２の浸漬電極との間に印加するとともに、前記相殺電圧を印加時の電流値を測定し、
   前記第２の浸漬電極の浸漬面積は、
   前記第１の浸漬電極の浸漬面積よりも小さいことを特徴とする隙間腐食センサ。
2. 前記隙間は、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の隙間腐食センサ。
3. 前記第１の浸漬電極は、貫通孔を有する部材であり、
   前記第２の浸漬電極は、前記貫通孔に挿通される部材であり、その側面が前記貫通孔との間で前記隙間を形成していることを特徴とする請求項１または２に記載の隙間腐食センサ。
4. 前記第２の浸漬電極の側面には、絶縁部材が巻きつけられていることを特徴とする請求項３に記載の隙間腐食センサ。
5. 前記第１の浸漬電極及び前記第２の浸漬電極は、絶縁性の固定部材に螺合して一体となっていることを特徴とする請求項３または４に記載の隙間腐食センサ。
6. 前記第１の浸漬電極及び前記第２の浸漬電極は、絶縁性の固定部材に嵌め込まれて一体となっていることを特徴とする請求項３または４に記載の隙間腐食センサ。
7. 前記第１の浸漬電極及び前記第２の浸漬電極は、それぞれ平板形状を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の隙間腐食センサ。
8. 前記第１の浸漬電極と前記第２の浸漬電極との間には、絶縁部材が挟み込まれていることを特徴とする請求項７に記載の隙間腐食センサ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の隙間腐食センサを用いた隙間腐食モニタリングシステムであって、
   測定対象となる配管に取り付けられ、前記配管中を流れる流体を分岐させる分岐配管と、
   前記分岐配管から排出された前記流体を蓄える貯水槽と、を有し、
   前記第１の浸漬電極及び前記第２の浸漬電極に形成された前記隙間において、前記隙間の下端の開口部から前記隙間の高さ方向の途中位置までが前記貯水槽に蓄えた前記流体に浸漬していることを特徴とする隙間腐食モニタリングシステム。
10. 請求項３または４に記載の隙間腐食センサを用いた隙間腐食モニタリングシステムであって、
    前記第１の浸漬電極が、モニター対象となる配管であり、
    前記貫通孔が、前記配管の側壁に配置され前記配管に連通したフランジの開口部であり、
    前記貫通孔を封止するように前記フランジに接続する絶縁性の蓋部が設けられ、
    前記第２の浸漬電極が前記蓋部に取り付けられた状態で前記配管内部に配置されるとともに、前記開口部の内壁と前記第２の浸漬電極との間で前記隙間を形成していることを特徴とする隙間腐食モニタリングシステム。
11. 請求項５に記載の隙間腐食センサを用いた隙間腐食モニタリングシステムであって、
    前記第１の浸漬電極が、モニター対象となる配管であり、
    前記貫通孔が、前記配管の側壁に配置され前記配管に連通したフランジの開口部であり、
    前記固定部材が、前記フランジに螺合して前記開口部を封止する蓋部であり、
    前記第２の浸漬電極が前記蓋部に螺合した状態で前記配管内部に配置されるとともに、前記開口部の内壁と前記第２の浸漬電極との間で前記隙間を形成していることを特徴とする隙間腐食モニタリングシステム。

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