JP2010203824A

JP2010203824A - 鋼製構造物のさび検知方法および検知装置

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Publication number: JP2010203824A
Application number: JP2009047650A
Authority: JP
Inventors: Kenji Somiya; 賢治宗宮; Hisao Kitagawa; 尚男北川
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-02
Also published as: JP5146360B2

Abstract

【課題】土壌やコンクリートなどにより埋設された状態にある鋼製構造物において、環境に露出した鋼表面におけるさびの有無を検知する方法および装置を提供する。
【解決手段】対象となる鋼に対して波形パターンの異なる複数の規格化した方形波型カソード電流を通電し、それぞれのパターンの通電に対する鋼の表面電位の経時的挙動によりさびを検知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、土壌およびコンクリート埋設状態にある鋼製構造物において、鋼表面におけるさびを検知する方法および装置に関するものである。

土壌やコンクリート埋設状態にある鋼製構造物は、晒された環境における鋼材の腐食を長期防止する目的のため、ポリエチレンなどの有機ライニングや塗装などの表面処理や電気防食などの防食施工が多くなされている。

しかしながら、有機ライニングや塗装は、ガス導管や水道管などの土壌埋設管の場合、周辺における別用途の工事などに起因する損傷によって防食表面が傷つけられたり、一部が剥離し、鋼が環境に晒されたりと本来の防食性能を失うことがある。

腐食やさびは、このような形で何らかの理由により鋼の表面が環境に露出した箇所に発生するのである。

従来、これらのような埋設状態にある鋼製構造物の腐食は、アクセス上の制約が障害となるため容易に検査することができず、その結果、このような制約の下、異常個所の位置を絞り込み、人による掘削調査を実施していた。

異常個所の位置を把握するために活用されている検査技術として、例えば、異常部による電界の局地的なゆがみを利用した方法（特許文献１および特許文献２）や磁界のゆがみを利用した方法（特許文献３）がある。

これらの技術を活用すれば、土壌やコンクリート埋設状態にある鋼製構造物の異常個所を非掘削である程度同定することが可能である。

しかしながら、異常個所の位置を非掘削である程度同定することができたとしても、限定的な位置の調査とはいえ、掘削調査を行う場合、掘削コストが高いため、頻繁に実施することは困難である。そのため、掘削する前に異常個所において腐食が起こっているリスクを評価し、掘削調査の必要性を判断したり、優先順位を決定したりすることが必要となるが、上記した異常個所を特定する検査方法ではこれらの異常個所における腐食の状態を把握することができない。

また、腐食を検知する技術として、
（ａ）異種金属接触による電位差を利用した方法（特許文献４）
（ｂ）電気抵抗法（特許文献５）
（ｃ）埋設される土壌の抵抗より腐食を推定する方法（特許文献６）
がある。

しかしながら、（ａ）および（ｂ）については、構造物を埋設する段階で構造物とは異なる金属や抵抗を計測するワイヤーなどを同時に埋める必要があり、既設構造物への適用に難点があるほか、欠陥位置そのものに腐食があるかどうかを判断することはできない。

（ｃ）については、あくまでも環境におけるリスクを評価するものであり、腐食そのものを判断するものではない。

さらに、最近では埋設導管においてピグ検査が実用化されている。この検査方法によれば、超音波や漏洩磁束ピグを導管内部に流体と一緒に流し、管内面から内径および残肉厚を計測することが可能である。

しかしながら、それらを施工するためにはピグランチャーを装備する必要があり、既設でランチャーがないような対象物には適用することができないほか、減肉という異常を検知することができても、それが腐食によるものかどうかを判断することはできない。

一方、埋設鋼製構造物に施工されている電気防食は、鋼製構造物の対地電位を計測することにより管理されているケースがほとんどである。

しかしながら、この管理方法は、構造物全体の平均値管理であり、異常個所における状態を鋭敏に反映した管理にはなっておらず、ケースによっては異常個所において、腐食が発生する状態になっていたとしても平均として正常であるという誤った管理をしてしまうリスクがある。そのため、欠陥という限定的な箇所における腐食の有無を推定できる検知技術が求められている。

特開平６−２８８９５８号公報特開２００１−１９１５６号公報特開２００１−２５５３０４号公報特開昭５６−１８７４４号公報特開昭５０−１０６９５号公報特開昭５８−３７３９８号公報

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、埋設環境にある鋼製構造物の異常個所における腐食（さび）の有無を非掘削状態でリモート箇所（土壌埋設の場合、地上）において検知することを課題とする。

本発明者らは、埋設状態にある鋼製構造物のさびを検知するために、まず、鋼の表面状態により変化する表面電位に着目した。鋼の表面電位は電極を利用し、環境が導電性物質であれば、対象表面より距離をおいた場合でも計測が可能であり、表面のさびの有無により変化することが知られている。腐食の結果として形成したさびを検知することにより腐食を検知することが可能となる。

表面電位として、自然電位がもっとも計測しやすいが、鋼およびその表面に形成したさびが安定な物質状態であれば、自然電位は一義的に決定される。そのため、さびの有無を検知に利用する場合は、その電位の絶対値（大きさ）を比較してさびの有無を判断する必要がある。

しかしながら、実際の現場において自然電位を計測しても、ノイズが大きいため、電位の絶対値は大きく変動し、さびの有無を単純に大きさで判断することは困難であるという問題がある。

上記問題を解決するために、本発明者らはさびの表面電位（自然電位）の挙動を誠意研究する過程において、さびが存在する鋼表面に外部から所定の電流（例えば、方形波型に規格化したカソード電流）を印加することにより、表面に形成されたさびの物質を強制的に変化（還元）させることができ、その結果、鋼表面との表面電位（自然電位）が複数の電流パターン条件において、いずれの条件でも共通した特徴を有して変化することを見出した。

本発明は、このことを利用し、鋼の表面にこの強制的な変化（還元）が起こるように印加電流（例えば、規格化した方形波型のカソード電流）を通電し、その際に生じる鋼の表面電位（自然電位）の経時的な変化挙動や変化量を定量的に評価することによってさびを検知するものである。さびが有る場合には、印加するパターンを変化させても表面電位（自然電位）は一様な挙動を示し、その変化量も大きいのに対し、さびが無い場合には、挙動に共通性がないほか、変化量も小さいという特徴を利用して検知することが可能であることを見出した。

すなわち、本発明は、上記の発想に基づくものであり、具体的には以下の構成を備えている。

（１）鋼表面に波形パターンの異なる複数の印加電流を通電し、非掘削状態でリモート個所に設置した電極を用いて前記印加電流によって生じた表面電位を計測し、表面電位の変化方向と変化量に基づいてさびの有無を判断することを特徴とする鋼製構造物のさび検知方法。

（２）前記印加電流が、方形波型に規格化されたカソード電流であることを特徴とする前記（１）に記載の鋼製構造物のさび検知方法。

（３）鋼表面に波形パターンの異なる複数の印加電流を通電する印加電流通電手段と、非掘削状態でリモート個所に設置した電極を用いて前記印加電流によって生じた表面電位を計測する表面電位計測手段と、該表面電位計測手段が計測した表面電位の変化方向と変化量に基づいてさびの有無を判断するさび有無判断手段とを備えていることを特徴とする鋼製構造物のさび検知装置。

（４）前記印加電流が、方形波型に規格化されたカソード電流であることを特徴とする前記（３）に記載の鋼製構造物のさび検知装置。

本発明によれば、土壌およびコンクリート埋設状態にある鋼製構造物において、非掘削状態でリモート箇所において鋼表面のさびを検知することが可能となる。

現場での適用イメージを示す図である。方形波型カソード電流の印加パターンを示す模式図である。方形波型カソード電流を印加した場合の表面電位の挙動を示す図である。検知ステップフローを示す図である。実施例における試験装置を示す図である。実施例における試験電極を示す図である。さび有り電極における表面電位の各特徴点の経時変化を示す図である。さび無し電極における表面電位の各特徴点の経時変化を示す図である。さび有り電極における表面電位の各特徴点の２４時間変化量を示す図である。さび無し電極における表面電位の各特徴点の２４時間変化量を示す図である。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。

図１に、本発明における現場での適用イメージを示す。

ファンクションジェネレータ３およびガルバノスタット４から構成される電流印加装置から印加電極５を通して、規格化した電流を鋼製構造物１の表面に存在する欠陥２に通電し、地上より参照電極６および電位計７を用いて鋼製構造物１の表面電位（自然電位）を経時的に計測する。なお、ファンクションジェネレータ３は種々の形状の出力信号波形を発生させるための装置であり、ガルバノスタット４は作用電極に流れる電流を定量的に制御するための装置である。

印加電極５として、白金、銅などの金属電極のほか、カーボン電極を用いることも可能である。参照電極６として、金属電極を用いることができるが、計測時間が長くなれば参照電極自身の腐食により計測結果に誤差が生じる可能性があるため、銅／硫酸銅電極や銀／塩化銀電極などの安定した電極を用いることが好ましい。

なお、図１中に図示はしていないが、参照電極６および電位計７を用いて計測した表面電位について、その変化方向と変化量に基づいてさびの有無を判断する演算処理装置が設置されている。

図２に、方形波型カソード電流の印加パターンを模式的に示した。印加パターン（印加時間および印加サイクル時間）が異なる２種類以上の電流を用いることにより、より精度の高い検知ができるようになる。

また、土壌埋設導管の場合、検知する際に迷走電流の影響を受ける可能性がある。迷走電流は、主に商業周波数である５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの電流であるため、その周波数に近い電流よりも、より低周波数あるいはより高周波数の電流を用いて、それぞれにローパスフィルターやハイパスフィルターでノイズ除去を行って計測すれば精度を向上させることができる。

表面電位（自然電位）の挙動は、それぞれの波形パターンに対応して図３のような方形波が崩れた形で計測される。この崩れた形の特徴として、図３に示したように、カソード電流印加直後（Ａ点）、カソード電流印加停止直前（Ｂ点）、カソード電流印加停止直後（Ｃ点）、カソード電流印加直前（Ｄ点）の４つの特徴点が存在する。各特徴点における電位の経時変化を計測し、その変化する方向および量に基づいてさびの有無を判断する。すべての波形パターンに対して、すべての特徴点における表面電位が卑方向に一様に変化し、かつ、計測時間中に２００ｍＶを超えるような大きな変化量が確認された場合に、対象となる鋼の表面にさびがある可能性が高いものと判断する。判断に用いる変化量については、カソード電流の印加時間が長く、低周波数ほど大きくなる傾向があるため、それらを考慮した印加電流のパターンを用いることにより判断の精度を上げることが可能となる。さらに計測する時間については、可能な限り長時間が好ましいが、現地計測においてはノイズの少ない午前零時から６時を目安に間欠的に計測することにより精度が上がる。

図４に、さび検知のステップフローを示した。

まず、周波数の異なる複数の方形波型カソード電流を選定する。ここでは、例として、０．０１Ｈｚ、１Ｈｚ、１０Ｈｚの３種類の周波数を選定する。

次に、それぞれのパターンを有する周波数を印加した場合の鋼の表面電位の挙動を地上より参照電極を用いて経時的に計測する。なお、計測に当たり、低周波数側よりも高周波数側から計測することが好ましく、これは低周波数であれば印加時間が長く、その結果、表面電位の変化量が大きくなり、微小なさびを検知することが困難となるためである。

このようにして計測した表面電位の２４時間における変化方向および変化量を評価し、すべての周波数に対して変化方向が卑にシフトし、かつ、変化量が２００ｍＶを超えた場合にさび有りと判断し、それ以外はさび無しと判断するのである。

図５に、本実施例に用いた試験装置を示した。

実環境において２０年間以上土壌に埋設された炭素鋼管を掘り出し、表面にさびの有る鋼とさびの無い鋼を切り出し、図６に示したような構成の試験電極８に加工した。それぞれの電極を別々のアクリル容器に入れ、これを土壌（抵抗率：１０００Ω・ｃｍ）中に埋設し、ファンクションジェネレータ３とガルバノスタット４から方形波型のカソード電流を通電し、それぞれの電極における表面電位の挙動を参照電極６と電位差計７により２４時間連続計測し、さびの有無による変化を調査した。

表１に、方形波型カソード電流の印加パターン条件を示す。なお、印加電極５として白金、参照電極６として銀／塩化銀電極を用いた。

図７に、周波数０．０１Ｈｚの電流印加パターンである条件１〜条件３において、試験電極８としてさび有り電極を用いた場合の各特徴点（図３参照）における表面電位の経時変化を示した。図７の横軸は計測時間［Ｈｒ］を、縦軸は表面電位［Ｖｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ］を表し、条件１を○印、条件２を△印、条件３を□印で示した。

図７より、すべての特徴点の条件１〜条件３において、印加開始初期に比較して２４時間後は表面電位が卑な方向に一様にシフトする傾向が見られた。この傾向は、周波数が１Ｈｚおよび１０Ｈｚの電流印加パターンである条件４〜条件９においても同様であった。

図８に、周波数０．０１Ｈｚの電流印加パターンである条件１〜条件３において、試験電極８としてさび無し電極を用いた場合の各特徴点における表面電位の経時変化を示した。図８の横軸は計測時間［Ｈｒ］を、縦軸は表面電位［Ｖｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ］を表し、条件１を○印、条件２を△印、条件３を□印で示した。

図８より、それぞれの特徴点の条件１〜条件３において、さび有り電極で見られたような共通した一様な挙動は見られなかった。この傾向は、周波数が１Ｈｚおよび１０Ｈｚの電流印加パターンである条件４〜条件９においても同様であった。

２４時間での表面電位の変化量（＝２４時間後の電位−印加開始時の電位）について、さび有り電極の場合を図９に、さび無し電極の場合を図１０にそれぞれ示した。なお、図中の横軸は時間率θ（＝印加時間／（印加時間＋無印加時間））を、縦軸は２４時間の表面電位変化量［Ｖ］を表している。

図９および図１０より、さび有り電極の場合、すべての特徴点において２００ｍＶを越える大きな変化量が示したのに対し、さび無し電極の場合、ほとんどが１００ｍＶに満たない変化量であることがわかった。

以上の結果より、鋼の表面にさびの有る場合と無い場合とでは、方形波型のカソード電流を印加した際に見られる表面電位の変化挙動が明らかに異なり、さびの有る場合は、すべての電流印加条件において表面電位が経時的に一様に卑な方向にシフトし、その変化量も大きいのに対し、さびの無い場合は、表面電位の変化に一様な方向性がなく、変化量も小さいという特徴があることがわかった。この特徴を利用して対象よりも離れた箇所に設置した参照電極を用いて、表面電位の応答変化を計測することにより埋設環境にある鋼上のさびの有無を判断することが可能であった。

１ …鋼製構造物
２ …欠陥
３ …ファンクションジェネレータ
４ …ガルバノスタット
５ …印加電極
６ …参照電極
７ …電位差計
８ …試験電極
１０…導線
１１…ガラス管
１２…エポキシ樹脂
１３…鋼
１４…さび

Claims

鋼表面に波形パターンの異なる複数の印加電流を通電し、非掘削状態でリモート個所に設置した電極を用いて前記印加電流によって生じた表面電位を計測し、表面電位の変化方向と変化量に基づいてさびの有無を判断することを特徴とする鋼製構造物のさび検知方法。
前記印加電流が、方形波型に規格化されたカソード電流であることを特徴とする請求項１に記載の鋼製構造物のさび検知方法。
鋼表面に波形パターンの異なる複数の印加電流を通電する印加電流通電手段と、非掘削状態でリモート個所に設置した電極を用いて前記印加電流によって生じた表面電位を計測する表面電位計測手段と、該表面電位計測手段が計測した表面電位の変化方向と変化量に基づいてさびの有無を判断するさび有無判断手段とを備えていることを特徴とする鋼製構造物のさび検知装置。
前記印加電流が、方形波型に規格化されたカソード電流であることを特徴とする請求項３に記載の鋼製構造物のさび検知装置。