JP2000329725A - 水系内金属材料の局部腐食を推察する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】水と接触する熱交換器伝熱管や配管等における
金属が局部腐食によって貫通に至るトラブルが発生する
のを未然に防止するため、その発生時期と進行速度をプ
ラントの操業を停止すること無く、非破壊的に予測で
き、簡易かつリアルタイムに局部腐食を監視できる装置
を提供する。 【解決手段】水系から導いた水を流す水路を水平に設置
し、該水路内の下部と上部にそれぞれ金属電極を取り付
け、電極同志を結線して両電極間に流れる電流を検出す
ることができるようにした水系内の金属材料の局部腐食
を推察する装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、開放式循環水系、
密閉式循環水系、一過式冷却水系において、水と接触す
る配管や、熱交換器等の金属材料表面に発生する局部腐
食の程度を推察する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】開放式循環水系、密閉式循環水系、一過
式冷却水系等においては、該水系内の水と接触する金属
配管や熱交換器など金属材料に発生する腐食の管理は極
めて重要である。特に熱交換器を構成する鋼管の肉厚は
伝熱効率を上げるために薄くしてあり、そこで局部腐食
が発生するとすぐに孔があくという問題がある。このた
め、従来は定期的に運転を一旦停止して鋼管の一部を抜
管して金属材料の表面を検査し、腐食の状況を観察し、
局部腐食が見つかれば、その深さをマイクロゲージ等で
測定するなどの手法が採られてきた。

【０００３】しかし、この方法は、プラントの操業を中
断せねばならず、また、設備の破壊を伴う危険性がある
等の欠点があり、日常の運転の中で腐食、特に局部腐食
の進行具合を知る方法が望まれていた。

【０００４】プラントの操業を停止させないで腐食を推
察する方法には直線分極抵抗法、交流インピーダンス
法、電気抵抗法等があるが、これらの方法では全面腐食
と局部腐食の区別は困難であり、局部腐食だけとってそ
の発生あるいは進行状況を把握するには不十分であっ
た。

【０００５】局部腐食は、水中の懸濁物や微生物等に由
来する汚れなどが金属表面に堆積し、その堆積物と金属
表面との間の微小隙間に酸素の不足が生じ、堆積物の無
い近傍の健全部との間に溶存酸素の濃度差による局部電
池が形成されることに起因していると考えられている。
そこで局部腐食を推察する方法として、人工的に小孔を
作り、該小孔部に電極を設けアノードとし、一方、水に
直接接するところに同じ材質の電極を設けカソードと
し、両者の間に流れる電流量より局部腐食の深さを算出
する方法 [特開平２−３１０４５２号公報、特開平４−
２８８８８号公報、特開平４−６６８５９公報、特開平
５−１４２１４０公報] 、腐食反応の抵抗定数、腐食生
成物の抵抗定数を考慮にいれ金属材料と水系媒体との接
触により生じる電位差とに基づいて局部腐食を算出する
方法 [特開平５−２１５７０７号公報] 、水系中の水の
流れが早い場所と遅い場所にそれぞれ電極を浸漬して両
電極間に流れる電流値より局部腐食速度を測定する方法
[特開平６−２０１６３６号公報] 等が提案された。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、人工的に小孔
を作り、該小孔部に電極を設ける前者の方法は、小孔の
形が実際の局部腐食を作る隙間とその大きさ、形状など
異なっており、更に小孔が既に存在している時点からス
タートしているので、得られた測定値は現実の局部腐食
の発生、局部腐食の深さとは異なったものであり、相関
性に欠けるものであった。

【０００７】腐食反応の抵抗定数と腐食生成物の抵抗定
数を考慮して金属材料と水系媒体との接触により生じる
電位差とに基づいて局部腐食を算出する方法は、各パラ
メータが時間と共に変化するにも拘らず、これらのパラ
メータをリアルタイムに測定することは実質的に困難で
あるため、信頼性が低下するという問題があり、かつそ
の深さを算出する方法が非常に煩雑であった。

【０００８】また、流速の異なる２ヶ所にそれぞれ電極
を浸漬して両電極間に流れる電流値より局部腐食速度を
求める方法は、実際の熱交換基や配管で発生する局部腐
食はごく近傍での局部腐食電池形成に起因するものであ
り、流速変化は殆ど無視できる程度であることから、こ
の方法では実際の局部腐食を再現できないという問題点
があった。

【０００９】そこで本発明は、かかる従来技術の問題点
を解決し、水と接触する熱交換器伝熱管や、配管等にお
ける金属が局部腐食によって貫通に至るのを未然に防止
すべく、局部腐食の発生と進行速度を非破壊的に、簡易
に、かつリアルタイムに推察できる装置を提供するもの
である。

【００１０】

【課題を解決する手段】本発明者らは、懸濁物質や微生
物により汚れ易い部分と、その汚れ難い部分にそれぞれ
同材質の電極を設置し、汚れ易い部分に発生する腐食に
より両電極間に電流が流れることから、その電流変化を
追跡することで局部腐食の発生が推測できることを見出
し本発明に到達した。

【００１１】すなわち、本発明は水系から導いた水を流
す水路を水平に設置し、該水路内の下部と上部にそれぞ
れ金属電極を取り付け、電極同志を結線して両電極間に
流れる電流を検出することができるようにした水系内金
属材料の局部腐食を推察する装置である。

【００１２】

【発明の実施の形態】金属の局部腐食反応は、金属が溶
解する反応 (アノード反応) と水中の溶存酸素が還元さ
れる反応 (カソード反応) から成っている。本発明にお
ける水系内金属材料の局部腐食の推察装置は、水中の懸
濁物や、微生物等に由来する汚れ成分が金属表面に堆積
し、その堆積物と金属表面との間に溶存酸素の濃度差に
よる局部腐食が形成されることに基礎を置いている。即
ち、健全部では相対的に電位が上昇してカソード反応が
進行し、堆積物下部の金属表面では相対的に電位が低下
してアノード反応がそれぞれ進行して、堆積物下部の金
属が選択的に溶解するため局部腐食が発生することとな
る。

【００１３】本発明の装置は、熱交換器伝熱管の管内下
部に水中の懸濁物質、微生物汚れ等が堆積し、この部分
に局部腐食が多く見られることに着目し、管内下部の懸
濁物質、微生物汚れの起りやすい部分と、管内上部の汚
れが起り難くい部分にそれぞれ同材質の電極を設置し
て、両電極間に電流計を介して接続したとき、ここに電
流が検出されることにより局部腐食の発生を推定できる
とともに、電流積算値が鋼管に実際に発生した局部腐食
深さの実測値と高い相関があることに基礎を置いてい
る。

【００１４】本発明の装置は、対象とする水系からの水
を流す水路、該水路内部の下部と上部にそれぞれ対とな
る電極を一対以上設け、かつ各対の電極間に流れる電流
量を測定する電流計よりなっている。

【００１５】本発明装置の取り付け位置は水系の配管へ
直接接続することも可能であるが、装置の取り付け取り
外しに操業の停止を伴う他、メンテナンスを行う上で困
難を伴うので、対象とする水系の配管から分岐して接続
することが好ましい。

【００１６】水路は懸濁物質や微生物汚れが起きやすく
するため水平に設置するのが好ましいが、状況によって
は水平に対して３０度以内の傾きがあっても良い。水路
の構成材質は炭素鋼、鋳鉄、ステンレス鋼、銅合金、チ
タン、亜鉛、アルミニウム合金、ニッケル合金等の金属
材料、あるいはアクリル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポ
リスチレン等のプラスチックである。しかし、水路に金
属材料を用いる場合には、電極を取り付けるに際し該水
路材料とは絶縁材を介して電気的に絶縁させて取り付け
る必要がある。

【００１７】水路の直径は、０．５〜３ｃｍが好ましく
使用される。水路には対象とする水系の水を流すが、こ
の流速は、対象とする水系において局部腐食が発生しや
すい配管部位や熱交換器伝熱管部位と同じ程度が好まし
く、通常０．０５〜３．０ｍｌ／秒、好ましくは０．１
〜１．０ｍｌ／秒とする。これら水路の適性直径、及び
適正流速は、目的とする電極間の電位を測定するにあた
って、ノイズを少なく、且つ高い感度で得るために経験
的に得たものである。

【００１８】電極は、対をなす一方の電極を水路下部
に、もう一方の電極を水路上部に取り付ける。上部に設
置する電極と下部に設置する電極は近接して設置するこ
とが好ましく、通常は下部電極の真上に上部電極を設置
する。

【００１９】電極の材質は、対象とする実装置水系にお
いて局部腐食が発生し易い配管部位や熱交換器伝熱管部
位の材料と同一の材質が好ましく、炭素鋼、鋳鉄、ステ
ンレス鋼、銅合金、チタン、亜鉛、アルミニウム合金、
ニッケル合金等の金属が使用できる。また、金属表面に
電気メッキや無電解メッキ等の表面加工を施した金属材
料であっても良い。

【００２０】電極の形状は特に限定されないが、通常は
円柱形の電極を使用する。電極の水と接触する部分の表
面積は、好ましくは０．０１〜１０ｃｍ２、更に好まし
くは、０．１〜１ｃｍ２である。下部に設置する電極と
上部に設置する電極は、全く同じ面積である必要はない
が、ほぼ同じ程度とすることが好ましい。電極の表面積
がこの範囲より大きいと電極内での分極の影響が大きく
なり測定誤差となることがあり、またこの範囲より小さ
いと、電極表面上の付着物による反応抵抗の影響を受け
やすくなり、いずれも好ましくないことがある。

【００２１】電極間の距離は電極を水路の下部と上部に
取り付けることから、水路の管径によるが、通常０．５
〜３ｃｍとする。これより離れていると感度が鈍くな
り、かつノイズが多くなり好ましくないことがある。ま
たこれより接近していると流速のコントロールが困難で
あり、懸濁物質や微生物汚れが沈殿し難くなる。

【００２２】水路下部の金属電極と水路上部の金属電極
は、外部で電流計を介して結線し、両電極間に流れる電
流量を逐次検出するようにする。流れる電流量は、通常
数ｎＡから数μＡ程度であるため、１ｍＡ以下の電流量
が精度良く測定できる電流計を用いることが好ましく、
無抵抗電流計として市販されているものが使用できる。

【００２３】本発明の電極は、水路の上部と下部に設置
した２個の電極を１対として構成される。電極対の数は
特に限定されないが、局部腐食を推察する精度を高くす
るため、多い方が好ましいが、実用上は３対から５対で
ある。電流計は電極毎にそれぞれ設けても良いが、１個
の電流計でそれぞれの電極対を切り替えて使用するのが
便利である。

【００２４】本発明では、一方の電極に腐食が発生する
と他方の電極との間に電位差が生じ電流が流れ、この電
流を電流計により検出するものである。従って、電流が
検出された時点で局部腐食の発生があると推察され、さ
らには検出され始めてから測定終了時までに流れた電流
量から、局部腐食の進行状況を推察することができる。

【００２５】測定は、電極を設置した後一定の間隔で電
流値を測定し、測定間隔を考慮して試験期間中の電流量
の積分値を求めることにより達成される。電極間を流れ
た電流の積算値は、アノード反応により溶解した金属の
重量とはファラデーの法則により比例関係にあるから、
一定期間における電流積算値と、その時の対象とした水
系に発生した局部腐食の深さの相関関係を予め求めてお
くことにより、電流積算値から局部腐食深さの進行状況
を推察することができる。

【００２６】電流積算値は、電流測定値と測定間隔より
次式から求めることができる。 式（Ｉ） 電流積分値 （ｍＡ・秒) ＝ Σ{電流値(ｍＡ)×測定間
隔（秒）}

【００２７】電流値の測定間隔は特に限定されないが、
通常１分〜１２０分の間に1回、好ましくは３０分〜６
０分に１回の頻度である。測定間隔が短いと微小な電流
変化を追従することが可能であり、局部腐食を助長する
環境の変化に対し、迅速な対応を講じることができ、ま
た局部腐食の推定精度が高くなるが、データの数が膨大
になるという問題がある。反対に測定間隔が長すぎると
データの数は減少するが、推定精度が低下するという問
題がある。

【００２８】

【実施例】以下に本発明を具体的に説明するが、本発明
はこれらの実施例に限定されるものではない。

【００２９】以下に図面を参照して本発明について更に
詳細に説明する。図1に本発明の局部腐食を推察する装
置で電極を３対用いた例を示した。対象とする水系から
の水を流す水路 [３]の管内に、管内上部の管表面上に
３個の電極 [１ａ]、[１ｂ]、[１ｃ] を設置し、また、
管内下部で上部にあるそれぞれの電極の真下の位置に３
個の電極 [２ａ]、[２ｂ]、[２ｃ]を設置し、１ａと２
ａ、１ｂと２ｂ、１ｃと２ｃの電極間をそれぞれ個別に
リード線 [４] で接続して電極間に流れる電流を無抵抗
電流計 [５] でそれぞれ検出できるようにした。無抵抗
電流計 [５] は、１ａと２ａ、１ｂと２ｂ、１ｃと２ｃ
の電極間に流れる電流をそれぞれ切り替えにより測定で
きるようにした。

【００３０】図１に示した装置を用いて測定を行う態様
の例を図２に示した。まず、局部腐食を監視する装置
は、水路 [３] は１５ｍｍの内径を有する長さ３０ｃｍ
の透明なアクリル製樹脂の円筒を用い、円筒に対して垂
直方向に電極を３対〔１ａと２ａ、１ｂと２ｂ、１ｃと
２ｃ〕貫通させ、アクリル樹脂と電極との隙間をエポキ
シ樹脂により被覆した。

【００３１】電極の水と接触する部分の面積は、各々１
ｃｍ２とした。電流計（北斗電工製無抵抗電流計「ＨＭ
−１０３型」）は共通で切り替え使用とし、それぞれの
電極をリード線で結線して各電極間を流れる電流を１０
分間隔で測定してその値をＧｒａｎｔ社製「データ記録
装置・モデル１００１」に自動的に記録した。

【００３２】また、別途内径１５ｍｍ、外径２２ｍｍ、
長さ５００ｍｍの炭素鋼鋼管 [９]２本を監視装置の水
路 [３] と直列に接続した。水路内に試験水槽 [６]
（容量：１０Ｌ）から、循環ポンプ [７] を用いて送液
し、流量計 [８] の値が０．１ｍ／秒になるようにバル
ブ [９] で流量を調整し、３０日間、室温で通水した。
なお、試験には表１に示した２種の水質の試験水を用
い、試験期間中試験液の水質を一定に保つため、1日に
１．５Ｌの割合で試験液を入れ替えた。

【００３３】

【表１】

【００３４】図３に試験水−１、及び試験水−２を用い
て実施した場合の測定電流値の経日変化を示した。な
お、電流値は３対の電極の平均値をとり、各時点での値
とした。

【００３５】試験水−１では試験開始後、すぐに電流が
流れ始めたのに対し、試験水−２では試験開始１０日間
はほとんど電流が流れていないが、それ以後徐々に電流
が流れ始めた。

【００３６】電極の腐食状態は、水路材料に透明なアク
リル管を用いることで外部から目視観察でき、いずれの
試験においても電流が検出されるのに伴い、下部電極の
表面に腐食が発生していることが確認できた。

【００３７】試験終了後、データ記録装置に蓄積された
データを取り出し、式(Ｉ)により、電流積分値を求め
た。

【００３８】一方、監視装置と直列に連結しておいた炭
素鋼管を縦割りし、該鋼管表面に発生した孔食の深さを
マイクロゲージにより測定した。

【００３９】同様にして異なった６種の試験水を用い試
験を行い、それぞれの電流積分値と炭素鋼管に発生した
局部腐食の最大深さを表２、図４に示した。図４より、
試験期間内に金属電極間を通過した電気量と監視装置と
直列に接続した炭素鋼管に発生した局部腐食の最大深さ
との間には相関関係が認められ、電流積分値と局部腐食
深さとの関係式は次式 (ＩＩ)により近似することがで
きた。

【００４０】式（ＩＩ） 局部深さ ｙ(ｍｍ)＝０．０８３９Ｌｎ(電流積分値)−
０．２５３５

【００４１】

【表２】

【００４２】

【実施例２】実施例１に用いた局部腐食を監視する装置
に、実冷却水塔からの循環水を流して試験を行った。

【００４３】循環水量が約４０００トン／時の冷却水系
において熱交へ冷却水を送る配管から分岐させ、局部腐
食を推察する装置に連続的に３０日間通水した。なお、
通水した水の流速は０．１メートル／秒になる様にバル
ブで調節した。また、内径１５ｍｍ、外径２２ｍｍ、長
さ５００ｍｍの炭素鋼鋼管を本装置と直列に連結した。
金属電極間に流れた電流値を１０分間隔で、実施例１と
同様にＧｒａｎｔ社製「データ記録装置・モデル１００
１」に自動的に記録した。試験後、記録された電流値を
基に、式（Ｉ）により電流積分値を求め、さらに式（Ｉ
Ｉ）により局部深さを求めた。

【００４４】一方、実施例１と同様に該装置と直列に連
結した鋼管内面に発生した局部腐食深さをマイクロゲー
ジにより測定した。

【００４５】同様の方法で３０日間の試験を合計３回行
い、それぞれの推定局部深さと、本装置と直列して連結
させてあった炭素鋼鋼管の内面に発生した局部腐食深さ
を求めた。

【００４６】この結果を表３に示した。この結果より、
本発明による局部腐食を推察する装置、およびその計算
式により、極めて高い精度で局部腐食の発生、および腐
食深さを推定することができることがわかる。

【００４７】

【表３】

【発明の効果】本発明の局部腐食のモニタリング方法に
よれば、簡易な測定手段により水と接触する金属材料の
局部腐食の発生時期と局部腐食の進行状況を非破壊かつ
瞬時に把握することができるため、プラントの操業を停
止すること無く局部腐食による侵食深さを正確に推定す
ることが可能になる。従って、腐食の発生状況を検知
し、早急に適切な対策を講じることにより、金属材料の
腐食損傷を最小限に押さえ、プラントの安全かつ安定な
操業をならびに構造材料の寿命延長を図ることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明における局部腐食を推察する装置。

【図２】 本発明実施例１における局部腐食を推察する
装置を取り付けた試験装置。

【図３】 本発明の実施例１における局部腐食の監視装
置で測定された電流値の経日変化。

【図４】本発明の実施例１における局部腐食の監視装置
で測定により計算された電気量と、炭素鋼管の局部腐食
深さの関係。

【符号の説明】

[ 図１中 ] １ａ、１ｂ、１ｃ 上部設置電極 ２ａ、２ｂ、２ｃ 下部設置電極 ３ 水路 ４ リード線 ５ 無抵抗電流計 [ 図２中 ] ６ 電極部 ７ 試験水槽 ８ 循環ポンプ ９ 流量計 １０ バルブ １１ 炭素鋼鋼管

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水系から導いた水を流す水路を水平に設
   置し、該水路内の下部と上部にそれぞれ金属電極を取り
   付け、電極同志を結線して両電極間に流れる電流を検出
   することができるようにした水系内金属材料の局部腐食
   を推察する装置。