JP5014247B2 - 電位測定電極及び電位測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気防食が施され埋設される鋼製の防食電位を測定する電位測定電極及び電位測定方法に関する。

地中に埋設される鋼製のパイプラインなどの構造物は、その構造物に腐食などが発生しないように、防食被覆が施されるだけでなく、電気防食が施されることが多い。例えばパイプラインが地中に埋設される場合、パイプラインを陰極として外部から直流電流を通じて、パイプラインの電位を、鋼材が腐食しない不活性域になるように負側（卑側）にシフトさせるようにする。この方法を「電気防食」といい、鋼材が腐食しない電位又は事実上腐食が無視できるときの電位を「防食電位」という。

このような電気防食の施されている地下埋設された鋼製のパイプラインなどの維持管理においては、パイプラインの対地電位をモニタすることが重要である。つまり、この対地電位が防食電位に達していない場合、パイプラインに腐食が発生する可能性があるため、対地電位を測定することで、パイプラインの維持管理が行われている。

より具体的には、鋼製のパイプラインに所定の間隔で設けられた電位測定用のターミナルケーブルを利用し、そのターミナルケーブルが埋設された地点の土壌中に、例えば、飽和硫酸銅電極などの「照合電極」を設置する。そして、この照合電極を基準とした土壌に対するパイプラインの電位を測定し、測定電位が防食電位より負側（卑側）であることを確認する作業が行われている。この際、「プローブ（模擬疵）」と呼ばれるパイプラインと同じ材質（例えば鋼材）の部材をパイプラインと電気的に接続し、かつ、土壌と接触させ、このプローブをパイプラインに発生した模擬的な損傷とみなし、そこに流入する防食電流や鋼材表面の電位を管理する手法が採られることが多い。この手法によれば、埋設鋼構造物（例えば地中に埋設された鋼材）の電気防食状態判断基準として、プローブ近傍の電位を照合電極で測定し、プローブの接触表面が完全防食領域に到達しているか否かを確認することができる。この手法は、有効性が確認されており、特許文献１又は特許文献２に示されるように、直流だけでなく交流で管理する手法も提案されている。

ここで電気防食が十分に作用しているか否かの確認は、防食対象（例えば鋼材）表面の分極度合いを測定することが有効で、例えば、プローブに防食電流を通じているときの対地プローブ電位（以下「オン電位」ともいう。）、防食電流を遮断したときの対地プローブ電位（以下「オフ電位」ともいう。）、及びプローブに流入する電流の密度（以下電流を「プローブ電流」、その密度を「プローブ電流密度」ともいう。）などを測定して、分極状態の評価指標として使用している。

特開平１０−３３２６２２号公報 特開２００４−８０８４２号公報

一方、例えば河川や道路などを横断する鋼製のパイプラインの施工では、安全面や社会経済活動への影響を考慮したり、橋梁にパイプラインを添架するか又は開削する作業は難しいことなどの理由により、推進工法を使用した二重管工法が採用されることが多い。河川や道路の両側に設けた立坑の一方の立坑の中から推進工法により、本管より径が大きい「ケーシング（鞘管）」（例えば、鋼管、ヒューム管など）を他方の立坑まで貫通させた後、その中に本管（パイプライン）を引き込み、ケーシングと本管との隙間には例えば砂やモルタルなどを充填する。そして、このケーシング内でも、本管に電気防食が作用するように施工が行われることが多い。

このように施工されたケーシング内のパイプライン部分では、竣工以降、メンテナンスが殆ど不可能に近くなる。そこで、防食電位をモニタするために、上述の手法が採用されることが多い。つまり、維持管理の方法として、ケーシングと本管の隙間部分に、照合電極やプローブを単独あるいは組み合わせて配置される。そして、供用時にはこれらを使用し、オン電位、オフ電位及びプローブ電流や電流密度などを測定して、電気防食効果を監視することが一般的である。

しかしながら、推進部の防食電流や電位分布は、ケーシングの干渉やケーシングと本管
の隙間部分が極めて狭隘であることから、開削して埋設した一般埋設部とは大いに相違するものと考えられている。また、一般的には、ケーシング（ケーシング２２）と本管（パイプライン１２）との隙間部分には照合電極（照合電極５）とプローブ（プローブ３）が接近して配置されている（図７参照。）が、物理的に制約されるため、特に、管対地オン電位については正確な情報が得られ難いと考えられている。そこで、パイプラインに沿って、工区中央部を含む複数箇所に照合電極とプローブとの対が配置され、各位置での電位が測定されている。しかしながら、実際には防食電位を測定できているのか否かすら不明であることも多い。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、二重管構造などを有する防食対象を含めて、電気防食が施されて埋設された鋼製の防食対象の防食電位をより正確に測定することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電気防食が施されて埋設された鋼製の防食対象の電位を測定する電位測定電極であって、導電性材料を用いて形成され、中心部に穿設された孔と、上記防食対象及び電圧計の少なくとも一方に電気的に接続される１又は２以上の端子と、を有し、上記防食対象が埋設された埋設環境と接触するプローブと、上記プローブと絶縁し、上記プローブの孔を介して上記埋設環境に面するように配置され、上記電圧計に電気的に接続される端子を有する照合電極と、を有し、上記電圧計により、上記埋設環境を介した上記プローブと上記照合電極との間の電位を測定可能であることを特徴とする、電位測定電極が提供される。

また、上記プローブは、上記孔が形成されたリング状のプローブ面で上記埋設環境と接触し、上記照合電極は、上記プローブ面よりも埋設して配置されてもよい。

また、上記照合電極の中心軸は、上記プローブの孔の中心軸と一致してもよい。

また、上記照合電極は、上記プローブの孔の中心軸上の部位が、他の部位よりも、上記埋設環境に面した方向に突出した形状を有してもよい。

また、上記プローブは、円形又は正多角形のリング状に形成され、上記照合電極は、上記照合電極の上記埋設環境に面した部位の外周と、上記プローブのプローブ面におけるリング内面との間隔が一定となるような形状を有してもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、電気防食が施されて埋設された鋼製の防食対象の電位を測定する電位測定方法であって、導電性材料を用いて形成され、中心部に形成された孔と、上記防食対象及び電圧計の少なくとも一方に電気的に接続される１又は２以上の端子と、を有し、上記防食対象が埋設された埋設環境と接触するプローブと、上記プローブと絶縁し、上記プローブの孔を介して上記埋設環境に面するように配置され、上記電圧計に電気的に接続される端子を有する照合電極と、を有する電位測定電極を、上記測定対象近傍の上記埋設環境に埋設し、上記電圧計により、上記埋設環境を介した上記プローブと上記照合電極との間の電位を測定することを特徴とする、電位測定方法が提供される。

また、上記防食対象の少なくとも一部は、導電性のケーシングに覆われ、かつ、上記防食対象と上記ケーシングとの間には、防食電流が流れる充填材が充填されており、上記電位測定電極を、上記防食対象と上記ケーシングとの間の上記充填材中に配置してもよい。

また、上記防食対象を覆うケーシングの端部から、上記防食対象と上記ケーシングとの間の間隔に応じた距離以上、上記防食対象と上記ケーシングとの間に入り込んだ位置に、上記電位測定電極を配置してもよい。

また、上記防食対象と上記ケーシングとの間の間隔をＤとした場合、上記防食対象を取囲む上記ケーシングの端部からＤ／ｔａｎ３０°以上、上記防食対象と上記ケーシングとの間に入り込んだ位置に、上記電位測定電極を配置してもよい。

また、上記電位測定電極を、上記ケーシングの端部のそれぞれに配置してもよい。

以上説明したように本発明によれば、二重管構造などを有する防食対象を含めて、電気防食が施されて埋設された防食対象の防食電位をより正確に測定ができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本発明の各実施形態に係る電位測定電極等について説明する前に、本発明を完成するに当たり、本発明の発明者が電気防食について鋭意研究を行った結果明らかにした問題点などについて説明する。なお、以下では説明の便宜上、本発明の各実施形態に係る電位測定電極が電位を測定する対象（つまり防食対象）が、鋼製のパイプラインである場合について説明する。しかし、この電位を測定可能な防食対象は、パイプラインに限られるものではなく、本発明の各実施形態に係る電位測定電極等は、電気防食が施された防食対象であれば、様々な防食対象に適用可能である。

通常のパイプライン運用時における分極状態の調査は、電気防食電源が運用されている状況での調査となり、測定電位はオン電位のみである。しかし、確実に防食状態を確認するには、防食電流を遮断した状態のオフ電位を確認することが有効である。そこで、防食状態を確認するために、定期的にパイプラインの維持管理項目として防食電流のオン・オフ時の電位を測定する作業が行われている。

通常、埋設パイプラインの埋設環境は、近傍に何も導電性の大きな異物がない均一な土壌で満たされる。従って、図６に示すように、照合電極とプローブとの間の土壌が有する電気抵抗による電圧降下に起因する誤差（これを「ＩＲドロップ」ともいう。）は、土壌抵抗の大きさにもよるがプローブと照合電極とを接近させれば問題とならないレベルにある（図６参照。）。つまり、防食電流による等電位面は、損傷部ｄ（またはプローブ）を中止とした略球状に形成される。したがって、プローブと照合電極とをパイプライン１２の近傍に配置し、両者を近接させることで、ほとんどＩＲドロップがないオフ電位とあまり変わらないオン電位を測定することができる。このような場合には、オン電位のみの測定でも防食状態の確認はできる。

一方、図７に示すように、二重管構造部では、プローブ３及び照合電極５は、導電性のケーシング２２とパイプライン１２とにより囲まれた狭い空間に敷設される特殊な状況におかれる。すなわち、内外面に何も塗覆装されていない裸であるケーシング２２は、良導体であり、その内側に塗覆装（防食被覆１２Ａ）で被覆されたパイプライン１２が配置される構造となる。ここで、本発明の発明者の知見によれば、図８に示すように、内部のパイプライン１２の塗覆装である防食被覆１２Ａに損傷部ｄがある場合、外部電源装置又は流電陽極で発生した防食電流の二重管部における伝導経路は、良導体であるケーシング２２を優先的に流れ、損傷部ｄの近傍のケーシング２２内壁よりケーシング２２内面のモルタル２１へ流出し、パイプライン１２の塗覆装損傷部ｄへ流入することとなる。このためケーシング２２内での防食電流分布は、図８に示すように、パイプライン１２の防食被覆１２Ａの損傷部ｄ付近のモルタル２１でのみ非常に防食電流密度が高いという特徴がある。

そこで、本発明の発明者は、この損傷部ｄに流入する防食電流密度を測定したところ、損傷部ｄの表面の法線に対して約６０度の角度以内、すなわちπステラジアン内にほとんどの防食電流が集中し、その他の領域からの電流の流入は無視できるレベルであることを発見した。これは防食電流が、一旦ケーシング２２に流れ込み、そのケーシング２２からの経路が短くなるように損傷部ｄに流入することに起因するものと考えられる。また、防食電流の流路は、電気防食に使用される通電陽極がケーシング２２の内にあるか外にあるかに関係なく同じであることが、本発明の発明者らの研究により明らかとなった。このような防食電流密度は、プローブ３による模擬疵の場合も同様であり、図７に示すように、プローブ３をパイプライン１２の長手方向に併設すると、防食電流の伝導経路を大きく外れることになる。よって、二重管構造部内にプローブ３等を配置した場合は、通常の陸上埋設におけるプローブ運用法に比べ、モルタル２１を流れる防食電流密度が非常に高くなり、モルタル２１のもつ抵抗の影響が大きくなり、電位降下すなわちＩＲドロップが大きくなり、オン電位測定において大きな誤差要因となる。その結果、図７に示すように、プローブ３近傍でのパイプライン長手方向の電位分布の傾きが大きく、二重管構造における電位測定では問題となる。

ＩＲドロップを減少させるためには、プローブ３と照合電極５との間の距離を小さくしたり、照合電極５を防食電流の伝導経路内に配置することも考えられるが、照合電極５が防食電流の妨げてしまう。したがって、二重管内では一般埋設部と異なり、照合電極５とプローブ３を単純に接近させた対構造では、ＩＲドロップが大きく、正確なオン電位を測定することはできない。

さらに、二重管は低接地なため、直流や交流の迷走電流の通路になりやすい。そのため、プローブ電位は、この迷走電流の影響を受けることが多い。従って、二重管内のパイプライン１２の防食状態は、迷走電流が流入しているときの電位で評価しなければならないが、ＩＲドロップを完全に除去するオフ電位測定では、電流を遮断してしまうので迷走電流の影響を受けているときの電位変動が把握できない。よって、オフ電位測定ではパイプライン１２が防食状態であるかどうかの判断は困難である。また、このような迷走電流やＩＲドロップ等の影響を測定するために、パイプライン１２に沿った複数の測定点で電位測定が行われることもあるが、この場合、各測定点での測定値がバラバラで変動しており、防食電位が測定できているか否かすら疑わしい場合も多い。

このように電圧の測定が困難であることから、最近ではプローブ電流による防食基準管理が行われている。しかしながら、図７に示すように、二重管内のプローブ３には、ケーシング２２に防食電流や迷走電流が多く集まるので、一般土壌埋設箇所より多くの電流が流入しやすくなる。よって、二重管に対応したプローブ電流密度管理基準がなければならないが、今のところは一般土壌中のプローブ電流密度管理基準を適用しているので、正確な評価はできていない。

また、プローブ３と照合電極５とからの測定リード線が長くなると、ケーシング２２に流れる迷走電流が交流の場合には、電磁誘導の影響を大きく受け電位測定値や電流測定値に対して大きな誤差が加わり、正しい測定は不可能となる。

また、二重管構造を施工する場合、引き込み前のパイプライン１２にあらかじめ照合電極５とプローブ３とを対にして近接固定した後、照合電極５とプローブ３との位置関係を保ちつつ、かつ照合電極５とプローブ３とから引き出されるケーブルを延伸しながらケーシング２２内にパイプライン１２の引き込み工事を行うことは難しく煩雑な作業となる。

さらに、前述したように河川横断などには二重管工法が適用されることが多く、一旦パイプラインを敷設してしまうとその後のパイプラインのメンテナンスや電位計測手法の追加は不可能か、または膨大な工事費がかかるため、あらかじめ施工複数箇所にプローブおよび照合電極を設置する施工となる。しかし、これは設置数に伴う材料費用の増加や、それぞれの照合電極５、プローブ３から引き出されるケーブルの取り回しが取り付け箇所の増加とともに煩雑になり、施工の手間を増やしひいては施工コストの増加を招くこととなっていた。

本発明の発明者は、防食電位測定について鋭意研究を行った結果、上記のような問題点等に想到した。そして、発明者らは、更に研究開発を重ねることにより、パイプライン１２とケーシング２２とで構成される二重管構造において、良導体で囲まれた狭い空間におけるプローブ電位測定に代表されるＩＲドロップによる計測誤差を低減し、オン電位測定で迷走電流の影響を受けた状態におけるパイプラインの電位を正確に測定でき、かつ、複数点における計測に関る施工の煩雑性やノイズ重畳の影響を排除することができる本発明を完成させた。以下、この本発明の一実施形態について詳しく説明する。

＜一実施形態に係る電位測定電極の構成＞
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る電位測定電極２３の構成について説明するための説明図である。図１Ｂは、図１Ａ中のＡ−Ａ線による断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、この電位測定電極２３は、プローブ３と照合電極５とが一体に形成されたプローブ一体型照合電極である。電位測定電極２３は、主に、プローブ３と照合電極５とを有する。そして、この電位測定電極２３は、後述するように、防食対象（例えば鋼製のパイプライン１２）が埋設される埋設環境中に、その防食対象に近接して配置される。従って、この電位測定電極２３も、埋設環境に埋設されることになる。なお、ここでいう「埋設環境」とは、防食対象が埋設された際に、その防食対象の周囲の環境を意味し、より具体的には、防食対象が埋設され、防食対象に接触するモルタル、土壌などのような埋設対象を意味する。

プローブ３は、中心部に貫通孔を有するリング状に形成される。図１Ａでは、プローブ３が円形のリング状に形成された場合を示したが、プローブ３は、例えば多角形のリング状に形成されてもよい。プローブ３のリング状の面を、ここでは「プローブ面」ともいう。図１Ａに示すようにこのプローブ面の中央には照合電極５が配置されるが、プローブ３は、この照合電極５と等間隔で、かつ、プローブ面（ｘｙ平面）内で、ある程度等方性を有することが好ましい。何故ならば、防食電流がプローブ３にはプローブ面内で等方的に流入する場合に、照合電極５との間の防食電位等をより正確に測定することが可能となるからである。よって、プローブ３の形状としては、図１Ａに示すような円形のリング状か、正多角形のリング状であることが望ましい。

電位測定電極２３が埋設環境に埋設されると、このプローブ３は、一のプローブ面において、防食対象（例えばパイプライン１２）が埋設される埋設環境に接触する。この際、プローブ３のプローブ面は、埋設環境に対して空隙がないように面接触されることが望ましい。ここでは、一のプローブ面の方向（貫通孔の貫通方向、ｚ軸正の方向）を「測定方向」という。また、プローブ３は、端子４Ａ及び端子４Ｂを有し、この端子４Ａ及び端子４Ｂには、防食対象及び電圧計に電気的に接続可能なケーブルが接続される。なお、ここでは端子４Ａが、防食対象に電気的に接続される端子であり、端子４Ｂが、電圧計に電気的に接続される端子である場合について説明する。しかしながら、もちろん端子４Ａを防食対象に接続し、端子４Ｂを電圧計に接続することも可能である。また、プローブ３が１つの端子のみを有し、その端子に防食対象及び電圧計を接続することも可能であり、プルーブ３が３つ以上の端子を有することも可能である。

このプローブ３の材質としては、理想的には防食対象と同一の材質が使用されることが望ましいが、防食対象の材質と自然電位がほぼ同程度とみなせる導電性の材質を使用することも可能である。各材質は、それぞれ固有の値の自然電位を有するため、このような材質を使用することにより、プローブ３は、本来防食管理対象とする防食対象と同じ自然電位を有することができ、真の損傷部ｄと等しい環境を形成することができ、防食対象に施された防食被覆の模擬疵としてより効果的に作用することができる。

照合電極５は、電位測定電極２３が埋設環境に埋設された場合に、プローブ３の貫通孔を介して埋設環境に面するような位置（接触してもよい。）に配置される。つまり、照合電極５は、貫通孔を介して測定方向で埋設環境と面することになる。この際、照合電極５の中心軸は、プローブ３の貫通孔の中心軸と一致することが好ましい。照合電極５がプローブ３の貫通孔に対して変心しないように配置することにより、電位測定電極２３の測定精度を高めることができる。なお、ここでプローブ３の貫通孔の中心軸とは、貫通方向における貫通孔の中心軸を意味し、換言すれば、プローブ３のプローブ面中心に、そのプローブ面に立てた法線方向（ｚ軸方向，測定方向）の軸を意味する。

更にプローブ３側の照合電極５の形状は、プローブ３のリング内面との間の間隔が一定となるように設定される。つまり、図１Ａに示すように、照合電極５の埋設環境に面した部位の外周と、プローブ面におけるリング内面との間隔は、一定となる。換言すれば、照合電極５とプローブ３とをｚ軸方向（貫通孔の穿設方向）に投影した場合、埋設環境に面する照合電極５の部位における外周と、プローブ３のリング内周との間の間隔は、一定となる。より具体的に、この照合電極５の形状について説明する。図１Ａの場合、プローブ３には円形の貫通孔が形成されるため、照合電極５は、この貫通孔よりも一回り小さい径の円形状の断面を有する。照合電極５はプローブ３との間の電位が測定されるので、このように照合電極５とプローブ３との間の間隙を一定にすることにより、照合電極５とプローブ３との間の電位測定精度を向上させることができる。

同様に精度を向上させるために、照合電極５は、図１Ｂに示すように、リング状のプローブ３の中心軸上の部位が、他の部位よりも、測定方向に突出した形状（例えば直円錐状）を有することが望ましい。つまり、照合電極５は、例えば、測定方向が尖った形状を有することになる。照合電極５がこのような形状を有することにより、プローブ３に流入した防食電流による等電位面は、プローブ３の外面に対する角度が垂直に近くなり、照合電極５とプローブ３との間の電位測定精度を更に向上させることができる。このようなプローブ３の形状としては、例えば、直円錐形、円柱形、多角錘形又は半球形が望ましく、図１Ｂでは、直円錐形とした場合を示している。直円錐形にした理由は、できるだけ電極表面積を大きくするためである。

また、照合電極５は、プローブ３が埋設環境と接触するプローブ面よりも埋設された位置に配置される。つまり、プローブ面を見た場合、照合電極５は、プローブ面から奥まった位置に配置され、プローブ面と、照合電極５の測定方向の端部との間には段差が形成される。換言すれば、プローブ面と、照合電極５の測定方向の端部とによる凹部が形成される。電位測定電極２３が埋設環境に埋設された場合、この凹部には、埋設環境が入り込み充填される。一方、この凹部には、充填材（例えば埋設環境と同じ材質のバックフィル材）が予め充填されてもよい。なお、照合電極５は、凹部に埋設環境が入り込む場合には、埋設環境に接触し、凹部には充填材が充填される場合には、埋設環境に面することになる。いずれにしても、照合電極５は、埋設環境に面し、直接的に、又は、充填材を介した間接的に、埋設環境に接することになる。この際、凹部には、空隙なく埋設対象又は充填材が充填されることが望ましい。

後述するように、電位測定電極２３は、図２Ａに示すように、パイプライン１２などの防食対象近傍に固定され、二重管構造内に配置された後、パイプライン１２とケーシング２２との間には、モルタル２１のような充填材が充填される。従って、照合電極５を凹ませることにより、照合電極５が敷設時に損傷することを防止できる。また、照合電極５を凹ませて配置することにより、照合電極５をプローブ３に接近させたとしても、照合電極５が防食電流を妨げずに済む。

また、照合電極５は、プローブ３と絶縁されて形成される。一方、照合電極５は、少なくとも１つの端子４Ｃを有し、この端子４Ｃには、電圧計に電気的に接続可能なケーブルが接続される。

この照合電極５の材質としては、モルタル２１中の照合電極としては、例えば、鉛、二酸化マンガンなどが挙げられ、長期にわたって使用可能な材質が使用されることが望ましい。しかし、照合電極５の材質は、これらの例に限定されず、例えば、照合電極５が設置される環境ごとに最適な照合電極を適用すればよい。他にも例えば、二重管の隙間の充填材が砂などの土壌の場合には、照合電極５として、パーマネント型の飽和硫酸銅電極を使用することも可能である。

プローブ３及び照合電極５は、ハウジング１の測定方向の面に形成された溝に配置され、ボルトナットなどの固定手段によりハウジング１に固定される。ハウジング１は、絶縁性の材料で形成され、ハウジング１の溝とプローブ３との間には絶縁材６が充填される。その結果、プローブ３と照合電極５とは、互いに絶縁された状態を維持しつつ一体に形成される。そして、プローブ３は、測定方向（ｚ軸正の方向）のプローブ面で埋設環境（充填材も含む。例えばモルタル２１）に露出して直接接触し、照合電極５は、同じく測定方向で直接的又は間接的に埋設環境と接触する。

また、ハウジング１の裏面にはハウジング裏面蓋２が形成されており、このハウジング裏面蓋２の内部において、プローブ３及び照合電極５が、端子４Ａ〜４Ｃを介して測定ケーブル７内の複数のケーブルに接続される。より具体的には、測定ケーブル７中には、少なくとも３本のケーブル（プローブ電位測定ケーブル９，照合電極電位測定ケーブル１０及びプローブ防食対象接続ケーブル１１）が配置される。そして、プローブ電位測定ケーブル９がプローブ３の端子４Ｂに接続され、プローブ防食対象接続ケーブル１１がプローブ３の端子４Ａに接続され、照合電極電位測定ケーブル１０が照合電極５の端子４Ｃに接続される。このような測定ケーブル７としては多芯のケーブルを使用することが、配線作業の労力軽減及び費用削減などの観点から望ましい。そして、測定ケーブル７は、ケーブルコネクタ８を介してハウジング１に固定され、電位測定電極２３が配置された位置から、地上に配置された電位差計等まで配線される。

また、電位測定電極２３は、後述するように裏面が測定対象に当接して配置されることが望ましいが、この場合、電位測定電極２３の裏面は、当接する測定対象の面に沿うような形状で形成されることが望ましい。

以上、本発明の一実施形態に係る電位測定電極２３について説明した。
次に、この電位測定電極２３が配置された状態について説明する。

＜一実施形態に係る電位測定電極の配置＞
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る電位測定電極の配置について説明するための説明図である。図２Ｂは、図２ＡにおけるＢ−Ｂ線での断面図を示している。図３は、本実施形態に係る電位測定電極が配置された場合の概略的な回路について説明するための説明図である。

なお、ここでは本実施形態に係る電位測定電極２３が電位を測定する防食対象が、例えば、二重管構造を有するパイプライン１２は鋼製である場合について説明する。

鋼製のパイプライン１２には電気防食が施される。つまり、地中には通電陽極１４が埋め込まれる。外部電源装置１３は、その通電陽極１４に接続された正側幹線ケーブル１５と、パイプライン１２に接続された負側幹線ケーブル１６とを介して、パイプライン１２の対地電位が負（卑）となるようにパイプライン１２に直流電圧を印加する。従って外部電源装置１３の稼働時には、防食電流２０が通電陽極１４からパイプライン１２に供給されている。

一方、パイプライン１２は、例えば鋼管やヒューム管などの推進工法により施工されたケーシング２２中に埋設される。ケーシング２２は、防食対象を取囲む導電体の一例であり、例えば鋼材などの導電性材料で形成される。ケーシング２２とパイプライン１２との間には、充填材が充填される。つまり、二重管構造全体としては、地中に埋設されるが、防食対象であるパイプライン１２を見た場合、パイプライン１２は、この充填材に埋設されることになる。従って、この場合、パイプライン１２の埋設環境は、充填材であると言える。また、この充填材としては、例えば、図２Ａ及び図２Ｂに示すモルタル２１や砂などが挙げられる。以下では、充填材としてモルタル２１を使用した場合について説明する。

電位測定電極２３は、このモルタル２１中に配置される。この際、電位測定電極２３は、図１Ｂに示すｚ軸正の方向、つまり測定方向がケーシング２２の内面に対向するように配置される。また、電位測定電極２３は、パイプライン１２の近傍に配置されるが、パイプライン１２に当接して配置されることが望ましい。

電位測定電極２３のプローブ３と照合電極５とに接続された測定ケーブル７は、地上へと配線される。

この測定ケーブル７中の複数のケーブル中、プローブ３に接続されたプローブ電位測定ケーブル９は、照合電極５に接続された照合電極電位測定ケーブル１０に、電位差計１７を介して接続される。従って、電位差計１７は、プローブ３の照合電極５に対する電位を示し、この電位は、照合電極５がモルタル２１中に配置されることから対モルタル電位を示すこととなる。

一方、測定ケーブル７中の複数のケーブル中、プローブ３に接続された他のプローブ防食対象接続ケーブル１１は、防食対象であるパイプライン１２に接続されたパイプライン立ち上げケーブル２４に、スイッチ１９及び電流計１８を介して接続される。従って、スイッチ１９がオンされると、防食電流２０の少なくとも一部は、地中を通りケーシング２２に流れ込み、ケーシング２２から電位測定電極２３のプローブ３（模擬疵）に流れ込む。プローブ３に流れ込んだ防食電流２０は、電流計１８等を介してパイプライン１２に流れ込み、その後電源１３へと戻る。従って、電流計１８は、模擬疵であるプローブ３を介してパイプライン１２に流れ込む電流量を示し、この電流は、プローブ３に流入する防食電流２０の一部を示すこととなる。

従って、この電位測定電極２３によれば、スイッチ１９をオンにすると防食電流２０がプローブ３に流入し、電位差計１７でオン電位を測定することができる。また、スイッチ１９をオフにした瞬間は、電位差計１７でオフ電位を測定することができる。更に、スイッチ１９オン時には、電流計１８によってプローブ電流を測定することもできる。

＜一実施形態に係る電位測定電極による電位分布＞
ここで図４を参照しつつ、このように配置された電位測定電極２３よる二重管内の設置状況と電位分布について説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る電位測定電極による電位分布について説明するための説明図である。

なお、図４では、パイプライン１２の材質としてＳＭ（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｍａｒｉｎｅ）材を使用し、プローブ３も同じＳＭ材を使用し、ケーシング２２は鋼製の管を使用した。そして、照合電極５としては、鉛を使用し、ハウジング１としては、塩化ビニールを使用し、絶縁材６としては、エポキシ系樹脂を使用した。照合電極５の外形は２０ｍｍとし、プローブ３の貫通孔内径は３０ｍｍ、外径は５０ｍｍとして、パイプライン１２が埋設される対象であるモルタル２１に接するプローブ面の面積は１２．６ｃｍ^２とした。このプローブ面がパイプライン１２の表面から４０ｍｍの位置になるように、電位測定電極２３を配置した。また、ケーシング２２とパイプライン１２との間の間隔Ｄは１５０ｍｍとし、防食被覆１２Ａは薄いため図４では省略した。

このようにケーシング２２内に電位測定電極２３を配置し、ケーシング２２とプローブ３との間の電位差が１．０Ｖとなるように、外部電源装置１３により直流電圧を印加した。その結果、電位測定電極２３の周囲の電位分布（ＩＲドロップの分布）を、図４に示している。

その結果、本発明の発明者らは、二重管構造の場合、ケーシング２２の内部のパイプライン１２に接続されたプローブ３（模擬疵）を介して、パイプライン１２が充填材であるモルタル２１と接触した際に流入する防食電流の流入経路は、ケーシング２２がない場合とは大きく異なることを解明した。

すなわち、電気防食用の外部電源装置１３の通電陽極１４より供給される防食電流２０は、土壌に広がる。ここでパイプライン１２が河川横断部などに差し掛かり二重管構造となった場合、ケーシング２２は、被覆のない裸材が適用されることが多いが、このケーシング２２は、土壌に比べると非常に電気抵抗の低い良導体である。よって、防食電流は、優先的に鋼製ケーシング２２を伝導することになる。この鋼製ケーシング２２内部のパイプライン１２（本管）にプローブ３が接続される場合、図４に示すように、防食電流２０は、ケーシング２２の内壁のプローブ３に最も近い部位からモルタル２１に流出し、モルタル２１を介してプローブ３に流入することとなる。

ここでケーシング２２とパイプライン１２の間隙距離Ｄは、ここでは１５０ｍｍと小さいため、ケーシング２２からモルタル２１を介してプローブ３に至る防食電流２０の流域も、非常に狭いものとなる。本発明の発明者の実験及び解析によると、図４又は図８に示すように防食電流は、プローブ３のプローブ面に立てた法線（損傷部ｄであればその損傷部ｄに立てた法線）に対して約６０度の角度内、即ちπステラジアン内に集中しており、他の領域からの電流入は、無視できるレベルであることが解明された。これにより、本発明の発明者は、二重管構造のような良導体に囲まれた狭い空間が延々とつながる構造における電気防食では、電流流入経路は、二重管施工部の中央部であろうと、端部であろうと、損傷部ｄの中心からπステラジアンの範囲を考慮すればよいことを解明した。つまり、損傷部ｄを起点として両側長手方向にはＤ／ｔａｎ３０°以内の距離（Ｄはケーシング２２とパイプライン１２との間隙距離）の電流分布が、プローブ３への流入電流のほとんどである。従って、このπステラジアンの範囲内から流入する防食電流と、その範囲内での対地電位を精度よく測定することができれば、パイプライン１２の防食状態をモニタすることが可能となる。

そこで、本発明の発明者は、上記のような知見により、二重管構造内部の防食監視において、プローブ３に流入する防食電流２０及び対地電位を、プローブ３の中心からＤ／ｔａｎ３０°以内を対象として、鋭意研究を行った結果、上記の電位測定電極２３等を発明した。

図４に示すように、本実施形態に係る電位測定電極２３では、照合電極５の電位は、プローブ３の電位から僅かなＩＲドロップしか含まないことがわかる。一方、パイプライン１２の長手方向に照合電極を配置する場合には、照合電極をプローブ３に近接させたとしても、ＩＲドロップは、非常に大きな値になることが判る。このことは、電位測定電極２３がパイプライン１２の対モルタル電位を正確に測定することができることを意味している。

なお、このように正確な電位測定を行うために、電位測定電極２３は、二重管施工範囲の開始端からＤ／ｔａｎ３０°以上二重管内部に入り込んだ位置に敷設されことが望ましい。また、このような電位測定電極２３は、一個所に配置されれば十分な精度でパイプライン１２全域を代表した電位を測定することができるが、更に好ましくはケーシング２２の端部近傍に１つずつ配置されることが望ましい。つまり例えば、電位測定電極２３は、ケーシング２２が鋼管又はヒューム管などの鞘管の場合、その鞘管の両端に１つずつ配置されることが望ましい。

＜一実施形態に係る電位測定電極による効果の例＞
以上、本発明の一実施形態に係る電位測定電極２３について説明した。
これに対して、従来から行われているように、二重管施工範囲の中央部から延々と測定ケーブル（測定ケーブル７等に相当）を引く場合には、施工性が悪いだけでなく、引き回した長いケーブルに誘導電流が生じやすく正確な防食電位が測れなかった。しかしながら、本発明の一実施形態に係る電位測定電極２３によれば、二重管施工範囲の開始端からＤ／ｔａｎ３０°以上二重管内部に入った位置に敷設されるだけで、そのプローブ電位が二重管施工区間全体を代表する防食状態を表すことができる。

従って、本発明の一実施形態に係る電位測定電極２３によれば、従来誤差が大きく正確なオン電位等を測定できなかった環境、特に二重管構造内部のプローブ電位を、ＩＲドロップが最小となるように測定することができる。従って、迷走電流がある状態でのパイプラインの防食状態の把握が可能となり、メンテナンスがほぼ不可能であった二重管部の電気防食管理を従来より確実に行うことができる。また、従来では、照合電極が推進施工部全域に配置されていたが、本発明の一実施形態に係る電位測定電極２３によれば、施工両端部において電位測定電極２３を配置する定常部を特定する距離を算出することができる。従って、照合電極の配置個数を減少させて、施工コストを低減することができ、かつ、長尺にケーブルを引き回すことも無いため、ケーブルの費用を削減すると共に、ケーブルへの誘導ノイズを減少させることが可能である。

また、本発明者が明らかにした防食電流の流路によれば、プローブ近傍は防食電流が集中して電位勾配が激しくなる。従って、従来のプローブと照合電極のように、それぞれ別体で形成される場合、照合電極がプローブと離れ、防食電流が集中して流れる経路から外れると、プローブと照合電極との間に、充填モルタル２１のもつ抵抗率と防食電流密度とにより大きな電圧低下（すなわちＩＲドロップ）による大きな電位差が発生する。このような大きな電位差は、照合電極で測定できる真のプローブ電位と大きな差異を生じる原因となり、測定精度を低下させてしまう。しかしながら、本発明の一実施形態に係る電位測定電極２３によれば、照合電極５の位置及び形状が、防食電流２０の集中する経路の中心であり、かつ、防食電流２０の経路に影響を与えないように設定される。従って、電位測定電極２３の電極構造によれば、プローブ３と照合電極５とを近接させＩＲドロップを極力抑えることが可能である。すなわち、図１Ａに示した電位測定電極２３の電極構造において、リング状のプローブ３のリング穴に、照合電極５を組み込む構造とし、かつ、リング形状のプローブ３と照合電極５とを同心円上に配置することで、プローブ３の表面及び照合電極５を点対称に配置でき、その結果、プローブ３の表面及び照合電極５の形状に起因する離隔アンバランスを極力抑えることが可能である。

また、本発明の一実施形態に係る電位測定電極２３によれば、照合電極５は、先端を直円錐形を有して、リング状プローブ３の内空円筒空間に埋め込まれる。そして、照合電極５及びリング状プローブ３で構成される空間に埋設環境又は充填材などの防食電流媒体が充填される。従って、この電位測定電極２３によれば、照合電極５の表面と埋設環境（モルタル２１）とを密着させることができ、かつ、照合電極５形状の表面形状を、プローブ３に集まる防食電流２０がつくる電位面分布形状に沿わせることができ、その結果、電位測定精度を更に向上させることができる。

また、本発明の一実施形態に係る電位測定電極２３によれば、二重管施工区間の端部に配置することが可能であるため、最悪のケースでも開削により電極の設置部までの最小限の開削により修理、補修を行うことが可能となる。

＜一実施形態に係る電位測定電極による実施例＞
次に、本発明の一実施形態に係る電位測定電極２３の実施例について説明する。
この実施例では、上記＜一実施形態に係る電位測定電極による電位分布＞において説明した構成及び配置の電位測定電極２３を用意した。そして、プローブ３の直近に微小な他の照合電極を配置し、この微少照合電極に対するプローブ３の電位Ｖ０を−１．０Ｖの一定電位になるように外部電源装置１３を設定し、時間ｔ＝３秒程度の時点で、スイッチ１９をオン状態にし、電流計１８により電位測定電極２３のプローブ３に流入する電流Ｉ（防食電流２０の一部）を測定した。更に、スイッチ１９をオン状態にしたまま、電位差計１７により、照合電極５に対するパイプライン１２（つまりプローブ３）の電位Ｖ１（オン電位）を測定した。更に、時間ｔ＝２３秒程度の時点で、スイッチ１９をオフ状態にし、その瞬間における照合電極５に対するパイプライン１２（つまりプローブ３）の電位Ｖ１（オフ電位）も測定した。

また、従来の電位測定と比較するために、プローブ３から、パイプライン１２の長手方向に１０ｍｍ離隔した位置に他の照合電極を配置し、この照合電極に対するプローブ３の電位Ｖ２をも測定した。この測定結果を図５に示す。

図５に示すように、スイッチ１９のＯＮによってプローブ３に電流Ｉが流入するとともに、照合電極５に対するプローブ３の電位Ｖ１（実施例）は、自然電位（プローブに防食電流２０の一部が流入しないときのプローブ電位）−０．７５Ｖから徐々に負側に移行し、設定電位Ｖ０に近づいていく。それとともに、プローブ３に流入する電流Ｉは、徐々に減少していく。

そして、最終的には、Ｖ１はＶ０とほぼ同じ電位となり、プローブ３に流入する電流Ｉはほぼ一定電流（「維持電流」ともいう。）となる。このＶ１とＩが一定値になったとき、プローブ３、即ち、パイプライン１２は、安定した電気防食状態になったと判断できる（図５ではプローブが安定した電気防食状態になる以前に、プローブ３に流入する電流ＩをＯＦＦしている。）。

一方、従来の照合電極によるプローブ電位Ｖ２（比較例）は、スイッチ１９がＯＮすると同時に−１．２Ｖの電位を示した。その後、プローブに流入する電流Ｉが減少するとともにＶ２も減少したが、常に、Ｖ２には大きなＩＲドロップが含まれており、スイッチ１９をＯＦＦした瞬間の電位からＶ２には１００ｍＶ以上のＩＲドロップがあることが確認できる。

他方、照合電極５に対するプローブ３の電位Ｖ１には、スイッチ１９をＯＦＦした瞬間の電位からＶ１にはＩＲドロップが極僅かな値でしかないことが確認できる。従って、電位測定電極２３によってプローブ電位を測定すれば、ＩＲドロップが非常に小さく、真のプローブ電位（ＩＲドロップがない電位）に近似した電位を測定できる。

このように、比較例として照合電極をプローブ端から１０ｍｍの極僅か離隔したところに配置して測定されたプローブ３の電位Ｖ２（従来電位測定法）では、大きなＩＲドロップを含む。従って、比較例のような電極では、本実施形態に係る照合電極５に対するプローブ電位Ｖ１のように「本来、プローブ電位は徐々に設定電位Ｖ０に近づく」といった「電気防食状態が安定に向かう様子」を把握できなかった。しかし、本実施形態に係る電位測定電極２３では、照合電極５に対するプローブ電位Ｖ１とプローブに流入する電流Ｉを測定することができるので、明確に電気防食が安定状態に達したかどうかを確認することができる。

以上、この電位測定電極２３は、正確なオン電位の他、オフ電位、プローブ電流も正確に測定可能であり、更に、これまで確認できなかった電気防食が達成される様子（「陰分極」という。）も把握できるといった特長を有する。また、電位測定電極２３は、従来の照合電極とプローブの組み合わせよりコンパクトで経済的なツールであることも判る。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、防食電位を測定する防食対象として、二重管工法により敷設された鋼製のパイプライン１２を例に挙げて説明したが、本発明はこの例に限定されるものではない。本発明は、もちろん一般埋設のパイプライン１２の防食電位を測定することも可能であり、防食対象もパイプライン１２に限られない。本発明は、電気防食が施され、導電体（例えばケーシング２２）に囲まれて敷設され、防食電流がその導電体から流入するような鋼製の防食対象に対して特に効果的かつ正確に電位を測定することができる。なお、ここでいう鋼には、例えば、普通鋼、ステンレス鋼・高張力鋼などの合成鋼、ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、マンガン鋼など、様々な鋼が含まれる。

また、上記実施形態では、プローブ３が中心部に貫通孔を有するリング状に形成された場合について説明したが、本発明はこの例に限定されるものではない。例えば、プローブの中心部には、孔が穿設されてもよく、この孔は、貫通孔である必要はない。この場合、照合電極５は、穿設された孔の中に配置される。また、孔が穿設されるプローブの面は、孔が形成されることにより、リング状になる。従って、この場合、孔が穿設された面がリング面に相当し、孔の穿設方向が、上述の貫通方向（測定方向、ｚ軸）に相当する。

本発明の一実施形態に係る電位測定電極の構成について説明するための説明図である。 同実施形態に係る電位測定電極の構成について説明するための説明図である。 同実施形態に係る電位測定電極の配置について説明するための説明図である。 同実施形態に係る電位測定電極の配置について説明するための説明図である。 同実施形態に係る電位測定電極が配置された場合の概略的な回路について説明するための説明図である。 同実施形態に係る電位測定電極による電位分布について説明するための説明図である。 同実施形態に係る電位測定電極の実施例について説明するための説明図である。 一重管構造のパイプラインに施された防食被覆に損傷が生じた場合の電位分布について説明するための説明図である。 二重管構造のパイプラインに配置されるプローブと照合電極について説明するための説明図である。 二重管構造のパイプラインに施された防食被覆に損傷が生じた場合の電位分布について説明するための説明図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ ハウジング裏面蓋
３ プローブ
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ 端子
５ 照合電極
６ 絶縁材
７ 測定ケーブル
８ ケーブルコネクタ
９ プローブ電位測定ケーブル
１０ 照合電極電位測定ケーブル
１１ プローブ防食対象接続ケーブル
１２ パイプライン
１２Ａ 防食被覆
１３ 外部電源装置
１４ 通電陽極
１５ 正側幹線ケーブル
１６ 負側幹線ケーブル
１７ 電位差計
１８ 電流計
１９ スイッチ
２０ 防食電流
２１ モルタル
２２ ケーシング
２３ 電位測定電極
２４ パイプライン立ち上げケーブル
Ｉ 防食電流の一部
Ｖ０ 設定プローブ電位
Ｖ１ 実施例によるプローブ電位
Ｖ２ 比較例によるプローブ電位
ｄ 損傷部

Claims (10)

1. 電気防食が施されて埋設された鋼製の防食対象であって、少なくとも一部が導電性のケーシングに覆われ、かつ前記ケーシングとの間に防食電流が流れる防食対象の電位を測定する電位測定電極であって、
   導電性材料を用いて形成され、中心部に穿設された孔と、前記防食対象及び電圧計の少なくとも一方に電気的に接続される１又は２以上の端子と、を有し、前記防食対象が埋設された埋設環境と接触するプローブと、
   前記プローブと絶縁し、前記プローブの孔を介して前記埋設環境に面するように配置され、前記電圧計に電気的に接続される端子を有する照合電極と、
   を有し、
   前記電圧計により、前記埋設環境を介した前記プローブと前記照合電極との間の電位を測定可能であり、
   前記電位測定電極が、前記ケーシングの端部近傍に配置されていることを特徴とする、電位測定電極。
2. 前記プローブは、前記孔が形成されたリング状のプローブ面で前記埋設環境と接触し、
   前記照合電極は、前記プローブ面よりも埋設して配置されることを特徴とする、請求項１に記載の電位測定電極。
3. 前記照合電極の中心軸は、前記プローブの孔の中心軸と一致することを特徴とする、請求項１又は２に記載の電位測定電極。
4. 前記照合電極は、前記プローブの孔の中心軸上の部位が、他の部位よりも、前記埋設環境に面した方向に突出した形状を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の電位測定電極。
5. 前記プローブは、円形又は正多角形のリング状に形成され、
   前記照合電極は、前記照合電極の前記埋設環境に面した部位の外周と、前記プローブのプローブ面におけるリング内面との間隔が一定となるような形状を有することを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の電位測定電極。
6. 電気防食が施されて埋設された鋼製の防食対象であって、少なくとも一部が導電性のケーシングに覆われ、かつ前記ケーシングとの間に防食電流が流れる防食対象の電位を測定する電位測定方法であって、
   導電性材料を用いて形成され、中心部に形成された孔と、前記防食対象及び電圧計の少なくとも一方に電気的に接続される１又は２以上の端子と、を有し、前記防食対象が埋設された埋設環境と接触するプローブと、前記プローブと絶縁し、前記プローブの孔を介して前記埋設環境に面するように配置され、前記電圧計に電気的に接続される端子を有する照合電極と、を有する電位測定電極を、前記測定対象近傍の前記埋設環境に埋設し、かつ前記ケーシングの端部近傍に配置させ、
   前記電圧計により、前記埋設環境を介した前記プローブと前記照合電極との間の電位を測定することを特徴とする、電位測定方法。
7. 前記防食対象と前記ケーシングとの間には、防食電流が流れる充填材が充填されており、
   前記電位測定電極を、前記防食対象と前記ケーシングとの間の前記充填材中に配置することを特徴とする、請求項６に記載の電位測定方法。
8. 前記防食対象を覆うケーシングの端部から、前記防食対象と前記ケーシングとの間の間隔に応じた距離以上、前記防食対象と前記ケーシングとの間に入り込んだ位置に、前記電位測定電極を配置することを特徴とする、請求項７に記載の電位測定方法。
9. 前記防食対象と前記ケーシングとの間の間隔をＤとした場合、前記防食対象を取囲む前記ケーシングの端部からＤ／ｔａｎ３０°以上、前記防食対象と前記ケーシングとの間に入り込んだ位置に、前記電位測定電極を配置することを特徴とする、請求項８に記載の電位測定方法。
10. 前記電位測定電極を、前記ケーシングの両端部近傍のそれぞれに配置することを特徴とする、請求項８又は９に記載の電位測定方法。