JP5510020B2 - 湿潤大気応力腐食割れセンサー - Google Patents

Description

本発明は、湿潤大気応力腐食割れセンサーに関する。

下記非特許文献１には、海の近くなど、塩分を含んだ湿度の高い大気下における環境（湿潤海洋性環境、湿潤海洋性気候）で発生する部材の湿潤大気応力腐食割れ（ＡＳＣＣ：Atmospheric Stress-Corrosion Cracking）を検出する技術が開示されている。この技術は、湿潤海洋性環境下を模擬した環境下に置かれたＳＵＳ３０４ステンレス鋼製のＵ-bend試験片にＰｔ（白金）電極を接触させ、当該Ｐｔ電極を介してＵ-bend試験片の表面電位を計測するものであり、この計測値（表面電位）の変化に基づいてＵ-bend試験片に湿潤大気応力腐食割れが発生したか否かを判断するものである。すなわち、Ｕ-bend試験片に湿潤大気応力腐食割れが発生すると、当該発生タイミングにおいてＵ-bend試験片の表面電位は急激に下降し、湿潤大気応力腐食割れが進展を続けている間は表面電位が低下したままで、進展性を失った段階で復帰する（表面電位の低下前の電位域に戻る）ので、当該表面電位の急激な下降を判定することによって湿潤大気応力腐食割れの発生を検知することが可能である。
なお、下記非特許文献２にも、上記非特許文献１と同様な検出原理に基づいてステンレス合金の耐ＳＣＣ性を評価する技術が開示されている。

第１３５回腐食防食シンポジウム資料「湿潤海洋性環境下のＡＳＣＣ生起監視技術へのＥＮＡ適用性の検討」、腐食防食協会（２００１年） 第４９回材料と環境討論会Ｃ−２１１講演予稿集「海塩粒子付着環境下の加熱を受けるステンレス合金の耐ＳＣＣ感受性におよぼす合金種依存性、および溶接の影響」、腐食防食協会（２００２年）

ところで、上記非特許文献１、２に開示された技術は、実験室レベルのものであり、実用性を考慮したものではない。例えば、非特許文献１に記載された実験装置は、検出原理の正当性を評価する程度のものであり、湿潤海洋性環境に曝されている実機としてのステンレス製溶接構造物（例えばステンレス製タンク）に装着することを念頭に置いたものではない。このような背景から、実機に適用し得る湿潤大気応力腐食割れセンサーの開発が切望されていた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、実機に容易に適用し得る湿潤大気応力腐食割れセンサーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、一方の面が検知対象物との装着面となる枠体と、該枠体の他方の面に設けられた通気性電極と、前記枠体に設けられ、湿潤大気応力腐食割れの検知対象物に接触する接触電極とを具備する、という手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、枠体の内部に設けられ、塩化物を含む試薬とをさらに備える、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、通気性電極は、白金線から形成されたメッシュ電極である、という手段を採用する。

第４の解決手段として、上記第１〜第２のいずれかの解決手段において、試薬は、苦汁の乾燥粉を圧縮成型したものである、という手段を採用する。

本発明によれば、枠体、通気性電極及び接触電極が一体化されているので、取扱い性が良好であると共に検知対象物の表面への装着が極めて容易である。したがって、本発明によれば、従来の実験レベルのものと異なり、実機としての検知対象物に容易に適用して応力腐食割れの評価に供することができる。

本発明の一実施形態に係る湿潤大気応力腐食割れセンサーＡの構成を示す斜視図（ａ）、Ｂ−Ｂ’線矢視（ｂ）及び下面図（ｃ）である。 本発明の一実施形態に係る湿潤大気応力腐食割れセンサーＡを用いた湿潤大気応力腐食割れの検知システムを示すブロック図（ａ）及び湿潤大気応力腐食割れセンサーＡの検知対象物への装着状態を示す側面図（ｂ）である。 本発明の一実施形態に係る湿潤大気応力腐食割れセンサーＡを用いた電位測定例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る湿潤大気応力腐食割れセンサーＡは、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、枠体１、メッシュ電極２（通気性電極）、試薬３、接触電極４、第１リード線５、第２リード線６及び接着剤７によって構成されている。なお、以下の説明では、湿潤大気応力腐食割れセンサーＡを単にセンサーＡと言う。

センサーＡは、湿潤海洋性環境（湿潤海洋性気候）で発生する検知対象物の湿潤大気応力腐食割れ（ＡＳＣＣ：Atmospheric Stress-Corrosion Cracking）を検出する検出器である。周知のように、湿潤海洋性環境下に曝されている検知対象物の表面には塩（塩化物）と水分とが付着する。このような検知対象物において内部応力が在留する部位、例えば溶接部位では、塩（塩化物）による腐食作用によって応力腐食割れ（ＳＣＣ：Stress-Corrosion Cracking）が発生し得る。本センサーＡは、このような湿潤海洋性環境下に置かれた検知対象物に発生する応力腐食割れを検出するものである。

センサーＡの検知対象物は、ステンレス鋼のような不働態金属製の構造物、例えばステンレス鋼製溶接構造物であるステンレス鋼のような不働態金属は、水溶液中に浸漬すると、時関係経過とともに表面電位が上昇して所定の定常電位に到達するが、水溶液中に塩化物などの活性のある不純物が存在すると、この不純物の作用によって不働態が破られて局部腐食が発生し、この結果表面電位が低下する。更に、応力が作用すれば、局部腐食は、応力腐食割れ（ＳＣＣ）となる。そして、不働態金属の表面が再不働態化すると、表面電位は、上記定常電位に復帰する。湿潤大気応力腐食割れは、このような不働態金属が湿潤海洋性環境の大気中に含まれる水分と塩分との作用によって発生する局部腐食の現象であり、上記表面電位の変化を捉えることによって検知することができる。なお、「不働態」という用語は、「不動態」と同義であるが、本明細書では「不働態」という用語を採用する。

枠体１は、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、一定枠幅かつ一定枠厚を有する正方形の枠型部材であり、例えば外形の一辺が１０ｍｍ程度、枠幅が１ｍｍ程度、また枠厚が０．５ｍｍ程度に設定されている。この枠体１は、絶縁材料、例えばテフロン（登録商標）等の樹脂材料から形成されており、一方の枠面（図１（ｂ）における下平面）が検知対象物への装着面である。また、この枠体１におけるもう一方の枠面（図１（ｂ）における上平面）には平板なメッシュ電極２が接着剤等によって固定され、また枠体１の一側面には接触電極４が同じく接着剤等によって固定され、さらに枠体１の内部（枠内）つまりメッシュ電極２の枠体１側には試薬３が固定されている。

メッシュ電極２は、０．０２ｍｍ程度の線径の白金線（導電材料線）を縦横に編み込んでメッシュ状にすることにより通気性を有する電極（通気性電極）であり、図１（ａ）に示すように、枠体１の外形と同一形状に裁断されたものである。このようなメッシュ電極２は、枠体１の外形に符合するように枠体１の上平面に固定されている。なお、メッシュ電極２の材料は、湿潤海洋性環境下において電極として安定に機能するものであれば良く、よって白金（Ｐｔ）に限定されるものではない。

試薬３は、主成分である苦汁（塩化物、例えばＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２など）の乾燥粉を枠体１の枠厚と同程度の厚さの正方形状に圧縮成型したものである。この試薬３は、図示するように、メッシュ電極２に支持される状態で枠体１の枠内に設けられており、また外形が枠体１の内形よりも若干小さく設定されている。すなわち、試薬３は、試薬３の外周の全部位において枠体１とある程度の隙間が形成されるように、外形及び枠体１に対する位置関係が設定されている。このような試薬３は、例えば四隅に部分的に設けられた接着剤等によって、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すようにメッシュ電極２に固定されている。

詳細は後述するが、このような試薬３は、湿潤海洋性環境下において苦汁の乾燥粉が大気中の水分を吸収して導電性を示すことにより機能する。なお、本実施形態における試薬３の成分は、苦汁の乾燥粉であるが、海洋性環境の大気に含まれるＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２などの塩化物の乾燥粉であれば、他のものであっても良い。

接触電極４は、導電性を有するＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金（登録商標名：ハステロイ）などの高耐食性金属材料からなる帯状の薄膜である。この接触電極４は、図１（ａ）、図１（ｃ）に示すように、枠体１の枠厚及び枠幅の合計に略等しい幅を有し、枠体１の一側面（図では短面）から枠体１の下平面（装着面）に亘ってＬ字状に設けられている。また、この接触電極４は、図１（ａ）、図１（ｃ）に示すように、枠体１の一側面（図では短面）の長さより多少短い長さに形状設定されている。このような接触電極４は、本センサーＡが検知対象物の表面に装着された状態において検知対象物に接触する。

第１リード線５は、一端がメッシュ電極２の端部に接続された導電線であり、表面には絶縁シースが設けられている。第２リード線６は、一端が接触電極４の端部に接続された導電線であり、第１リード線５と同様に表面には絶縁シースが設けられている。接着剤７は、図１（ｂ）、図１（ｃ）に示すように、枠体１の下平面（装着面）において、接触電極４が存在しない領域に薄膜として設けられている。この接着剤７は、本センサーＡを検知対象物の表面に固定するために設けられており、未使用状態では表面に枠体１の下平面（装着面）と同形状の保護シールが設けられている。なお、未使用状態の本センサーＡは、水分が試薬３に浸入することを防止するために、密封カプセル内に収納されている。

次に、このように構成された本センサーＡを用いた湿潤大気応力腐食割れの検知方法について、図２及び図３をも参照して詳しく説明する。

本センサーＡを用いた湿潤大気応力腐食割れを検知する場合、下準備として、大気に曝されている検知対象物の応力集中部位（例えば溶接熱影響部（ＨＡＺ））の表面を研磨して汚れを除去すると共に平滑化する。そして、図２（ｂ）に示するように、上記研磨した応力集中部位の表面に、上記保護シールを除去することにより本センサーＡを装着（接着）する。このような装着状態において、接触電極４のうち、枠体１の下平面（装着面）に位置する部位は、検知対象物の表面に接触し、接触電極４と検知対象物とは電気的に導通した状態となる。そして、図２（ａ）に示するように、第１リード線５及び第２リード線６の解放端をエレクトロメーター（電位計）に接続し、また当該電位計をデータロガー（データ記録表示装置）に接続する。

以上によって検知準備が完了したので、エレクトロメーターとデータロガーとを電源に接続して湿潤大気応力腐食割れの検知を開始する。湿潤海洋性環境下においては、試薬３の成分である苦汁（塩化物）の乾燥粉がメッシュ電極２を通過した大気中の水分を吸収して湿潤状態になる。すなわち、メッシュ電極２を通過した大気中の水分は、検知対象物の表面で順次結露して結露水となり、近傍に存在する試薬３に吸収される。

そして、結露水の量が一定量を超えると、枠体１内には、図２に示すように検知対象物の表面とメッシュ電極２とに跨る液体状苦汁の液溜りＸが形成される。すなわち、試薬３の周りには枠体１との間に隙間が全周に亘って形成されているので、試薬３の周りには全周に亘って応力集中部位が露出している。結露水は、この露出部において生成されるので、近傍に存在する試薬３に効果的に吸収されて液体状苦汁の液溜りＸの形成に寄与する。

この液溜りＸは導電性を有する液体状苦汁なので、検知対象物の応力集中部位において、接触電極４が接触する部位と、導電性を有する苦汁の液溜りＸを介してメッシュ電極２に間接的に接触する部位（つまり苦汁（塩化物）による腐食作用によって応力腐食割れを発生し得る部位）とは、液溜りＸを介して電気的に導通する状態となる。すなわち、接触電極４とメッシュ電極とは、メッシュ電極２と検知対象物の表面とが液溜りＸによってブリッジされるので、電気的に導通する状態となる。

ここで、テフロン（登録商標）によって形成された枠体１は、湿潤海洋性環境下に曝されても変形することなく形状が安定している。また、メッシュ電極２は、白金線によって形成されているので、湿潤海洋性環境下に曝されても電極として安定である。したがって、枠体１及びメッシュ電極２は、長時間の使用によっても性能が維持される。

上述したように接触電極４とメッシュ電極とが導通することによって、本センサーＡは、検知対象物の応力集中部位において、応力腐食割れを発生し得ない部位（接触電極４が接触する部位）と、苦汁（塩化物）による腐食作用によって応力腐食割れを発生し得る部位（メッシュ電極２に間接的に接触する部位）との間の電位差を検出信号としてエレクトロメーターに出力する。

そして、エレクトロメーターは、この検出信号が示す電位差を時系列的に順次計測し、測定信号としてデータロガーに出力する。さらに、データロガーは、上記測定信号をデジタル信号に変換し、時系列的な測定データとして順次記憶すると共に、操作者の指示に従って測定データつまり上記電位差の時系列的な変化を画像表示する。

本センサーＡが検出する腐食部位の電位、つまりエレクトロメーターを介してデータロガーに記録される電位測定データは、例えば図３のグラフに示すようになる。なお、このグラフは、上記電位測定データを横軸を時間、縦軸を電位として示すものである。このグラフにおいて、電位が一時的に低下しているところは、応力腐食割れの発生に相当する。特に、計測開始から６×１０^５（ｓ）経過した時点で発生している電位の一時的な低下は、他の電位の一時的な低下よりも低下幅が大きくかつ低下期間が長いので、比較的大きな応力腐食割れが発生したことを示している。

このような本センサーＡによれば、枠体１、メッシュ電極２、試薬３及び接触電極４がコンパクトに一体化されているので、取扱い性が良好であると共に検知対象物の表面への装着が極めて容易である。したがって、本センサーＡによれば、従来の実験レベルのものと異なり、実機としての検知対象物に容易に装着して応力腐食割れの評価に供することができる。

また、本センサーＡによれば、正面視で１０ｍｍ角程度の極めて小型に構成されているので、大きさの面でも取り扱いが良好である。また、メッシュ電極２には第１リード線５が予め接続され、また接触電極４には第２リード線６が予め接続されているので、エレクトロメーター（電位計）との接続も容易である。さらには、枠体１の下平面（装着面）に接着剤７が予め付着しているので、装着に必要な接着剤を別途用意する必要がないので、検知対象物の表面への装着が極めて容易である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、苦汁（塩化物）の乾燥粉からなる試薬３を用いたが、本発明はこれに限定されない。試薬３の採用は、湿潤大気応力腐食割れ（ＡＳＣＣ）を起し易くするためのものであり、例えば潮風の強いエリアでは、人工的に苦汁を付与しなくても湿潤大気応力腐食割れ（ＡＳＣＣ）を起すので、試薬３を設けないセンサーの構成も考えられる。

（２）上記実施形態では、通気性電極としてメッシュ電極２を採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、導電性繊維あるいは複数の穴が形成されたパンチングメタル等、導電性と大気中の水分が通過し得る通気性とを変え備えてものであれば、他の態様のものでも良い。また、通気性電極の材料についても、白金に限定されない。塩化物に接触しても安定かつ導電性を有するものであれば、白金以外の材料であっても良い。

（３）上記実施形態では、苦汁（塩化物）の乾燥粉を圧縮成型することによって試薬３を定型体とし、以ってメッシュ電極２に固定できるようにしたが、本発明はこれに限定されない。試薬３は結露水を吸収して液溜りＸを形成すれば良いので、例えば水分によって溶解する性質の膜（例えばオブラート）あるいはカプセル（薬のカプセルのようなゼラチン製カプセル）に苦汁（塩化物）の乾燥粉を収納することにより定型体としても良い。

（４）上記実施形態では、試薬３と枠体１の内側との間に隙間を積極的に形成したが、本発明はこれに限定されない。湿潤海洋性環境下では湿度が比較的高いので、試薬３と枠体１の内側との間に隙間を積極的に形成しなくても、苦汁の乾燥粉からなる試薬３が大気中の水分を徐々に吸収して、最終的に液溜りＸを形成される。このような試薬３が大気中の水分を直接吸収することを促すために、例えば試薬３に吸水性の粉末を混ぜ込んでも良い。

（４）上記実施形態では、接触電極４を枠体１の一側面から下平面（装着面）にかけてＬ字状に設けたが、本発明はこれに限定されない。接触電極４は、検知対象物を接触し得る状態に設けられていれば良く、他の態様で枠体１に設けられていても良い。

（５）上記実施形態では、枠体１を正方形に形状設定したが、本発明はこれに限定されない。例えば円形や楕円形、四角形以外の多角形であっても良い。また、試薬３の形状も枠体１の形状に合わせて適宜形状設定しても良い。

（６）また、接着剤７については省略し、別途要した接着剤によって検知対象物の表面に装着するようにしても良い。さらには、第１リード線５及び第２リード線６については、予め設けるのではなく、使用時に別途接続するようにしても良い。

１…枠体、２…メッシュ電極（通気性電極）、３…試薬、４…接触電極、５…第１リード線、６…第２リード線、７…接着剤、Ｘ…液溜り

Claims (4)

1. 一方の面が検知対象物との装着面となると共に内部空間を備えた枠体と、
   前記内部空間に臨むように前記枠体の他方の面に設けられた通気性電極と、
   前記枠体に設けられ、前記検知対象物に接触する接触電極と
   を具備することを特徴とする湿潤大気応力腐食割れセンサー。
2. 前記内部空間に設けられ、塩化物を含む試薬とをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の湿潤大気応力腐食割れセンサー。
3. 通気性電極は、白金線から形成されたメッシュ電極であることを特徴とする請求項１または２記載の湿潤大気応力腐食割れセンサー。
4. 前記試薬は、苦汁の乾燥粉を圧縮成型したものであることを特徴とする請求項２または３に記載の湿潤大気応力腐食割れセンサー。

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