(57)【要約】【課題】土壌埋設された金属材料の腐食速度をより正確に評価する。【解決手段】埋設された金属材料に対し交流インピーダンス法による測定を実施し、土壌腐食反応を良く説明可能な等価回路に基づき、測定で得られたナイキスト線図から分極抵抗Ｒｐを算出し、算出した分極抵抗Ｒｐを用いて腐食速度を導出する。これにより、交流インピーダンス法の測定結果から埋設された金属材料の腐食速度をより正確に評価することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
土壌埋設された金属材料に対して交流インピーダンス法による測定を実施するインピーダンス測定手段と、
前記インピーダンス測定手段による測定で得られた測定結果から分極抵抗を算出する分極抵抗算出手段と、
前記分極抵抗から腐食速度を導出する腐食速度導出手段と、を有し、
前記分極抵抗算出手段は、前記インピーダンス測定手段による測定で得られたナイキスト線図に現れた２つの円弧のうち、低周波領域に現れた第二円弧の開始点から終着点までのインピーダンスの実部の値を分極抵抗として算出することを特徴とする土壌腐食速度測定装置。
【請求項２】
前記インピーダンス測定手段は、前記第二円弧から前記分極抵抗が算出可能な周波数の範囲で測定を実施することを特徴とする請求項１に記載の土壌腐食速度測定装置。
【請求項３】
土壌埋設された金属材料に対して交流インピーダンス法による測定を実施するステップと、
前記測定で得られた測定結果から分極抵抗を算出するステップと、
前記分極抵抗から腐食速度を導出するステップと、を有し、
前記分極抵抗を算出するステップは、前記測定で得られたナイキスト線図に現れた２つの円弧のうち、低周波領域に現れた第二円弧の開始点から終着点までのインピーダンスの実部の値を分極抵抗として算出することを特徴とする土壌腐食速度測定方法。
【請求項４】
前記測定を実施するステップは、前記第二円弧から前記分極抵抗が算出可能な周波数の範囲で測定を実施することを特徴とする請求項３に記載の土壌腐食速度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中に埋設された金属材料の腐食速度を導出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
我々の生活を支えるインフラ構造物の中で水道及びガスのパイプライン、電力用ケーブル管路、地下タンク、鋼管柱、支線アンカ等、地中に埋設し使用される鋼材をはじめとする金属材料は極めて多く存在する。地中に埋設されるこれら構造物は土壌腐食により劣化し、設備の寿命短縮により故障等を生じる（非特許文献１）。したがって、これらインフラ構造物の高い信頼性及び安全性を担保するために、適切な更改が不可欠である。
【０００３】
更改時期を判断する方法としては主に点検による方法がある。設備地上部では人または機械による直接的な点検が可能であるが、地中部では直接的な点検が困難である場合が多い。したがって、現行設備の保守・点検は地上部及び地際部のみ実施され、地中部の劣化度はほとんど確認されていない。
【０００４】
土壌腐食による劣化の評価が困難な設備地中部の安全・安心を担保しつつコストを最小限に抑えるには、地中部の腐食状態を予測・推定し更改優先順位を付与することで計画的に対処を行うプロアクティブなマネジメントが有効である。地中埋設された金属材料の腐食状態を予測・推定するためには、埋設環境下における土壌腐食による金属材料の腐食速度を評価する手法が効果的である。的確な腐食速度を評価するため、金属表面で生じる電気化学反応に着目し、電気化学的手法を用いることが有効である（非特許文献２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】門井 守夫、高橋 紹明、矢野 浩太郎、“金属材料の土壌腐食についての研究（第１報）”、防蝕技術、1967年、Vol. 16、No. 6、pp. 10-18
【非特許文献２】宮田 義一、朝倉 祝治、“電気化学的手法を中心とした土壌腐食計測（その1）”、材料と環境、1997年、Vol. 46、No. 9、pp. 541-551
【非特許文献３】西方 篤、“腐食系のインピーダンス特性と腐食モニタリング”、材料と環境、1999年、Vol. 48、No. 11、pp. 686-692
【非特許文献４】山本 悟、竹子 賢士郎、高谷 哲、“コンクリート中鋼材の腐食速度測定方法(CIPE法)の開発”、さび、日本防蝕工業株式会社、平成２７年１月、第148号、pp. 2-8
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
金属材料の腐食速度の評価には、分極抵抗の測定がよく用いられる。分極抵抗は、交流インピーダンス法を用いて測定することが可能であるものの、得られたデータの解釈が困難である。そのため、腐食反応表面を電気的な等価回路に置き換えることで、腐食反応に由来する分極抵抗成分を抽出しその値を決定することが多くなされている。最も単純な系として水溶液中の腐食反応を説明可能な等価回路が一般的に知られている（非特許文献３）。しかしながら、土壌腐食反応をよく説明可能な等価回路は示されておらず、土壌埋設された金属材料の分極抵抗を測定し腐食速度を評価する方法及び装置は実用化されていない。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、土壌埋設された金属材料の腐食速度をより正確に評価することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の本発明に係る土壌腐食速度測定装置は、土壌埋設された金属材料に対して交流インピーダンス法による測定を実施するインピーダンス測定手段と、前記インピーダンス測定手段による測定で得られた測定結果から分極抵抗を算出する分極抵抗算出手段と、前記分極抵抗から腐食速度を導出する腐食速度導出手段と、を有し、前記分極抵抗算出手段は、前記インピーダンス測定手段による測定で得られたＮｙｑｕｉｓｔ線図(ナイキスト線図)に現れた２つの円弧のうち、低周波領域に現れた第二円弧の開始点から終着点までのインピーダンスの実部の値を分極抵抗として算出することを特徴とする。
【０００９】
第２の本発明に係る土壌腐食速度測定方法は、土壌埋設された金属材料に対して交流インピーダンス法による測定を実施するステップと、前記測定で得られた測定結果から分極抵抗を算出するステップと、前記分極抵抗から腐食速度を導出するステップと、を有し、前記分極抵抗を算出するステップは、前記測定で得られたナイキスト線図に現れた２つの円弧のうち、低周波領域に現れた第二円弧の開始点から終着点までのインピーダンスの実部の値を分極抵抗として算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、土壌埋設された金属材料の腐食速度をより正確に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の土壌腐食速度測定装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】理想的な赤土に埋設された金属材料に対して交流インピーダンス法による測定を実施して得られたナイキスト線図である。
【図３】本実施形態の土壌腐食速度測定装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】土壌の導電性部を記述する等価回路である。
【図５】土壌の非導電性部を記述する等価回路である。
【図６】土壌腐食反応を良く説明可能な等価回路を示す。
【図７Ａ】異なる溶液抵抗条件で交流インピーダンス法による測定を実施して得られたナイキスト線図である。
【図７Ｂ】図７Ａの高周波領域を拡大した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態の土壌腐食速度測定装置の構成を示す機能ブロック図である。同図に示す土壌腐食速度測定装置１は、インピーダンス測定部１０、分極抵抗算出部２０、及び腐食速度導出部３０を備える。土壌腐食速度測定装置１は、埋設された金属材料に対し交流インピーダンス法による測定を実施し、測定結果から分極抵抗を算出し、分極抵抗から金属材料の腐食速度を導出する。本実施形態では、分極抵抗の算出過程において、土壌腐食反応を良く説明可能な等価回路に基づく考え方を用いることで、金属材料の腐食速度を電気化学的に導出することを可能とした。土壌腐食反応を良く説明可能な等価回路については後述する。
【００１４】
インピーダンス測定部１０は、埋設された金属材料に対し交流インピーダンス法による測定を実施する。例えば、白金対極１１、作用電極（分極抵抗を求めたい金属サンプル）１２、及び参照電極１３を用いた三電極法により実施する。これらの電極は、土壌１００に埋設した状態で測定を実施する。
【００１５】
腐食速度を導出するにあたって、腐食速度の導出を希望する金属材料が埋設された現地で交流インピーダンス法による測定を実施しても良いし、現地の土壌を採取し構築した模擬環境下で測定を実施しても良い。実際に現地に赴くことが困難であれば、類似の成分を含有し、類似の物理量を示し、類似の土性区分(土壌粒径分布)を示す、類似の土を用いることが好ましい。特定の場所に限定せず、ある地域に埋設された金属材料の腐食速度を知りたい場合、その地域の代表的な土壌、もしくは国土地理院等が発行する土壌マップに記載された土壌を用いる。例えば、関東であれば関東ロームを採用してもよい。
【００１６】
分極抵抗算出部２０は、土壌腐食反応を良く説明可能な等価回路に基づき、インピーダンス測定部１０による測定で得られたナイキスト線図から分極抵抗を算出する。
【００１７】
図２に、理想的な赤土に埋設された金属材料に対して交流インピーダンス法による測定を実施して得られたナイキスト線図を示す。同図に示すように、高周波領域と低周波領域のそれぞれに円弧が確認された。ここで、高周波領域の円弧を第一円弧、低周波領域の円弧を第二円弧とする。分極抵抗算出部２０は、後述の等価回路に基づき、第一円弧の開始点から終着点までの横軸の値（インピーダンスの実部）を土壌間隙中の溶液抵抗Ｒｓであるとし、第二円弧の開始点から終着点までの横軸の値を分極抵抗Ｒｐであるとして、第二円弧から分極抵抗Ｒｐを算出する。インピーダンス測定部１０による測定は、第二円弧から分極抵抗Ｒｐが算出可能な周波数範囲で実施する。例えば、第二円弧の約５０％（約０．１Ｈｚ）まで測定を行い、カーブフィッティングすることで分極抵抗Ｒｐを算出しても良い。
【００１８】
分極抵抗算出部２０で算出される分極抵抗Ｒｐの値は［Ω・ｃｍ2］であるため、作用電極１２の電極面積を予め把握している必要がある。
【００１９】
腐食速度導出部３０は、分極抵抗算出部２０で取得した分極抵抗Ｒｐを用いて腐食速度ｒを導出する。具体的には、以下のように腐食速度ｒを導出する。
【００２０】
分極抵抗Ｒｐから次式（１）に基づいて腐食電流密度ｉcorrを計算する。
【００２１】
【数１】
2018205125.tif 000003
【００２２】
ここで、ｉcorrは、腐食電流密度［Ａ／ｃｍ2］、Ｋは換算係数［Ｖ］、Ｒｐは分極抵抗［Ω・ｃｍ2］である。換算係数Ｋは予め求めておく。換算係数Ｋは、アノード及びカソード分極曲線からターフェル勾配を導いて次式（２）に基づいて計算する（非特許文献４参照）。
【００２３】
【数２】
2018205125.tif 000004
【００２４】
ここで、βａはアノード勾配［Ｖ／ｄｅｃａｄｅ］、βｃはカソード勾配［Ｖ／ｄｅｃａｄｅ］である。
【００２５】
もしくは、ターフェル勾配測定することなく、βａ＝βｃ＝０．１［Ｖ／ｄｅｃａｄｅ］と仮定し、換算係数Ｋを算出してもよい。
【００２６】
そして、次式（３）に基づいて腐食速度ｒを導出する。
【００２７】
【数３】
2018205125.tif 000005
【００２８】
ここで、ｒは腐食速度［ｃｍ／ｓｅｃ］、ｚはイオン価数、ρは密度［ｇ／ｃｍ2］、Ｆはファラデー定数［Ｃ］、Ｍは原子量［ｇ／ｍｏｌ］である。
【００２９】
図３は、本実施形態の土壌腐食速度測定装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【００３０】
インピーダンス測定部１０が埋設された金属材料に対し交流インピーダンス法による測定を実施し（ステップＳ１０１）、分極抵抗算出部２０が土壌腐食反応を良く説明可能な等価回路に基づき、ステップＳ１０１で得られたナイキスト線図の第二円弧から分極抵抗Ｒｐを算出し（ステップＳ１０２）、腐食速度導出部３０がステップＳ１０２で算出した分極抵抗Ｒｐを用いて腐食速度ｒを導出する（ステップＳ１０３）。
【００３１】
次に、本実施形態で用いる土壌腐食反応を良く説明可能な等価回路について説明する。
【００３２】
交流インピーダンス法で得られたデータを解釈するためには、腐食反応表面を電気的な等価回路に置き換えて解析する必要がある。
【００３３】
地中は、空気から成る気相、水溶液から成る液相、及び土壌から成る固相の三相が共存する環境であるとする。地中埋設された金属表面を考えると、気相、液相、及び固相と接する界面がそれぞれ存在する。これらのうち、土壌腐食は、水溶液と接する界面で発生する。一方、空気及び土壌と接する界面では土壌腐食は発生しない。
【００３４】
腐食が発生する水溶液との界面を導電性部とし、腐食が発生しない空気及び土壌との界面を非導電性部とする。
【００３５】
導電性部を記述する等価回路は、水溶液中の腐食反応を考慮することで達成される。図４に、導電性部を記述する等価回路（Ｒａｎｄｌｅｓ  ｃｅｌｌ  ｍｏｄｅｌ）を示す。図４に示す導電性部の等価回路は、一つの溶液抵抗Ｒｓに電気二重層容量Ｃｄｌと分極抵抗Ｒｐの並列回路を直列につないだ回路である。このときの交流インピーダンス法の測定結果(Ｎｙｑｕｉｓｔ線図）は、一つの半円を示すことが知られている（非特許文献３参照）。原点から円弧の開始点までの横軸の値が溶液抵抗Ｒｓに相当し、円弧の開始点から終着点までの横軸の値が分極抵抗Ｒｐに相当する。
【００３６】
非導電性部を記述する等価回路は、コンデンサ容量で記述可能であるとした。図５に、非導電性部を記述する等価回路を示す。
【００３７】
土壌埋設された金属表面は、導電性部及び非導電性部がランダムに配置された状況であると考えられる。本実施形態では、導電性部及び非導電性部を明確に分離することで、土壌腐食を良く説明可能な等価回路を考案した。すなわち、導電性部を記述する等価回路と非導電性部を記述する等価回路を並列につなぐことで単純化した等価回路において、土壌腐食反応を良く説明可能である。
【００３８】
図６に、土壌腐食反応を良く説明可能な等価回路を示す。同図に示す等価回路は、導電性部を記述する等価回路、すなわち１つの土壌粒子間隙中の溶液抵抗Ｒｓに電気二重層容量Ｃｄｌと分極抵抗Ｒｐの並列回路を直列につないだ回路と、非導電性部を記述する等価回路、すなわち土壌・水・空気のコンデンサ容量Ｃｓとを、並列につないだ等価回路である。
【００３９】
この等価回路について、土壌粒子間隙中の溶液抵抗Ｒｓを変化させることで妥当性を検討した。本検討における測定は三電極法で行い、土壌は赤土を用いた。土壌粒子間隙中の溶液抵抗Ｒｓは塩化ナトリウムにより変化させた。
【００４０】
図７Ａは、異なる溶液抵抗条件で交流インピーダンス法による測定を実施して得られたナイキスト線図である。図７Ｂは、図７Ａの高周波領域を拡大した図である。
【００４１】
溶液抵抗Ｒｓが低い条件（３％ＮａＣｌ）では、ほとんどの電流が図６の等価回路の導電性部（１つの土壌粒子間隙中の溶液抵抗Ｒｓに電気二重層容量Ｃｄｌと分極抵抗Ｒｐの並列回路を直列につないだ回路）を辿るため、水溶液中の腐食反応表面における等価回路とほぼ等しくなり、ナイキスト線図には１つの円弧が明確に現れた。
【００４２】
溶液抵抗Ｒｓが高くなるにつれて（１％ＮａＣｌ、０．５％ＮａＣｌ）、一部の電流が図６の等価回路の非導電性部（土壌・水・空気のコンデンサ容量Ｃｓ）を辿るため、図７Ｂから分かるように、より高周波領域にもう１つの円弧が現れ始めた。
【００４３】
溶液抵抗が最も高い条件(０．１％ＮａＣｌ）では、最終的に第一円弧及び第二円弧から成る２つの円弧が現れた。
【００４４】
以上の結果から、図６の等価回路は土壌腐食反応をよく説明可能であることを確認した。
【００４５】
溶液抵抗が低い条件で明確に現れた円弧は第二円弧に相当し、溶液抵抗の上昇に伴い高周波領域に出現した円弧は第一円弧に相当する。埋設された金属材料に対し交流インピーダンス法による測定を行い、得られたナイキスト線図から分極抵抗Ｒｐを算出するためには、第二円弧の開始点から終着点までの横軸の値を算出することで達成される。
【００４６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、一般的に知られる水溶液中の腐食反応を説明可能な等価回路では解釈が困難な土壌埋設された金属材料に対して、土壌腐食反応を良く説明可能な等価回路に基づいて、交流インピーダンス法による測定で得られたナイキスト線図から分極抵抗Ｒｐを算出し、算出した分極抵抗Ｒｐを用いて腐食速度を導出することにより、交流インピーダンス法の測定結果から土壌埋設された金属材料の腐食速度をより正確に評価することが可能となる。
【符号の説明】
【００４７】
１…土壌腐食速度測定装置
１０…インピーダンス測定部
１１…白金対極
１２…作用電極
１３…参照電極
２０…分極抵抗算出部
３０…腐食速度導出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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