(57)【要約】【課題】地中電位勾配の中心部を通過するように埋設された金属パイプラインをカソード防食するに際して、中央部の等電位面間隔が密で周辺部での等電位面間隔が疎になる地中電位勾配内のパイプラインに対して直流電食リスクや過防食リスクが生じないようにする。【解決手段】埋設金属パイプラインＰのカソード防食システムは、地中電位勾配の中心部においてパイプラインＰの近傍に設置され、パイプラインＰのコーティング欠陥を模擬するクーポン１０と、パイプラインＰに接続され、地中電位勾配の存在する領域を対象に防食電流を供給する外部電源装置２０と、クーポン１０におけるクーポン流入直流電流密度を設定値と比較して外部電源装置２０の出力を調整することで、クーポン１０におけるクーポン流入直流電流密度がクーポン電流密度を指標としたカソード防食管理基準内になるように制御する制御部３０を備え、制御部３０は、クーポン流入直流電流密度の最小値ＩDCminを設定時間毎に求め、最小値ＩDCminを設定値と比較する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心球状の等電位面を有する地中電位勾配が存在し且つこの地中電位勾配の極性が経時的に反転する状況下で、この地中電位勾配の中心部を通過するように埋設された金属パイプラインをカソード防食するためのシステムであって、
前記地中電位勾配の中心部において前記パイプラインの近傍に設置され、当該パイプラインのコーティング欠陥を模擬するクーポンと、
前記パイプラインに接続され、前記地中電位勾配の存在する領域を対象に防食電流を供給する外部電源装置と、
前記クーポンにおけるクーポン流入直流電流密度を設定値と比較して前記外部電源装置の出力を調整することで、前記クーポンにおけるクーポン流入直流電流密度がクーポン電流密度を指標としたカソード防食管理基準内になるように制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記クーポン流入直流電流密度の最小値を設定時間毎に求め、該最小値を前記設定値と比較することを特徴とする埋設金属パイプラインのカソード防食システム。
【請求項２】
前記中心部が直流電気鉄道における踏切部のレール下であることを特徴とする請求項１に記載された埋設金属パイプラインのカソード防食システム。
【請求項３】
前記設定値を１．０〜５．０Ａ／ｍ2の範囲で設定することを特徴とする請求項１に記載された埋設金属パイプラインのカソード防食システム。
【請求項４】
前記クーポンは、前記パイプラインを覆うケーシング内に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された埋設金属パイプラインのカソード防食システム。
【請求項５】
前記パイプラインは高電気絶縁性のプラスチックコーティングが施されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載された埋設金属パイプラインのカソード防食システム。
【請求項６】
前記制御部は、一つの単位時間で求められるクーポン流入直流電流密度の値を記憶手段に記憶し、該記憶手段に記憶した値と次の単位時間で求められるクーポン流入直流電流密度の値とを比較して、より小さい値を記憶手段に記憶する動作を繰り返し、前記設定時間内で最後に記憶手段に記憶した値を前記最小値として出力することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載された埋設金属パイプラインのカソード防食システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部電源方式による埋設金属パイプラインのカソード防食システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、地中に埋設された金属パイプライン（以下単にパイプラインという）のカソード防食管理は、パイプラインの周辺の地表面に設置された照合電極（例えば、飽和硫酸銅電極）とパイプラインとを電気的に接続し、パイプラインと照合電極との間の電位差として定義される管対地電位が、防食電位に合格しているか否かで管理されている。このような防食電位を指標としたカソード防食管理の下では、外部電源方式によるパイプラインのカソード防食システムは、パイプライン周辺の電気的な状況変化に対して計測される管対地電位が常に防食電位に合格するように、パイプラインに接続された外部電源装置のアノードから出力される防食電流を調整する制御（定電位制御）が行われる。
【０００３】
一方、電気絶縁性の高いプラスチックコーティングが施されたパイプラインに対しては、クーポン（Coupon）を用いたカソード防食管理が行われている。クーポンとは、パイプラインのコーティング欠陥を模擬したものであり、パイプラインと同一材質の金属面を有した金属片をパイプラインに電線を介して接続し、この金属面がパイプライン近傍の電解質に接するように設置したものである。クーポンを用いたカソード防食管理の一つとして、クーポン流入直流電流密度の計測に基づく直流電食リスクの管理がある。このような管理の下では、外部電源方式によるパイプラインのカソード防食システムは、パイプライン周辺の電気的な状況変化に対して計測されるクーポン流入直流電流密度（ＩDC）が常にカソード防食管理基準（０．１〜４０Ａ／ｍ2）に合格するように、パイプラインに接続された外部電源装置のアノードから出力される防食電流を調整する制御が行われる（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８０８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
地中を流れる直流電気鉄道のレール漏れ電流は、この直流電流によって地中電位勾配を生じさせる。特に、直流電気鉄道の踏切部では、レールと交差する方向に沿って、踏切部のレールを中心にして同心球状の等電位面を有する地中電位勾配が生じ、その等電位面は踏切部のレールに近いほど密になり、踏切部のレールから離れるほど疎になる。
【０００６】
一方、近年の直流電気鉄道は回生制動車両を含み、踏切部を通過する車両の力行時には踏切部のレールから地中にレール漏れ電流が流出する傾向になり、踏切部を通過する車両の回生制動時には踏切部のレールに地中を流れる電流が引き寄せられる傾向になる。この際、踏切部のレールを中心にした地中電位勾配は、踏切部を通過する車両が力行時と回生制動時とで極性が反転することになる。
【０００７】
このような同心球状の等電位面を有する地中電位勾配の中心部を通過するように埋設されたパイプラインを対象にして、従来技術のように、クーポン流入直流電流密度がカソード防食管理基準に合格するように外部電源装置を制御するカソード防食を行う場合には、クーポンの設置位置によって適正なカソード防食を行うことができない場合がある。すなわち、クーポンの設置位置が踏切部のレールから離れている場合には、地中電位勾配の影響によるクーポン流入直流電流密度の変化が小さくなり、モニタされるクーポン流入直流電流密度がカソード防食管理基準に合格するように外部電源装置を制御したとしても、等電位面の間隔が密になる地中電位勾配の中央部においては、局部的にパイプラインの直流腐食リスクが高くなることが生じうる。
【０００８】
より具体的には、踏切部の周辺に設置したクーポンによってモニタされたクーポン流入直流電流密度がカソード防食管理基準に合格していたとしても、踏切部を通過する車両の力行時には、埋設パイプラインにおける踏切部のレール下では過防食リスクが生じる可能性があり、踏切部を通過する車両の回生制動時には埋設パイプラインにおける踏切部のレール下では直流電食リスクが生じる可能性がある。
【０００９】
また、踏切部のレールが複線の場合などでは、一つの踏切部を回生制動車両と力行車両が同時期に通過することがある。このような場合には、踏切部における地中電位勾配の経時的な変化は頻繁且つ複雑になる。このような状況で、モニタしたクーポン流入直流電流密度の変化に応じて単純に防食電流を増加・減少すると、レール漏れ電流が大きくなると防食電流の出力が低下することになり、レール漏れ電流が大きくなった直後にレール側に向けて電流を引き寄せるような極性反転が生じると、応答遅れによってレール側に向けて電流を引き寄せるように地中電位勾配が反転した時点で防食電流が低く抑えられている状態になり、極めて直流電食リスクの高い状態を作ってしまう可能性がある。
【００１０】
本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、カソード防食がなされていない状態で同心球状の等電位面を有する地中電位勾配が存在し且つこの地中電位勾配の極性が経時的に反転する状況下で、この地中電位勾配の中心部を通過するように埋設されたパイプラインをカソード防食するに際して、地中電位勾配内のパイプラインに対して直流電食リスクや過防食リスクが生じないようにすること、また、地中電位勾配の経時的な変化が頻繁且つ複雑に生じる場合であっても、地中電位勾配内のパイプラインを常に直流電食リスクが生じないようにすること、等が本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するために、本発明による埋設金属パイプラインのカソード防食システムは、以下の構成を少なくとも具備するものである。
【００１２】
同心球状の等電位面を有する地中電位勾配が存在し且つこの地中電位勾配の極性が経時的に反転する状況下で、この地中電位勾配の中心部を通過するように埋設された金属パイプラインをカソード防食するためのシステムであって、前記地中電位勾配の中心部において前記パイプラインの近傍に設置され、当該パイプラインのコーティング欠陥を模擬するクーポンと、前記パイプラインに接続され、前記地中電位勾配の存在する領域を対象に防食電流を供給する外部電源装置と、前記クーポンにおけるクーポン流入直流電流密度を設定値と比較して前記外部電源装置の出力を調整することで、前記クーポンにおけるクーポン流入直流電流密度がクーポン電流密度を指標としたカソード防食管理基準内になるように制御する制御部を備え、前記制御部は、前記クーポン流入直流電流密度の最小値を設定時間毎に求め、該最小値を前記設定値と比較することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
このような特徴を有する埋設金属パイプラインのカソード防食システムは、同心球状の等電位面を有する地中電位勾配が存在し且つこの地中電位勾配の極性が経時的に反転する状況下で、この地中電位勾配の中心部を通過するように埋設されたパイプラインをカソード防食するに際して、地中電位勾配の中心部にクーポンを設置し、このクーポンにおけるクーポン流入直流電流密度がカソード防食管理基準内になるようにパイプラインに接続した外部電源装置の出力を制御するので、地中電位勾配内でパイプラインの直流電食リスクや過防食リスクが生じないようにすることができる。
【００１４】
また、地中電位勾配の中心部に設置されたクーポンにおけるクーポン流入直流電流密度をカソード防食管理基準内に制御する制御部が、クーポン流入直流電流密度の最小値を設定時間毎に求め、この最小値を設定値と比較する制御を行うので、地中電位勾配の経時的な変化が頻繁且つ複雑に生じる場合であっても、地中電位勾配内のパイプラインを常に直流電食リスクが生じないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るカソード防食システムの構成例を示した説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係るカソード防食システムにおける制御部の具体的な構成例を示した説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係るカソード防食システムにおける演算処理部の処理動作例を示した説明図である。
【図４】踏切部下を埋設金属パイプラインが横断する場合におけるパイプラインの直流電食リスクを示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係るカソード防食システムの構成例を示した説明図である。本発明の実施形態に係るカソード防食システムは、埋設された金属パイプラインＰを対象として設置されるものであるが、パイプラインＰの絶縁区画された防食範囲全体を対象とするものではなく、特異な直流電食リスクが生じうる限定的な範囲を対象にして部分的にパイプラインＰにカソード防食を施すものである。以下に示すパイプラインＰは、電気絶縁性の高いプラスチックコーティング（例えば、ポリエチレン被覆）が施された鋼製パイプラインを例にして説明する。
【００１７】
ここでの防食対象は、カソード防食がなされていない状態で同心球状の等電位面を有する地中電位勾配が存在し且つこの地中電位勾配の極性が経時的に反転する状況下で、この地中電位勾配の中心部を通過するように埋設されたパイプラインＰであり、そのパイプラインＰにおいて地中電位勾配の影響を受けている範囲を対象にしている。より具体的には、直流電気鉄道の踏切部の下にレールＲと交差する方向に埋設されたパイプラインＰにおいて、レールを中心にして生じる地中電位勾配の影響を受けている範囲が対象になる。
【００１８】
踏切部ではレールＲの上面を路面Ｓと一致させるための溝Ｇが形成されており、その溝Ｇに水等の電解質が溜まりやすいことから、レール漏れ抵抗が低い状態になり易い。このようにレール漏れ抵抗が低い踏切部においては、局部的なカソード防食がなされていない状態では、レール漏れ電流によってレールＲを中心として同心球状の等電位面Ｖ１を有する地中電位勾配が生じる。この地中電位勾配は中心部で等電位面Ｖ１の間隔が密になり、周辺部で等電位面Ｖ１の間隔が疎になる。
【００１９】
また、近年、直流電気鉄道の回生制動車両の普及によって、踏切部の下にはレールＲからレール漏れ電流が地中に流出する傾向にある状態とレールＲに向かって地中を流れる電流が流入する傾向にある状態が出現し、この相反する状態によってレールＲを中心に生じる地中電位勾配はその極性が経時的に反転する。
【００２０】
本発明の実施形態に係るカソード防食システムは、このような地中電位勾配の中心部を通過するように埋設された金属パイプラインＰに対して設置され、地中電位勾配の中にあるパイプラインＰを部分的にカソード防食するものであり、クーポン１０と外部電源装置２０と制御部３０を備える。
【００２１】
クーポン１０は、地中電位勾配の中心部においてパイプラインＰの近傍に設置され、パイプラインＰに電線１１を介して接続されている。このクーポン１０はパイプラインＰのコーティング欠陥を模擬するものである。図示の例では、踏切部のレールＲの下にクーポン１０が設置されている。踏切部を横切るパイプラインＰは一般にケーシングＣに覆われているが、その場合にはクーポン１０はケーシングＣ内の電解質に金属面が接するように配置される。クーポン１０とパイプラインＰとを接続する電線１１にはクーポン流入直流電流密度をモニタするための電流計１２が備えられている。
【００２２】
外部電源装置２０は、パイプラインＰに接続され、地中電位勾配の存在する領域を対象にしてパイプラインＰに防食電流を供給するものである。図示の例では、外部電源装置２０は踏切部外側の地中にアノード２１を埋設しており、アノード２１とパイプラインＰとを接続する電線２２には直流電源２３と出力調整器（例えば可変抵抗器）２４が直列に接続されている。ここでの直流電源２３は交流電源からの交流入力を変圧器や整流器を介して直流出力にしたものであってもよく、この場合の出力調整器２４は整流器の位相調整を行うものになる。
【００２３】
制御部３０は、クーポン１０におけるクーポン流入直流電流密度を設定値と比較して外部電源装置２０の出力を調整することで、クーポン１０におけるクーポン流入直流電流密度がクーポン電流密度を指標としたカソード防食管理基準内になるように制御するものである。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態に係るカソード防食システムにおける制御部３０の具体的な構成例を示した説明図である。この例では、外部電源装置の直流電源２３は、交流電源からの交流入力を変圧器２３Ａとサイリスタ２３Ｂによって直流出力に変換している。制御部３０には、クーポン１０とパイプラインＰとを接続する電線１１に設けられたクーポン電流検出用シャント抵抗１２Ａからクーポン電流が入力される。制御部３０に入力されたクーポン電流はローパスフィルタ３１と増幅器３２を経て演算処理部３３に入力される。演算処理部３３は、クーポン流入直流電流密度の最小値を設定時間毎に求めて出力する。
【００２５】
演算処理部３３から出力されたクーポン流入直流電流密度の最小値は設定時間（例えば１０ｓｅｃ）毎に比較増幅器３４に入力され、比較増幅器３４で設定値と比較される。比較増幅器３４は演算処理部３３から出力されたクーポン流入直流電流密度の最小値と設定値との差の信号をパルス制御回路３５に出力する。パルス制御回路３５は、比較増幅器３４から出力された信号と、直流電源２３の直流出力のフィードバック信号に応じてサイリスタ２３Ｂの位相を調整して直流電源２３の直流出力を調整する。直流電源２３の直流出力は出力電流検出用シャント抵抗２３Ｃによって検出され、クーポン電流制御回路３６を介して電流値に変換された信号がパルス制御回路３５にフィードバックされる。
【００２６】
図３は演算処理部３３の処理動作例を示した説明図である。制御部３０は、クーポン電流検出用シャント抵抗１２Ａから０．１ｍｓのサンプリング間隔でクーポン電流Ｉを検出する。そして、２０ｍｓの単位時間毎に２００個のクーポン電流Ｉ（Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，…，Ｉ198，Ｉ199，Ｉ200）の検出値から一つのクーポン流入直流電流密度ＩDCを下記式（１）によって求める（但し、Ａ：クーポンの断面積、Ｉｎ：ｎ番目にサンプリングされたクーポン電流の検出値）。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
２０ｍｓの単位時間毎に一つのクーポン流入直流電流密度ＩDCを求めると、１０ｓの設定時間では５００個のクーポン流入直流電流密度ＩDC（ＩDC1，ＩDC2，ＩDC3，…，ＩDC498，ＩDC499，ＩDC500）が求められるが、演算処理部３３は５００個のクーポン流入直流電流密度ＩDC（ＩDC1，ＩDC2，ＩDC3，…，ＩDC498，ＩDC499，ＩDC500）を比較し、その中の最小値ＩDCminを１０ｓの設定時間毎に出力する。計測時間を例えば１ｈに設定すると、１０ｓの設定時間毎に３６０個の最小値ＩDCminが演算処理部３３から出力されることになる。
【００２９】
演算処理部３３の動作としては、例えば、一つの単位時間（２０ｍｓ）で求められるクーポン流入直流電流密度の値ＩDC1を記憶手段に記憶し、この記憶手段に記憶した値と次の単位時間（２０ｍｓ）で求められるクーポン流入直流電流密度の値ＩDC2とを比較して、より小さい値を記憶手段に記憶する動作を繰り返し、設定時間（１０ｓ）内で最後に記憶手段に記憶した値を最小値ＩDCminとして出力する。このようにすることで、少ない記憶容量で最小値ＩDCminを求めることが可能になる。
【００３０】
以下に、踏切部を埋設金属パイプラインが横断する場合を例にして、本発明の実施形態に係るカソード防食システムの作用を説明する。図４は、踏切部下を埋設金属パイプラインが横断する場合におけるパイプラインの直流電食リスクを示した説明図である。
【００３１】
図４（ａ）は、踏切部でレール漏れ電流が発生している場合であり、例えば、踏切部を通過する車両Ｔ１の力行時にこのような状態になりやすい。この場合には、踏切部のレールＲの下ではパイプラインＰにはレール漏れ電流が流入する傾向になり、パイプラインＰ内に流入した電流は管内を流れ、レールＲから離れた地点で地中に流出する傾向になる。すなわち、レールＲを中心に生じる地中電位勾配の外側に直流電食リスクが生じる。
【００３２】
一方、図４（ｂ）は、踏切部のレールＲに向かって地中の電流が流入する場合であり、例えば、踏切部を通過する車両Ｔ２の回生制動時にこのような状態になりやすい。この場合には、踏切部のレールＲを中心に生じる地中電位勾配の外でパイプラインＰに電流が流入すると、この電流は管内を流れ、地中電位勾配の中心部（踏切部のレールＲの下）でパイプラインＰからレールＲに向かって地中に流出する傾向になる。すなわち、踏切部のレールＲの下に直流電食リスクが生じる。
【００３３】
踏切部では、図４（ａ）に示した状態と図４（ｂ）に示した状態が異なるタイミングで出現するので、ある場合には、図４（ａ）に示す状態で非常に大きなレール漏れ電流が発生している状態から急に図４（ｂ）に示すような地中の電流がレールＲに引き寄せられる状態に切り替わることがある。このような場合に、レールＲの下に設置したクーポンによって計測されるクーポン流入直流電流密度の変化を単純に利用して防食電流を増減させると、図４（ａ）に示した状態では防食電流を大きく減少させる制御がなされ、その直後に図４（ｂ）に示した状態に切り替わったときに防食電流を増大させる制御が間に合わず、防食電流を減少させた状態で地中の電流がレールＲに引き寄せられる状態になり、踏切部のレールＲの下で深刻な直流電食リスクを招くことになる。
【００３４】
一方、本発明の実施形態に係るカソード防食システムは、常に設定時間（１０ｓ間）のクーポン流入直流電流密度の最小値ＩDCminを設定値と比較して防食電流を調整するので、図４（ａ）に示した状態でレール漏れ電流が瞬間的に大きくなったとしても、防食電流を過剰に低下させることがない。したがって、レール漏れ電流が大きい図４（ａ）に示した状態から急に図４（ｂ）に示すような地中の電流がレールＲに引き寄せられる状態に切り替わったとしても、防食電流はある程度の大きさで供給されており、踏切部のレールＲの下で深刻な直流電食リスクを招くことがない。
【００３５】
また、本発明の実施形態に係るカソード防食システムは、中心部で等電位面の間隔が密になり周辺部で等電位面の間隔が疎になる地中電位勾配の中心部にクーポン１０を設置しているので、地中電位勾配の外（踏切部の外）にクーポンを設置する場合と比較して、極性が反転する地中電位勾配の影響を感度良くクーポン流入直流電流密度の変化で検出することができ、経時的に極性が反転する地中電位勾配に対してパイプラインＰのカソード防食状態を適正に管理することができる。
【００３６】
更に、本発明の実施形態に係るカソード防食システムは、クーポン流入直流電流密度がクーポン電流密度を指標としたカソード防食管理基準（０．１〜４０Ａ／ｍ2）内になるように制御するものである。その際に、設定時間（１０ｓ間）のクーポン流入直流電流密度の最小値ＩDCminと比較される設定値は、カソード防食管理基準である０．１〜４０Ａ／ｍ2の中間値、例えば、１．０〜５．０Ａ／ｍ2の範囲で設定することが好ましい。このような値に設定することで、地中電位勾配の極性が急に反転する場合であっても、過防食リスクと直流電食リスクの両方を回避することが可能になる。
【符号の説明】
【００３７】
１０：クーポン，１１，電線，１２：電流計，
１２Ａ：クーポン電流検出用シャント抵抗，
２０：外部電源装置，２１：アノード，２２：電線，２３：直流電源，
２３Ａ：変圧器，２３Ｂ：サイリスタ，
２３Ｃ：出力電流検出用シャント抵抗，２４：出力調整器，
３０：制御部，３１：ローパスフィルタ，３２：増幅器，
３３：演算処理部，３４：比較増幅器，３５：パルス制御回路，
３６：クーポン電流制御回路，
Ｐ：パイプライン，Ｒ：レール，Ｇ：溝，Ｓ：路面，Ｃ：ケーシング，
Ｖ１：等電位面，Ｔ１，Ｔ２：車両
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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