(57)【要約】      （修正有）【課題】消火配管や空調配管として汎用的に用いられる亜鉛めっき鋼管からなる密閉配管において、水素ガスの発生を抑制する。【解決手段】亜鉛めっき鋼管の内部に炭酸イオン水溶液を充填することにより、亜鉛めっき鋼管内部を不動態皮膜で覆うことができる。すでに、亜鉛めっき鋼管からなる密閉配管が構築されている場合は、炭酸イオン水溶液を封入することにより、配管系を交換することなく、不動態皮膜を形成して水素ガスの発生を防止することができる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面が不動態皮膜で覆われていることを特徴とする亜鉛めっき鋼管。
【請求項２】
請求項１に記載の亜鉛めっき鋼管から構築されていることを特徴とする密閉配管。
【請求項３】
請求項２に記載の密閉配管を備えることを特徴とする建築物。
【請求項４】
亜鉛めっき鋼管の内部に炭酸イオン水溶液を充填することを特徴とする、内面が不動態皮膜で覆われている亜鉛めっき鋼管の製造方法。
【請求項５】
亜鉛めっき鋼管からなる密閉配管に炭酸イオン水溶液を封入することを特徴とする水素ガス発生抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、亜鉛めっき鋼管に関する。
【背景技術】
【０００２】
亜鉛めっき鋼管は消火配管や空調配管として汎用的に用いられる管材である。
出願人が設計施工した超高層複合ビル（以下、Ａビルという）において、亜鉛めっき鋼管を用いた空調用の密閉配管のエア抜き作業中に、ガス漏れ感知器が作動するという事例が生じた。この密閉配管内に滞留しているガスを採取し分析したところ、５９ｖ／ｖ％もの水素を含むことが判明した。
Ａビルでは、パイプシャフト内に密閉配管のエア抜き設備と都市ガス設備とが設置され、ガス漏れ検知器が備えられていたために、配管内に滞留しているガスに水素が含まれることが明らかとなったが、亜鉛めっき鋼管を用いた密閉配管内で水素ガスが発生することは一般に認知されていない。本発明者らが調査したところ、非特許文献１〜３以外に亜鉛めっき鋼管内での水素ガスの発生は報告されていない。
水素は空気中に４〜７５ｖ／ｖ％含まれたときに爆発的に燃焼する。密閉配管内に滞留したガスを抜くためのエア抜き配管は通常室内に設置されており、室内に水素を高濃度で含むガスが放出されると、コンセントの抜き差しや衣類の擦れ時の静電気により火花が発生して爆発する危険性がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】山手ら  「消化配管における水素発生事象の実験的検討」、材料と環境、2010
【非特許文献２】村上ら  「静止中性水での亜鉛めっき鋼管からの水素ガス発生検証」、材料と環境討論会、2010
【非特許文献３】中島  「消化設備に潜むRisk」、腐食センターニュースNo.61、2012
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、亜鉛めっき鋼管からなる密閉配管において、水素ガスの発生を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１．内面が不動態皮膜で覆われていることを特徴とする亜鉛めっき鋼管。
２．１．に記載の亜鉛めっき鋼管から構築されていることを特徴とする密閉配管。
３．２．に記載の密閉配管を備えることを特徴とする建築物。
４．亜鉛めっき鋼管の内部に炭酸イオン水溶液を充填することを特徴とする、内面が不動態皮膜で覆われている亜鉛めっき鋼管の製造方法。
５．亜鉛めっき鋼管からなる密閉配管に炭酸イオン水溶液を封入することを特徴とする水素ガス発生抑制方法。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の亜鉛めっき鋼管は、内部が不動態皮膜で覆われており、亜鉛が溶出しない。水質によっては、亜鉛が溶出すると水素ガスが発生するが、本発明の亜鉛めっき鋼管は、亜鉛が溶出しないため、水素ガスの発生を防止することができ、水素ガスが爆発する危険性がない。
亜鉛めっき鋼管の内部に炭酸イオン水溶液を充填するだけで、亜鉛めっき鋼管内部を不動態皮膜で覆うことができる。すでに、亜鉛めっき鋼管からなる密閉配管が構築されている場合は、炭酸イオン水溶液を封入することにより、配管系を交換することなく、不動態皮膜を形成して水素ガスの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】亜鉛−水系の電位−ｐＨ図。
【図２】Ａビルの配管系統の模式図。
【図３】Ａビルのエア抜き配管からのガス採取方法を示す図。
【図４】実験１の模式図。
【図５】実験１の電位−ｐＨ図。
【図６】実験２の電位−ｐＨ図。
【図７】実験２で用いた亜鉛めっき鋼管内部の写真。
【図８】実験３の模式図。
【図９】実験３で発生した水素量を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、亜鉛めっき鋼管の内面を不動態皮膜で覆い、亜鉛から水への電子の供給を減らすことにより、亜鉛−水系における電位とｐＨとを水素ガスが発生しない領域に制御し、水素ガスの発生を抑制した亜鉛めっき鋼管に関する。
【０００９】
非特許文献１には、亜鉛めっき鋼管からの水素ガス発生機構として、熱力学的平衡論から水素イオンの還元をカソード反応、亜鉛の酸化をアノード反応とする電気化学反応によって水素が発生することが報告されている。すなわち、水は緩やかに電離（Ｈ２Ｏ→Ｈ＋＋ＯＨ−）しているが、亜鉛が溶出すると電子が亜鉛から水に流れ込み、亜鉛のイオン化というアノード反応と、水が電子を受け取る下記式（２）、（３）に示すカソード反応が進行する。
アノード反応：  Ｚｎ→Ｚｎ２＋＋２ｅ−    （１）
カソード反応：  １／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→２ＯＨ−    （２）
２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２↑    （３）
密閉配管内では酸素が少ないため、カソード反応として主に（３）の反応が進行し、水素ガスが発生する。
【００１０】
図１に、亜鉛−水系の電位−ｐＨ図（日本鉛亜鉛需要研究会  亜鉛ハンドブック、ｐ．８６、１９７７）を示す。亜鉛は両性金属のため、強酸、強アルカリの水溶液には急速に溶解して腐食する。また、水温が５０℃を超えると腐食速度が速くなることが知られている。
図１中の線ａ（水素発生平衡電位線）、線ｂ（酸素発生平衡電位線）の２本の破線は、ネルンストの式で求められた水の状態を示す。線ａ、ｂで区分された電位、ｐＨにおける水の状態は以下のとおりである。
領域１（線ａと線ｂに挟まれた範囲）：水は緩やかに電離し安定した状態。
領域２（線ｂよりも上方の範囲）：水の電解により酸素ガスが発生する領域。
領域３（線ａよりも下方の範囲）：水の電解により水素ガスが発生する領域。
亜鉛と接した水の電位とｐＨとを、水素ガスが発生可能な領域である領域３の外部（線ａよりも上方）とすることにより、水素ガスの発生を抑制することができる。
【００１１】
ここで、水素ガスが発生する領域である領域３は、酸化還元電位が低く、水が電子を放出しやすいことを意味するが、電子は亜鉛から供給されている。亜鉛を不動態とすることにより、亜鉛から水への電子の供給を防ぎ、水の酸化還元電位を高くすることができる。
亜鉛めっき鋼管の内面を覆う不動態としては、特に制限されず、水酸化亜鉛（Ｚｎ（ＯＨ）２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、塩基性炭酸亜鉛（Ｚｎ５（ＣＯ３）２（ＯＨ）６）等が挙げられる。
不動態皮膜を形成する方法は特に制限されない。例えば、亜鉛めっき鋼管の内部に、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、炭酸イオン水溶液等を充填すればよい。不動態皮膜を容易に形成することができ、また安全であるため、炭酸イオン水溶液を内部に充填することが好ましい。炭酸イオン水溶液は、炭酸イオンを含むものであれば特に制限されず、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素アンモニウム等の炭酸水素塩の水溶液、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、炭酸アンモニウム等の炭酸塩の水溶液、二酸化炭素を溶解させた水等を用いることができる。
【００１２】
本発明の亜鉛めっき鋼管は、消火配管や空調配管である密閉配管に好適に用いることができる。密閉配管は、発生したガスを定期的にエア抜きする必要があり、密閉配管内に滞留するガスに水素が含まれていると、爆発の危険性がある。それに対し、給排水用の配管は、発生した水素は水とともに排出され、配管内に滞留せず爆発の危険性はない。
【００１３】
予め、不動態皮膜で内面が覆われた亜鉛めっき鋼管で密閉配管を構築することは、建築物の建築時や、大規模改装時にしかできない。すでに亜鉛めっき鋼管による密閉配管が構築されている場合は、密閉配管に炭酸イオン水溶液を封入することで、配管内面を不動態皮膜で覆い、水素の発生を抑制することができる。
【実施例】
【００１４】
Ａビルの空調熱源は、高層、中層、低層の３系統で構成され、蒸気−水交換器で二次側温水を供給している。一方、冷熱源は、低層系統には各冷凍機・氷蓄熱槽から供給される１次冷水を直送し、その他の２系統へは水−水熱交換器により２次冷水に変換して送水している。また、いずれの系統とも密閉配管であり、配管材料として亜鉛めっき鋼管を用いている。なお、各系統とも配管内のエア抜き時に配管内に補給水が自動供給される以外は、水の入れ替えは行っていない。
図２に、Ａビルの配管系統の模式図を示す。各系統でのガス採取箇所及び採水箇所を図２に示す。配管内からのガス採取は、各系統最上階に設けたエア抜き箇所からサンプリングした。また、各系統配管内の循環水は地下階の機械室の熱交換器通過後のバルブから採水した。
【００１５】
図３に、Ａビルのエア抜き配管からのガス採取方法を示す。エア抜き配管からヘッダーに繋がるホースの一部を取り外し、生理食塩水経由後、湿式ガスメータに通じるラインを設けた。ガス採取時には、図３の上部バルブを開放し湿式ガスメータにより滞留ガス量を計量した。ガス組成評価のために、ガスの一部をテドラーバックに採取し、ガスクロマトグラフ（株式会社日立サイエンスシステムズ製、型式：Ｇ−６０００、検出器：ＴＣＤ、キャリアガス：アルゴン）で水素、酸素、二酸化炭素、窒素ガス、硫化水素ガスの組成量を求めた。各系統の循環水については、ＪＩＳ法に準じて各水質項目を分析した。
【００１６】
各系統の滞留ガスを採取し、組成を分析した結果を表１に示す。採取した滞留ガスのいずれも高濃度で水素ガスが検出され、高層系統、低層系統では５９％、４７％もの高濃度の水素ガスが含まれていた。また、酸素は水素ガス濃度に反して大幅に低下していた。中層系統は、高層系統、低層系統と比べて水素ガス濃度が低かった。これは、配管の長さ（総面積）や、ガスが集まりやすい縦方向の配管とガスが集まりにくい横方向の配管の割合等の配管構造の違いに由来する。なお、硫化水素ガスはいずれの系統からも検出されなかった。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
各系統の循環水並びにＡビルへの引込上水（補給水）を採取し、水質分析を実施した。表２にこれらの結果を示す。補給水の水質は、国内水道水の平均値（腐食防食学会、第２５回技術セミナー資料、ｐ．１３、２００１）と比較して、電気伝導率、酸消費量（ｐＨ４．８）、全硬度、カルシウム硬度、塩化物イオン濃度、硫酸イオン濃度が高かった。
各系統の循環水は、いずれも補給水よりｐＨが高く、酸消費量（ｐＨ４．８）及びイオン状シリカ濃度が低下していた。ｐＨの上昇は、遊離炭酸濃度の減少によると考えられる。また、酸消費量（ｐＨ４．８）とカルシウム硬度の低下は、ｐＨ上昇に伴う炭酸カルシウムの析出によると考えられる。さらに、イオン状シリカ濃度の低下は、亜鉛めっき鋼管の亜鉛との化合物生成によるものと考えられる。
上記水質は、各系統循環水の水質を見る限り、亜鉛めっき鋼管を使用した密閉式配管系特有の水質であった。ただし、各系統循環水から検出された亜鉛は、いずれも補給水より高いことから、亜鉛めっき鋼管の皮膜金属である亜鉛の腐食が進行していたものと推察される。なお、各系統循環水の溶存酸素を別途計測したが、いずれも検出されなかった。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
「実験１」
図４に、実験１の模式図を示す。
５０Ａの亜鉛めっき鋼管１に、Ａビルに引き込まれる水道水を充填し、回転子を入れて、亜鉛めっき鋼管１の上下を塩化ビニル製キャップ２ａ、２ｂで密閉した。これを、４５℃の恒温水槽に設置して、マグネチックスターラーで亜鉛めっき鋼管１内部の水を緩やかに撹拌した。一週間経過後、窒素を充填したグローブボックス内で上側のキャップ２ａを取り外してｐＨ及び電位を測定した。その結果、ｐＨは７．６、電位は−０．６２４Ｖであった。なお、電位の測定は、標準水素電極（ＳＨＥ）との電位差が明らかとなっているＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極を用いて行い、ＳＨＥにおける電位を結果として示した。
この測定値を、亜鉛と水系での電位−ｐＨ図にプロットした結果を図５に示す。図５に示すように、測定値は、領域３に位置していた。このことから、Ａビルでは配管内に水道水を充填した直後から、亜鉛の酸化によるアノード反応と水素イオンを還元するカソード反応が進行し、水素ガスが発生していたと推測される。
【００２１】
「実験２」
回転子を入れない以外は実験１と同様にして、５０Ａの亜鉛めっき鋼管１（容量：４１０ｍＬ）に、神奈川県横浜市内の水道水、および同じ水道水を用いて作成した５００ｍｇ／Ｌの炭酸水素ナトリウム水溶液を４００ｍＬ充填し、上下を塩化ビニル製キャップ２ａ、２ｂにて密閉した。６０℃の恒温槽に設置して、実験開始から０、１、５、６、７、１０及び２８日後に、窒素充填したグローブボックス内で上側のキャップ２ａを取り外して、ｐＨ及び電位を測定した。本試験では、同ロットの配管を２本使用して実験を行い、各数値の平均値を求めた。電位は、上記実験１と同様にして求めた。
【００２２】
図６に各実験系の電位−ｐＨ図を示す。水道水の系では、実験期間を通じて、ｐＨ−電位の数値が水素発生電位線より下である領域３に位置していた。一方、５００ｍｇ／Ｌ炭酸水素ナトリウム水溶液の系では、日時の経過とともに電位及びｐＨが上昇し、実験開始５日目に、線ａ（水素発生電位線）を越え領域１となり、さらに上昇する傾向が確認された。このことから、炭酸水素ナトリウム水溶液を亜鉛めっき鋼管内に充填することで、電位及びｐＨを上昇できることが確かめられた。
【００２３】
上記実験２で用いた配管を、８０日放置した。図７に、試験前及び８０日後の亜鉛めっき鋼管内の写真を示す。８０日後には、水道水系及び炭酸水素ナトリウム系のいずれも、配管内面に固形物が付着していた。特に、炭酸水素ナトリウム系は、炭酸塩からなる白い付着物で全面が覆われていた。
以上の結果から、亜鉛めっき鋼管内部に炭酸イオン水溶液を充填することで、亜鉛めっき鋼管内面に不動態皮膜が形成され、亜鉛の溶出が抑制されることで、配管内面の電位が上昇したことが推測できる。
【００２４】
「実験３」
図８に、実験３の模式図を示す。
実験２と同様にして、水道水の実験系と、５００ｍｇ／Ｌ炭酸水素ナトリウムの実験系を作成し、亜鉛めっき鋼管の上部にアルミニウム製のガスバックを取り付けた。６０℃の恒温室に１０日間設置した後、ガスバック内の水素ガス濃度をガスクロマトグラフ（株式会社日立サイエンスシステムズ製、型式：Ｇ−６０００、検出器：ＴＣＤ、キャリアガス：アルゴン）にて測定した。
図９に、実験開始時の水素ガス濃度と、各実験系の水素ガス濃度を示す。実験開始時には水素ガスは検出されなかったが、実験開始１０日目には、各実験系で水素ガスが検出された。５００ｍｇ／Ｌ炭酸水素ナトリウムの実験系の水素ガス濃度は０．１３％であり、水道水の実験系の０．５２％と比べると、１／４程度であった。このことから、炭酸水素ナトリウムを添加することで、水素ガスの発生が抑制できることが確認できた。
【符号の説明】
【００２５】
１    亜鉛めっき鋼管
２    塩化ビニル製キャップ
【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７】
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【図８】
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【図９】
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