(57)【要約】  使用条件ごとの環境情報を得るための腐食環境モニタリング方法と腐食環境モニタリングシステムを組み込んだ機器を提供する。  金属部材の浸漬電位と、微小電流を印加した際の電位とをモニタリングし、モニタリングした電位を用いて、ベイズ推定により使用環境の腐食性を推定するモニタリング方法およびモニタリングシステムを備えた機器を提供する。
2019208462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材の浸漬電位と、微小電流を印加した際の電位とをモニタリングし、モニタリングした電位を用いて、ベイズ推定により使用環境の腐食性を推定する、腐食環境モニタリング方法。
【請求項２】
アノード分極曲線及びカソード分極曲線に含まれるパラメータをデータ同化における状態変数として設定し、データ同化として逐次ベイズフィルタを用いる、請求項１に記載の腐食環境モニタリング方法。
【請求項３】
基準電極と、
金属部材が位置づけられている環境に、微少電流を印加する印加用電極と、
印加用電極に微少電流を印加する電流発生装置と、
金属部材の浸漬電位、及び微少電流を印加した際の電流印加時電位を計測する電位差計と、
電位差計により計測された浸漬電位及び電流印加時電位を記憶する記憶装置と、
電位差計、電流発生装置及び記憶装置を制御し、請求項１又は２に記載の腐食環境モニタリング方法を実行する制御装置と、
記憶装置、制御装置、電位差計及び電流発生装置を囲包する筐体と、
を具備し、
基準電極及び電流印加用電極の一部は、筐体の外部に露出している腐食環境モニタリングシステム。
【請求項４】
さらに、制御装置に電気的に接続されている温度計、電気伝導率計、濁度計、溶存酸素濃度計、及びｐＨ計の少なくとも１種の計測機器を具備し、計測機器の検出部位は筐体の外部に露出している、請求項３に記載の腐食環境モニタリングシステム。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の腐食環境モニタリングシステムを具備する機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、腐食環境モニタリング方法及び腐食環境モニタリングシステムを備えた機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼などの不働態金属は、塩化物水溶液中で孔食や隙間腐食を生じることが知られている。これら孔食や隙間腐食は、食孔内あるいは腐食隙間内と腐食の生じていない不働態金属表面との間でマクロセルを形成することにより進行することが知られている。しかし、特に隙間腐食は構造上の隙間部で生じるため、機器の運用中において腐食が進行しているかどうかを判定することが困難である。そのため、定期的に大掛かりな分解点検などを実施して、腐食発生の有無を調査し、適宜、補修や部品交換などが行われている。この分解点検には多大な時間と費用を要するのに加え、点検時期を誤ると、腐食が著しく進行してしまい、装置の破損を招く、あるいは補修ができないという事態に至ることがある。【０００３】
一方、腐食の発生及び進展には使用環境の腐食性が大きな影響を与える。たとえば、海水の場合、塩分濃度や水温は腐食の発生及び進展に大きな影響を与えるが、水域により塩分濃度や水温が異なり、さらに季節変動もある。また、機器の使用環境は使用場所ごとに異なる。同じ水域に複数のポンプが設置されている場合、ポンプの運転状況が異なれば各ポンプの腐食環境も異なる。さらに、機器に対する海洋生物の付着の有無、機器に導入される液体の前処理方法の違いなども腐食性に影響する。したがって、腐食が懸念される機器の使用条件ごとの環境情報を得ることは、機器の構成材料を選定するにあたり非常に重要となる。【０００４】
大気環境や水溶液環境など所定環境における金属材料の腐食速度を評価するために、ＡＣＭ（Atmospheric Corrosion Monitor）センサやガルバニックセンサによるモニタリングが提案されている（特許文献１及び２）。使用環境中に設置した金属材料にポテンショスタットなどを用いて外部から電位もしくは電流を印加し、腐食反応速度の電位依存性を測定することで腐食性を推定することができるものであるが、特殊な機器が必要で、基本的には外部電源が必要である。また、機器の接液面積が大きくなると数十Ａの電流を印加する必要があり、機器の動作に影響を及ぼす可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2001-201451号公報
【特許文献２】特開2012-208088号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、使用条件ごとの環境情報を得るための腐食環境モニタリング方法と腐食環境モニタリングシステムを組み込んだ機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、金属部材の浸漬電位と、微小電流を印加した際の電位とをモニタリングし、モニタリングした電位を用いて、ベイズ推定により使用環境の腐食性を推定するモニタリング方法およびモニタリングシステムを備えた機器を提供する。【０００８】
金属部材にセンサを取り付けて継続的にモニタリングし、取得した時系列観測データ（浸漬電位、印加時電位、温度、電気伝導率など）にデータ同化を適用することにより、直接観測できない環境の腐食性および腐食電流を推定する。環境の腐食性は、アノード分極曲線およびカソード分極曲線に含まれる数種のパラメータをデータ同化における状態変数として設定することにより推定する。データ同化の手法として逐次ベイズフィルタを使用する。【０００９】
本発明は、
基準電極と、
金属部材が位置づけられている環境に、微少電流を印加する印加用電極と、
印加用電極に微少電流を印加する電流発生装置と、
金属部材の浸漬電位、及び微少電流を印加した際の電流印加時電位を計測する電位差計と、
電位差計により計測された浸漬電位及び電流印加時電位を記憶する記憶装置と、
電位差計、電流発生装置及び記憶装置を制御し、上述の腐食環境モニタリング方法を実行する制御装置と、
記憶装置、制御装置、電位差計及び電流発生装置を囲包する筐体と、
を具備し、
基準電極及び電流印加用電極の一部は、筐体の外部に露出している腐食環境モニタリングシステムを提供する。【００１０】
また、制御装置に電気的に接続されている温度計、電気伝導率計、濁度計、溶存酸素濃度計、及びｐＨ計の少なくとも１種の計測機器を具備し、計測機器の検出部位は筐体の外部に露出している、上記の腐食環境モニタリングシステムも提供する。【００１１】
さらに、上記の腐食環境モニタリングシステムを具備する機器も提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、使用条件ごとの環境情報を得るための腐食環境モニタリング方法及び腐食環境モニタリングシステム並びに腐食環境モニタリングシステムを組み込んだ機器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】逐次ベイズフィルタのフローチャートである。
【図２】電位測定および電流印加による電流の流れを示した模式図である。
【図３】電流印加を行う系における分極曲線の模式図である。
【図４】模擬観測データ（浸漬電位の時系列データ）を示すグラフである。
【図５】模擬観測データ（印加時電位の時系列データ）を示すグラフである。
【図６】模擬観測データ（温度の時系列データ）を示すグラフである。
【図７】実施例の状態変数の推定結果（log(α)の推定時系列）を示すグラフである。
【図８】実施例の状態変数の推定結果（log(Cb)の推定時系列）を示すグラフである。
【図９】実施例の状態変数の推定結果（水温Tの推定時系列）を示すグラフである。
【図１０】実施例の推定電流時系列を示すグラフである。
【図１１】実施例の常用対数スケールの推定電流時系列を示すグラフである。
【図１２】比較例の状態変数の推定結果（log(α)の推定時系列）を示すグラフである。
【図１３】比較例の状態変数の推定結果（log(Cb)の推定時系列）を示すグラフである。
【図１４】比較例の状態変数の推定結果（水温Tの推定時系列）を示すグラフである。
【図１５】比較例の推定電流時系列を示すグラフである。
【図１６】比較例の常用対数スケールの推定電流時系列を示すグラフである。
【図１７】海水中に設置した縦軸斜流ポンプにモニタリングセンサを海水中で接続させた態様の模式図である。
【図１８】海水中に設置した縦軸斜流ポンプにモニタリングセンサを大気中で接続させた態様の模式図である。
【図１９】モニタリングシステムの構成を示す説明図である。
【図２０】別の態様のモニタリングの構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら本発明を説明する。
【００１５】
図１は、逐次ベイズフィルタを用いた腐食性推定のフローである。一期先予測（系の時間発展）とフィルタリング（観測データの取り込み）の操作を繰り返して、系の状態変数の変化を予測する。
【００１６】
状態変数の初期分布ｐ（ｘ0｜ｙ1:0）を入力情報とする。状態変数として、アノード分極曲線およびカソード分極曲線を表現する関数に含まれる数種のパラメータを用いる。
【００１７】
状態変数の時間発展は状態方程式：
【数１】
2019208462.tif 000003
により表現され、一期先予測分布は
【数２】
2019208462.tif 000004
として合成積で計算される。
【００１８】
フィルタリングでは、観測演算子により計算された観測量の計算値：
【数３】
2019208462.tif 000005
実際の観測量：
【数４】
2019208462.tif 000006
観測方程式：
【数５】
2019208462.tif 000007
および観測ノイズの確率分布モデルにより尤度を計算し、尤度と一期先予測分布からフィルタ分布を求める。
【００１９】
本発明において、観測演算子として分極曲線モデルを用いる。図2に電極間の電流の流れを示した模式図を示す。図中の「anode」は腐食を起こし金属酸化の半電池反応が起こっている部分を、「cathode」は「anode」と対になる半電池反応が起こっている部分を示す。すき間腐食が起こっている場合は「anode」と「cathode」を分離することはできないため、「cathode」と「anode」の間に電流計を挿入して電流Ｉaを測定することはできない。金属部材の電位は参照電極「RE」を基準電位として測定する。電流印加用の不溶性電極（例えば、白金やチタン、カーボンなど）に電流計と電源を繋ぎ、印加電流を流す。
【００２０】
このような電流印加を行う系における分極曲線の模式図を図3に示す。電流印加を行わない状態では、浸漬電位φ0が測定される。電流を印加した場合、印加電流Ｉipの値及び分極曲線の形状に依存して電位は印加時電位φipまで変化する。
【００２１】
このとき、アノード分極曲線は、
【数６】
2019208462.tif 000008
カソード分極曲線は
【数７】
2019208462.tif 000009
で表される。ここで、ｇaはアノード電流Ｉaおよび状態変数ｘから電位を計算するアノード分極曲線を表すある関数であり、ｇcはアノード電流Ｉcおよび状態変数ｘから電位を計算するアノード分極曲線を表すある関数である。また、
【数８】
2019208462.tif 000010
が成り立つため、ＩaおよびＩcを消去して、Ｉcpとφに関する方程式を作ることができる。その式において状態変数ｘから電位を計算する処理が観測演算子ｈとなる。
【数９】
2019208462.tif 000011
【００２２】
観測ノイズを正規分布
【数１０】
2019208462.tif 000012
で表現すると、フィルタ分布は
【数１１】
2019208462.tif 000013
で表現される。このとき尤度
【数１２】
2019208462.tif 000014
【数１３】
2019208462.tif 000015
となる。ただし、nは状態変数の次元である。
【００２３】
得られたフィルタ分布から、ＭＡＰ（Maximum a posteriori）推定（最大事後確率推定）などによりカソード分極曲線のパラメータを推定することで、腐食性を推定することができる。
上記式中の記号の説明を表１に示す。
【００２４】
【表１】
2019208462.tif 000016
【実施例】
【００２５】
下記表２に示す各項目を設定し、腐食環境情報を推定した。【００２６】
【表２】
2019208462.tif 000017
【００２７】
・一期先予測
状態方程式はランダムウォークモデルとした。
【数１４】
2019208462.tif 000018
この場合の一期先予測分布は、
【数１５】
2019208462.tif 000019
で計算できる。【００２８】
・フィルタリング
以下のような分極曲線モデルを仮定する。
【数１６】
2019208462.tif 000020
これらの式からＩaとＩcを消去すると、次の方程式が得られる。
【数１７】
2019208462.tif 000021
この式はφ について明示的に書き表すことができないので、数値的に解く。
周辺尤度は以下のように全格子点に対する総和の式で計算できる。
【数１８】
2019208462.tif 000022
【００２９】
入力は図４〜６に示す模擬観測データ（浸漬電位の時系列データ、印加時電位の時系列データ及び温度の時系列データ）を用いた。図中、「true」は真値、「observed」は観測値、「estimated」は推定値である。【００３０】
状態変数の推定結果を図７〜９（ｌｏｇ（α）の推定時系列、Ｃｂの推定時系列及び水温θの推定時系列）に示す。２００ｓｔｅｐ以降では、推定値が真値と１σ以内で一致しており、ＭＡＰ解が真の状態変数を精度よく再現できていることがわかる。【００３１】
図１０に、状態変数推定時系列と電位の観測データをアノード分極曲線の式に代入して得た推定電流（MAP estimation）時系列を示し、図１１に常用対数スケールの推定電流（MAP estimation）時系列を示す。同様の方法で真の状態変数から計算した真の電流値（true）も併せて示す。図１０において、αやＣｂに大きな変化があると、変化の初期は推定精度が落ちるが、２００ｓｔｅｐ以降は精度良く推定できており、経時変化を考慮した状態変数の推定が有効であることが確認できる。【００３２】
比較として、図４及び６の模擬観測データ（浸漬電位の時系列データ及び温度の時系列データ）を用いて、浸漬電位だけを推定した結果を図１２〜１４（ｌｏｇ（α）の推定時系列、Ｃｂの推定時系列及び水温θの推定時系列）に示す。ＭＡＰ解は真の状態変数の１σ以内になく、状態変数が精度よく再現できていないことがわかる。【００３３】
図１５に状態変数推定時系列と電位の観測データをアノード分極曲線の式に代入して得た推定電流（MAP estimation）時系列を示し、図１６に常用対数スケールの推定電流（MAP estimation）時系列を示す。同様の方法で真の状態変数から計算した真の電流値（true）も併せて示す。ｓｔｅｐを重ねても推定値が真値に近づかず、浸漬電位測定だけでは真の状態変数が推定できないことが確認できる。【００３４】
なお、本実施例において、確率分布の計算はグリッドサーチにより行った。カルマンフィルタや粒子フィルタを使用してもよい。【００３５】
次に、本発明の腐食環境モニタリング方法を実行する腐食環境モニタリングシステムを備えた機器について、海洋構造物としてのポンプを例にして説明する。【００３６】
図１７に、海水中に設置した縦軸斜流ポンプに腐食環境モニタリングシステムを海水中で接続させた態様の模式図を示す。【００３７】
図１７に示す立軸斜流ポンプは、回転軸心（立軸心）Ｐを有する主軸１、主軸１の下端部に一体回転可能に取り付けられている羽根車２、羽根車２を囲包するポンプケーシング３、ポンプケーシング３の下側に連結されている吸込みカバー４、ポンプケーシング３の上側に連結されている揚水管５、整流板７を介してポンプケーシング３の内側に一体形成されている軸受ケース６、ポンプケーシング３と吸込みカバー４とを連結するフランジ部１０、フランジ部１０に近接して吸込みカバー４に取り付けられているすき間腐食検出器２０を有する。ポンプケーシング３、吸込みカバー４及び揚水管５の各フランジにはボルト等の締結部材による締結のため、貫通キリ孔やねじ孔がフランジ面周方向に等間隔に設けられている。ポンプケーシング３と吸込みカバー４、あるいはポンプケーシング３と揚水管５は、各フランジがボルトで、あるいはボルト・ナットで接続されている。各フランジの合わせ目には、パッキンなどのシール部材（図示せず）が備えられ、水密状態にシールされている。図１７に示す縦軸斜流ポンプは、ポンプケーシング３、吸込みカバー４、揚水管５の一部は、水中に没した状態で稼働する。【００３８】
図１７において、水中に没しているポンプケーシング３と揚水管５との接続部に、腐食環境モニタリングシステム２０の接続端子２３が電気的に接続されている。【００３９】
図１８に示す縦軸斜流ポンプは、腐食環境モニタリングシステム２０の接続端子２３が水面上で大気中に現出している揚水管５の壁面に電気的に接続されている点を除いて、図１７に示す縦軸斜流ポンプと同じ構造である。【００４０】
本発明の腐食環境モニタリングシステムは、基準電極と、金属部材が位置づけられている環境に微少電流を印加する印加用電極と、印加用電極に微少電流を印加する電流発生装置と、金属部材の浸漬電位、及び微少電流を印加した際の電流印加時電位を計測する電位差計と、電位差計により計測された浸漬電位及び電流印加時電位を記憶する記憶装置と、電位差計、電流発生装置及び記憶装置を制御し、上述の本発明の腐食環境モニタリング方法を実行する制御装置と、記憶装置、制御装置、電位差計及び電流発生装置を囲包する筐体と、を具備し、基準電極及び電流印加用電極の一部は、筐体の外部に露出していることを特徴とする。【００４１】
モニタリングシステム２０の一例を図１９に示す。
モニタリングシステム２０は、モニタリング対象物と接続する接続端子２１と、接続端子２１と電気的に接続している電位差計２２と、電位差計２２と電気的に接続している基準電極２３と、電位差計２２に電流を印加する直流電流発生装置２４と、基準電極２３及び直流電流発生装置２４と電気的に接続している印加用電極２５と、電位差計２２を制御する制御装置２６と、制御装置２６と電気的に接続している記憶装置２７と、制御装置２６及び制御装置２７を稼働させる電源２８と、電位差計２２、直流電流発生装置２４、制御装置２６、記憶装置２７及び電源２８を囲包する筐体２９と、を備える。基準電極２３及び印加用電極２５の一部並びに接続端子２１は筐体２９の外部に位置づけられている。【００４２】
基準電極２３としては、塩化銀電極、甘汞電極、硫酸銅電極、硫化水銀電極、酸化水銀電極、過酸化鉛電極、不溶性電極などを好適に用いることができる。【００４３】
印加用電極２５は、化学的にも電気化学的にも溶解しないかあるいは溶解が少ない電極である不溶性電極とすることが好ましく、例えば、白金、カーボン、グラファイト、酸化鉄、酸化クロム、又は貴金属系酸化物などでチタン等の金属基体を被覆した電極などを好適に用いることができる。【００４４】
接続端子２１は、不溶性電極とすることが好ましく、例えば、白金、カーボン、グラファイト、酸化鉄、酸化クロム、又は貴金属系酸化物などでチタン等の金属基体を被覆した電極などを好適に用いることができる。【００４５】
接続端子２１は、モニタリング対象物に対して電気的に接続されている。接続端子２１とモニタリング対象物との電気的な接続は、液中でも大気中でもよい。【００４６】
腐食環境モニタリングシステム２０は、腐食環境中に設置されるモニタリング対象物に生じる腐食電位を検出することができる位置に設置する。腐食環境モニタリングシステム２０とモニタリング対象物との間の距離は、モニタリング対象物が位置づけられる海水などの液体の電気伝導率に依存する。電気伝導率が高い液体中に設置する場合には、モニタリング対象物とモニタリングシステム２０との間の距離は離れていてもよいが、電気伝導率が低い液体中に設置する場合には短距離とすることが必要である。例えば、海水中に設置する場合には、腐食環境モニタリングシステム２０は、モニタリング対象物から約１ｍ以内に設置することが好ましい。図１７及び１８に示す例においては、モニタリング対象物は、海水中に設置された縦軸斜流ポンプである。図１７及び１８に示す例においては、特にポンプケーシング３と揚水管５との接続部位の隙間腐食の発生状況を監視することができる。【００４７】
腐食環境モニタリングシステム２０は、図２０に示すように、温度計３０、電気伝導率計３１、濁度計３２、溶存酸素濃度計３３、ｐＨ計３４の１種以上の計測機器をさらに含むことができる。また、モニタリングする対象に応じて必要なその他の計測機器を含むこともできる。これらの追加の計測機器は、電位差計２２と制御装置２６とを電気的に接続する導線に接続されている。これらの追加の計測機器の検出部位は、筐体２９の外部に露出されている。【００４８】
本発明の腐食環境モニタリング方法は、制御装置２６及び記憶装置２７により実行される。たとえば、制御装置２６は、電位差計及び各種計測機器の計測のタイミングを制御し、基準電極に対するモニタリング対象物の浸漬電位を測定する。浸漬電位測定完了後に、電流印加用電極２５とモニタリング対象物との間に直流電流を印加し、基準電極２３に対する電流印加時のモニタリング対象物の電位（電流印加時電位）を測定し、記憶装置２７にデータとして格納する。１回の計測で、浸漬電位及び電流印加時電位を測定する。電流印加時間は１０秒以上５分以内が好ましく、１分以上２分以内がさらに好ましい。計測周期は、例えば５分〜１ヶ月程度とすることができ、測定点が２００点以上になるように、計測期間に応じて設定することが好ましい。
【図１】
2019208462.tif 000023
【図２】
2019208462.tif 000024
【図３】
2019208462.tif 000025
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019208462.tif 000029
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2019208462.tif 000032
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2019208462.tif 000035
【図１４】
2019208462.tif 000036
【図１５】
2019208462.tif 000037
【図１６】
2019208462.tif 000038
【図１７】
2019208462.tif 000039
【図１８】
2019208462.tif 000040
【図１９】
2019208462.tif 000041
【図２０】
2019208462.tif 000042
【国際調査報告】
2019208462.tif 000043
2019208462.tif 000044