特許 6023029 電気防食システムおよびそれを備えたポンプ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6023029

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月9日

(54)【発明の名称】電気防食システムおよびそれを備えたポンプ装置

(51)【国際特許分類】

   C23F 13/02 20060101AFI20161027BHJP

   C23F 13/04 20060101ALI20161027BHJP

【ＦＩ】

   C23F13/02 A

   C23F13/04

【請求項の数】9

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2013-198536(P2013-198536)

(22)【出願日】2013年9月25日

(65)【公開番号】特開2015-63734(P2015-63734A)

(43)【公開日】2015年4月9日

【審査請求日】2015年12月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】小林 玲緒

(72)【発明者】

【氏名】大橋 健也

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 将宏

(72)【発明者】

【氏名】千葉 由昌

(72)【発明者】

【氏名】宮地 孝義

【審査官】 祢屋 健太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６０−２６６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３２８２７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３４８８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｆ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

防食対象の金属部材と、この金属部材に電気的に導通して取り付けた温度制御可能な犠牲陽極と、前記犠牲陽極の温度を制御する温度制御装置とを備え、前記防食対象の金属部材と前記犠牲陽極を電解質中に配置したことを特徴とする電気防食システム。

【請求項2】

前記犠牲陽極を少なくとも加熱または冷却する加熱・冷却部を前記犠牲陽極は有し、前記犠牲陽極の温度を測定する第１の温度検出器を前記犠牲陽極に付設し、前記温度制御装置はこの第１の温度検出器が測定した温度に基づいて前記犠牲陽極が有する加熱・冷却部を用いて前記犠牲陽極温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の電気防食システム。

【請求項3】

前記犠牲陽極を少なくとも加熱または冷却する加熱・冷却部を前記犠牲陽極は有し、前記犠牲陽極の温度を測定する第１の温度検出器を前記犠牲陽極に付設し、電解質の温度を測定する第２の温度検出器を電解質中に配置し、前記温度制御装置は、前記第１の温度検出器および前記第２の温度検出器が測定した温度の差が予め定めた範囲になるように前記加熱・冷却部を用いて前記犠牲陽極の温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の電気防食システム。

【請求項4】

前記犠牲陽極は当該犠牲陽極を少なくとも加熱または冷却する加熱・冷却部を有し、前記犠牲陽極の温度を測定する第１の温度検出器を前記犠牲陽極に付設し、前記犠牲陽極と金属部材間に流れる電流値を測定する電流検出器を設け、前記温度制御装置に前記第１の温度検出器の検出温度に対する前記電流検出器の検出電流の許容範囲の関係を記憶させておき、前記温度制御装置はこの検出温度と検出電流の関係を用いて、前記電流検出器が測定した電流値が許容範囲に入るように、前記加熱・冷却部を制御することを特徴とする請求項１に記載の電気防食システム。

【請求項5】

前記電解質が海水であり、前記防食対象の金属部材の材質がステンレス鋼であり、前記犠牲陽極の材質が亜鉛合金であり、前記犠牲陽極の温度を３０℃以上であって５０℃以下に温度制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気防食システム。

【請求項6】

前記電解質が海水であり、前記防食対象の金属部材の材質がステンレス鋼であり、前記犠牲陽極の材質が炭素鋼であり、前記犠牲陽極が前記金属部材よりも低温となるよう前記温度制御装置が前記加熱・冷却部を温度制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気防食システム。

【請求項7】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気防食システムを有するポンプ装置であって、前記防食対象の金属部材はこのポンプ装置のケーシングであり、前記ケーシングが電解質に浸漬する部分に前記ケーシングと導通状態で前記犠牲陽極を取り付けたことを特徴とする電気防食システムを有するポンプ装置。

【請求項8】

前記電解質が海水であり、前記ケーシングの材質がステンレス鋼であり、前記犠牲陽極の材質が亜鉛合金であり、前記温度制御装置が前記犠牲陽極の温度を３０℃以上であって５０℃以下に温度制御することを特徴とする請求項７に記載の電気防食システムを有するポンプ装置。

【請求項9】

前記電解質が海水であり、前記ケーシングの材質がステンレス鋼であり、前記犠牲陽極の材質が炭素鋼であり、前記犠牲陽極の温度が前記ケーシングの温度よりも低温となるよう前記温度制御装置が前記犠牲陽極の温度を温度制御することを特徴とする請求項７に記載の電気防食システムを有するポンプ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気防食システムおよびそれを備えたポンプ装置に係り、特に犠牲陽極を用いて好適な電気防食システムおよびそれを備えたポンプ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の海水環境で使用される機器の防食の例が、特許文献１に記載されている。この公報では、膨張黒鉛製シール材を装着してなる二相系ステンレス鋼製機器の防食のために、シール材が装着された二相系ステンレス鋼部の近傍にあって、該ステンレス鋼部と接合され、一体的に電導体を構成している二相系ステンレス鋼材部の海水流体と接触する側の表面に、被防食部の二相系ステンレス鋼よりも標準電極電位が低い金属材料からなる犠牲陽極を１個以上設置し、電気的に接続している。

【0003】

また、犠牲陽極を海水取水ポンプに設けることが特許文献２に、犠牲陽極材料としてマグネシウム合金を用いることが特許文献３に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５−１９４６２４号公報

【特許文献2】特開２００３−３４８８６号公報

【特許文献3】特開平１０‐３０６３８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記特許文献１や特許文献３に記載の犠牲陽極では、犠牲陽極の表面積または設置位置を変更しないと溶出速度を制御することが出来ない。すなわち、犠牲陽極の寿命を所定値以上にするためには、予め測定した単位時間当たりの犠牲陽極の減少量に必要寿命を掛け合わせた量以上の陽極材料が必要となり、多大な犠牲陽極を設置しなければならない。その結果、犠牲陽極の取り付け場所に余裕がある、または犠牲陽極の追加等が容易な熱交換器等ではそれほど困難性はないが、海水ポンプ等の犠牲陽極の設置場所に制限が多い場合には、多大な犠牲陽極の設置位置を確保することが困難である。また、犠牲陽極を流れる防食電流の大きさは、電解質や防食対象の材質や形状、犠牲陽極の形状により決定されるので、防食対象に応じた適切な防食システム設計が制約される。

【0006】

また、特許文献２に記載の海水取水ポンプ装置では、犠牲陽極による防食部位を限定することにより犠牲陽極の長寿命化を図っているが、限定された部位以外での思わぬ腐食の発生に対しては対応が困難となる。

【0007】

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、海水ポンプ等のポンプ装置に用いる犠牲陽極を長寿命化して、海水ポンプ装置の電気防食システムを長寿命化することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成する本発明の特徴は、電気防食システムが、防食対象の金属部材と、この金属部材に電気的に導通して取り付けた温度制御可能な犠牲陽極と、前記防食対象の金属部材と前記犠牲陽極の温度を制御する温度制御装置とを備えることにある。

【0009】

また他の特徴は、この電気防食システムを備えたポンプ装置で、防食対象の金属部材がポンプ装置のケーシングであり、ケーシングが電解質に浸漬する部分にケーシングと導通状態で犠牲陽極を取り付けたことにある。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、海水ポンプ等のポンプ装置に用いる犠牲陽極の温度を、このポンプ装置が浸漬される周囲海水温と異なる温度に制御可能としたので、犠牲陽極の溶出速度を制御でき、犠牲陽極を長寿命化できる。これにより、ポンプ装置及びそれが備える電気防食システムを長寿命化できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明に係るポンプ装置の一実施例のブロック図である。

【図2】ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの海水中でのカソード分極曲線を説明するグラフである。

【図3】二相ステンレス鋼Ｓ３１８０３の海水中でのカソード分極曲線を説明するグラフである。

【図4】亜鉛合金の海水中でのアノード分極曲線を説明するグラフである。

【図5】炭素鋼の海水中でのアノード分極曲線を説明するグラフである。

【図6】防食電流を説明するグラフである。

【図7】犠牲陽極に流れる電流密度を測定する装置例の模式図である。

【図8】図７(ａ)に示した測定装置を用いた計測方法を示すフローチャートである。

【図9】図７(ｂ)に示した測定装置を用いた計測方法を示すフローチャートである。

【図10】本発明に係る防食装置の一実施例のブロック図である。

【図11】図１０に示した測定装置を用いた計測方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

金属材料を海水中のような腐食が発生しやすい環境下で使用する機器、例えば海水淡水化ポンプ設備の取水ポンプのケーシング材として使用する場合には、金属材料に腐食の発生を抑制する対策として、犠牲陽極方式の電気防食法や外部電源方式の電気防食法、表面被覆法、高耐食性材料法のいずれかを主として用いている。この中で、犠牲陽極方式の電気防食法は、比較的設置が容易で、材料コスト等も廉価な犠牲陽極を対象物に接触させるもので、近年多く使用されている。

【0013】

電気防食法は、腐食作用における電子移動を制御する防食方法である。犠牲陽極方式の電気防食法では、防食の対象となる機器の構造部材として用いられる金属材料に、標準電極電位が低い、すなわちより電位が卑な金属材料を接触させる。標準電位が卑な金属材料は、溶液環境中で防食対象の金属材料と同じ電位になるように金属イオンを溶出し、電子を防食対象の金属材料側に移送する。その際、防食対象の金属材料は、電子供給を受けてアノード溶解反応が減少するカソード側に電位を移動させ、アノード腐食反応を抑制する。この金属材料に接触させる標準電位が低い卑な金属材料が犠牲陽極である。

【0014】

防食対象の金属材料は、鋳鉄や圧延鋼、機械構造用炭素鋼、ダイス鋼、ニッケル鋳鉄等の鉄鋼材料、青銅や黄銅等の銅合金、キュプロニッケルやモネルなどのニッケル基合金である。また、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト系ステンレス鋼、二相系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼等のステンレスの圧延鋼または鋳造鋼も防食対象となる。一方、犠牲陽極の材料としては、炭素鋼やアルミニウム、亜鉛、マグネシウム、およびこれ非鉄金属を主成分とする合金が用いられる。なお、犠牲陽極は溶出反応にともない消耗する。また、構造部材は腐食する可能性を有しているので、防食の対象となる海水ポンプのインペラ等では、標準電位が卑でかつ大面積を有する犠牲陽極に接触させて、腐食を抑制する。

【0015】

このような犠牲陽極を用いた防食システムおよび防食システムを有するポンプ装置の例を、以下図面を用いて説明する。図１は、海水淡水化システム８０を示す図であり、図１(ａ)は海水淡水化システム８０の一実施例のブロック図である。図１(ｂ)は、図１（ａ）のＸ部拡大図である。海水淡水化システム８０は、ポンプ装置として海水取水ポンプ３０を備えている。

【0016】

海水淡水化システム８０では、導水路４１を通じて海水５を海岸４０近くに設けた吸込み槽４２に導いている。吸込み槽４２には、ポンプ装置３０の吸込み部を含む主要部が浸漬されている。ポンプ装置３０の吐出側には吐出配管４３が接続されており、吐出配管４３はポンプ装置３０が吸込んだ海水中の砂等の異物をろ過する二層ろ過器４４に導かれている。

【0017】

二層ろ過器４４で濾過された海水５は、ろ過海水槽４５に導かれる。そして、ろ過海水槽４５に備えられたポンプ４６により、保安フィルタ４７に供給される。保安フィルタ４７で鉄粒などの異物が除去された海水は、動力回収タービン５０が接続された高圧ポンプ４９に送られる。高圧ポンプ４９で加圧された海水は、配管４８を経由してＲＯ膜（逆浸透膜）モジュール５２に供給され、塩分等を除去されて真水となって配管５３を経て生産水槽５４に蓄えられる。一方、ＲＯ膜モジュール５２で水分を減少させて濃縮された濃縮水は、配管５１から動力回収タービン５０に導かれ、高圧ポンプ４９を駆動する動力の一部として回収される、動力回収タービン５０で動力回収されて低圧となった濃縮水は、配管５５からこの海水淡水化システム８０外に送られる。

【0018】

ここで、詳細を後述するように、ポンプ装置３０の揚水管の内外面は海水に浸漬する。また、高圧ポンプ４９やポンプ４６の内面は、海水に接している。そのため、腐食が発生しやすい環境下にある。さらに、高圧ポンプ４９から下流の配管部分は金属配管が用いられており、５ＭＰａ以上の内圧で海水が流動している。これらの金属配管では、塩濃度に依存する腐食現象が時間経過とともに発生し、特に、配管結合部であるフランジ部や、表面組織と表面粗さが不均一となる溶接部では反応速度が大きな腐食が進展する場合がある。これらの腐食の発生を防止するために、本発明に係る防食システム７０が必要となっている。

【0019】

ポンプ装置３０である海水取水ポンプは、本実施例では立軸ポンプであり、先端部に吸込みベルマウス３４が取り付けられている。吸込みベルマウス３４には、ポンプケーシング３３がフランジ接続されており、ポンプケーシング３３は下流側で案内羽根３２とフランジ接続されている。案内羽根３２のさらに下流側には揚水管(コラムパイプ)３１がフランジ３５でフランジ接続されている。揚水管３１の軸方向中間部には、海水取水ポンプ３０を固定するためのフランジ３９が取り付けられており、フランジ３９は吸込み槽４２の上部を覆うベース板４２ａに固定される。吸込みベルマウス３４及びポンプケーシング３３、案内羽根３２、揚水管３１は、ケーシングを構成する。

【0020】

一方、ケーシング内部では、回転軸３６が鉛直方向に延びており、回転軸３６の最下端部には羽根車３８が取り付けられており、羽根車ナット等で回転軸３６に固定されている。案内羽根３２の内周側には案内羽根流路を形成するために下流に行くに従い小径となる案内羽根内壁部３７が配置されている。計測部２０は、犠牲陽極３や加熱・冷却部１１を有している。海水取水ポンプ３０に設けた防食システム７０の詳細は、後述する。

【0021】

次に、犠牲陽極の消耗量に関する重要な指標である分極曲線について、説明する。以下に、上記犠牲陽極及び陰極となる構造材料のいくつかについて、分極曲線を測定した結果を示す。海水中における金属の電位と電流密度は、固有の分極曲線で定まる。２種の金属が海水中で接すると、２種の分極曲線の交点の電位（混成電位）となり、交点の電流密度で防食電流が流れる。金属の分極は、電解質と金属の界面での電気化学反応に起因する。この電気化学反応が温度に依存するので、分極曲線も温度に依存する。すなわち、温度を制御パラメータとして、他の影響を考慮しながら最適な電気防食システムを設計することが可能になる。

【0022】

図２〜図５に各材料について、分極特性を測定した結果を示す。分極特性の測定に当たっては、海水として人工海水（八洲薬品製アクアマリン）を使用した。また試験条件は、溶存酸素を大気飽和とし、海水の流速ＶをＶ＝０（ｍ／ｓ）、ｐＨを８．２に調整した。電気伝導度ＥＣはＥＣ＝５（Ｓ／ｍ）とした。

【0023】

図２は、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌのカソード分極特性を対数近似したグラフであり、海水温度をパラメータとして測定した結果である。ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌは、図１に示した海水取水ポンプ３０の揚水管３１等に従来から使用されている材料であり、防食対象の金属候補として試験した。電気防食システムを使用するステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌ製の配管の電位、および配管に付設した犠牲陽極の電位から、配管と犠牲陽極間の電流は、図２に示したカソード分極曲線と後述する犠牲陽極のアノード分極曲線の交点から求まる。

【0024】

ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌのカソード分極は、電流密度が１０^１(μＡ／ｃｍ^２)程度までは海水温度の違いによる分極電圧の違いはわずかであるが、電流密度が１０^１〜１０^２(μＡ／ｃｍ^２)間で温度依存性が高くなると共に、その分極電圧の変化量も大きくなる。そして、電流密度が１０^２(μＡ／ｃｍ^２)を超えると分極電圧の温度依存性は残るが、変化量は比較的少なくなる。

【0025】

図３に、配管材料の他の候補材である二相ステンレス鋼Ｓ３１８０３について、図２と同様に試験した結果を、カソード分極特性を対数近似したグラフで示す。海水温度をパラメータとした。二相ステンレス鋼Ｓ３１８０３は、より耐食性を求められる海水ポンプの材料として利用が進んでいる。この図３においても、分極電圧は、電流密度が１０^１〜１０^２(μＡ／ｃｍ^２)間で温度依存性が高くなると共に、その分極電圧の変化量も大きい。また、図２、図３のいずれにおいても、分極電圧の変化が大きい電流密度が１０^１〜１０^２(μＡ／ｃｍ^２)間で、海水温度が４０℃の場合に、最も分極電圧が大きくなる。換言すれば、同一の電圧条件では、電流密度が最も小さくなる。

【0026】

図４に、犠牲陽極の候補材である亜鉛合金について、アノード分極特性を対数近似したグラフを示す。海水温度をパラメータとして試験した結果である。試験条件は、カソード分極特性の試験と同じである。亜鉛合金としては、三井住友金属伸銅製のＺＡＰ−Ａ（ＥＬ）（以下、亜鉛合金と称す）を使用した。この亜鉛合金は、純亜鉛にアルミニウムを合金元素として添加した組成を有している。

【0027】

図４において、同一の電位で比較すると、海水温度が４０℃の場合に電流密度が最低になり、海水温度が３０〜５０℃の場合には、海水温度が２０〜２５℃の場合に比べ、大幅に電流密度が減少している。したがって、亜鉛合金製の犠牲陽極の場合には、犠牲陽極に接する海水温度が３０〜５０℃となるようにすれば、犠牲陽極を長寿命化できる可能性があることが分かる。さらに、４０℃であれば最も長寿命を期待できる。

【0028】

図５に、犠牲陽極の他の候補材としての炭素鋼のアノード分極特性を対数近似したグラフを示す。海水温度をパラメータにして示している。試験条件は図４の試験と同じである。炭素鋼として、ＳＳ４００を使用した。図５に示した炭素鋼の場合、図４に示した亜鉛合金の場合と異なり、同一の電位で比較すると、炭素鋼はこの炭素鋼が接する海水温度が低ければ低いほど電流密度が減少している。したがって、炭素鋼を犠牲陽極に使用する場合には、炭素鋼に接する海水温度できるだけ低くすることにより、長寿命化が期待できる。

【0029】

次に上記結果を参照して、陰極材としてオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６Ｌを、犠牲陽極として亜鉛合金を使用した例について、発生する電流密度の海水温度による変化を求める具体的な方法を図６を用いて説明する。図６は、図２と図４を組み合わせることにより得られる。図が煩雑になるのを避けるため、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの２５℃におけるカソード分極の対数近似曲線１００と、亜鉛合金の２５℃におけるアノード分極の対数近似曲線１０１を、代表して示す。

【0030】

海水温度２５℃、犠牲陽極（亜鉛合金）温度２５℃の条件でＳＵＳ３１６Ｌと亜鉛合金を海水中で短絡させたときの電位と電流密度は、図の交点から−１．０７４Ｖと９７．０μＡ／ｃｍ^２となる。同様に、亜鉛合金の２０℃、３０℃、４０℃、５０℃のアノード分極の対数近似曲線との交点を求めると、カソード曲線１００上に記載した黒丸の位置となる。これらの各温度における両曲線の交点から、各温度における電位と電流密度が求まる。

【0031】

ここで、近似式を用いると、計算により速やかに防食時の電位と電流密度を見積もることができる。例えば、２５℃におけるカソード曲線１００とアノード曲線１０１の交点付近を、カソード曲線１００については下記式１で、アノード曲線１０１については下記式２で近似する。この両式を、連立方程式として解けば、交点における電位と電流密度が求まる。

【0032】

近似方法としては対数近似のほか、線形近似、多項式近似、指数近似などの方法を使用できる。また、これらの近似式を用いることで有限要素法や境界要素法などの既知の手段により電位分布および電流密度分布をシミュレーションにより求め、設計することができる。なお、分極曲線を近似しないで使用してもよく、その場合高精度に防食時の電位と電流密度を見積もることができる。

【0033】

ここで、犠牲陽極方式の電気防食システムでは、防食対象の金属部材と犠牲陽極の電解質中での電位差を駆動力として電流が発生する。電解質としては、海水以外に淡水、汽水、食塩水、塩水などでもよい。一般に、塩化ナトリウム濃度で区分すると０．０５％未満が淡水、０．０５％以上０．３５％未満が汽水、０．３５％以上０．５％未満が食塩水、０．５％以上が塩水と呼称される。海水の塩化ナトリウム濃度は０．２４％から２．９６％程度であり、海域により濃度差がある。一方、電解質として、任意のイオン種を含む水溶液を適用可能である。

【0034】

上記図２ないし図６においては、海水温度と犠牲陽極及び構造材である陰極材の温度がすべて同じである条件で、犠牲陽極に発生する電流密度を求めている。本発明では、犠牲陽極の消耗量を抑制するために、犠牲陽極のみ温度を調整可能にしている。以下に、犠牲陽極の温度を海水温度に対して変化させた場合の試験結果について説明する。

【0035】

図７に、海水取水ポンプを模擬した電気防食システムの試験装置を模式図で示す。図７(ａ)は第１の試験装置６１の図であり、図７(ｂ)は第２の試験装置６２の図である。双方の試験装置６１、６２では、陰極材である模擬配管１と犠牲陽極３の双方の表面を、人工海水６に接するようにした。

【0036】

すなわち、第１の試験装置６１では、水７が収容されたウォーターバス８内に人工海水６が所定量だけ蓄えられた容器２１を設置する。容器２１内には、ケーブル１５ｅを支持手段に兼用して配管模擬部材１の試片が吊り下げられている。同様に犠牲陽極３が、ケーブル１５ｆを支持手段に兼用して、容器２１内に吊り下げられている。犠牲陽極３の一方の面には、熱伝導シート１０を介して加熱・冷却部１１が取り付けられている。加熱冷却部１１は、ケーブル１５ｂにより制御部１３に接続されている。犠牲陽極には、温度検出器１２ａが付設されており、温度検出器１２ａが検出した温度情報はケーブル１５ｃを介して制御部１３に入力される。制御部１３は、ケーブル１５ａにより電源１４に接続されている。配管模擬部材１と犠牲陽極３は、無抵抗電流計９を介して、ケーブル１５ｅ、１５ｆで接続されている。

【0037】

第２の試験装置６２は、上記第１の試験装置６１と同じ構成要素を備えると共に、さらに第２の温度検出器１２ｂも備えている。第２の温度検出器１２ｂは、人工海水６の温度を検出するもので、第２の温度検出器が検出した温度情報は、ケーブル１５を用いて制御部１３に入力される。

【0038】

なお、上記試験装置６１、６２では、模擬配管１と犠牲陽極３とを無抵抗電流計９とケーブル１５ｅ、１５ｆとを用いて電気的に導通させているが、模擬配管１と犠牲陽極３とを導電性のボルト４で固定したり、直接、模擬配管１と犠牲陽極３を接触させたりすることもできる。これらの構成により、犠牲陽極３は、模擬配管１を模擬配管材料自身の浸漬電位より低くすることができる。

【0039】

第１、第２の試験装置６１、６２では、温度制御装置１７を設け、犠牲陽極３の人工海水６に接している部分の温度を制御できるようにした。温度制御装置１７は、犠牲陽極３に付設する計測部２０と海水取水ポンプ設置部を模擬した部分に配置される制御部１６とを有している。計測部２０は、加熱・冷却部１１および温度検出器１２ａ、１２ｂで構成され、制御部１６は制御部１３と電源１４で構成される。

【0040】

加熱・冷却部１１には、直接人工海水６に触れないようシールした電熱線を用い、犠牲陽極３と熱的に接触する場所に設置した。なお加熱・冷却部１１には、ペルチェ素子や熱交換器などを用いることもできる。加熱・冷却部１１と犠牲陽極３との間の熱抵抗を減少させるために、図に示すように、熱伝導シート１０で接着するのがよい。または、熱伝導グリスを用いてもよい。

【0041】

温度検出器１２ａ、１２ｂには、シース入りの熱電対を用いた。シース入り熱電対の代わりに、シース無しの熱電対や抵抗式温度計など、種々の方法を用いることができる。温度検出器１２ａ、１２ｂで測定した温度情報を制御部１３に入力して、フィードバック制御により犠牲陽極３の表面温度を所定の温度に制御した。

【0042】

温度情報は、制御部１６に設けた図示しない画像処理装置に付設した表示装置で可視化して表示した。この温度情報は、犠牲陽極３の表面温度を監視するのに使用した。なお、温度情報を記録装置に記録した後、情報として出力することもできるようにした。温度検出器１２は、犠牲陽極３が人工海水６と接する部分の温度を測定できるよう、犠牲陽極３が人工海水６と接する面に配置した。この場合、温度検出器１２ａ、１２ｂの面積をできるだけ小さくする。

【0043】

制御部１３は、温度検出器１２ａ、１２ｂからの情報に基づき加熱・冷却部１１の出力を制御する。電源１４は、犠牲陽極３及び制御部１３に電力を供給する。制御部１３および電源１４は、上記試験装置６１、６２のように犠牲陽極３から離れた部分に設置するのがよく、直接人工海水６に触れない場所に設ける。

【0044】

図８に、第１の試験装置６１を用いて防食試験をする際に、温度制御装置１７を制御する手順を、フローチャートで示す。なお、第１の試験装置６１では、犠牲陽極３が人工海水６に接している部分に、犠牲陽極３の温度を測定する第１の温度検出器１２ａを設置した。

【0045】

ステップＳ１１０で、使用する犠牲陽極３の材質に応じて予め求めた試験範囲の最小値(加熱・冷却部１１として加熱手段を用いる場合)または最大値(加熱・冷却部１１として冷却手段を用いる場合)となる設定温度Ｔ_０を、制御部１３から入力する。次に、犠牲陽極３が海水に接している部分に取り付けた第１の温度検出器１２ａを用いて、犠牲陽極の温度Ｔ_１を測定する(ステップＳ１２０)。制御部１３は加熱・冷却部１３を用いて２つの温度Ｔ_０、Ｔ_１の偏差が少なくなるように温度制御する（ステップＳ１３０）。続いて、第１の温度検出器１２ａを用いて、犠牲陽極の温度Ｔ_１’を測定する（ステップＳ１４０）。設定温度Ｔ_０とＴ_１’とをステップＳ１５０で比較する。２つの温度Ｔ_０，Ｔ_１’の差が許容温度範囲であれば、フローを終了し、次の温度計測点に移行する。温度差が許容温度範囲外であれば、ステップＳ１２０に戻る。全ての計測点での計測が終わったら、試験を終了する。

【0046】

図７(ｂ)に示した第２の試験装置６２では、図７(ａ)に示した第１の試験装置の構成に加え、犠牲陽極３の近傍の人工海水温度Ｔ_２を測定する第２の温度検出器１２ｂを設置した。第２の温度検出器１２ｂには、第１の温度検出器１２ａと同様のものを用いた。２つの温度検出器１２ａ、１２ｂが検出した温度信号を、制御部１３に入力した。この第２の試験装置６２を用いた試験では、検出温度の差(絶対値)が所定範囲内になるように、犠牲陽極３の温度を制御部１３が制御した。

【0047】

図９に、第２の試験装置６２を用いた試験方法を、フローチャートで示す。すなわち、ステップＳ２１０で、海水温度Ｔ_２を２５、３０、４０、５０℃のいずれかにし、使用する犠牲陽極３の材質に応じて予め求めた試験範囲の最小値(加熱・冷却部１１として加熱手段を用いる場合)または最大値(加熱・冷却部１１として冷却手段を用いる場合)となる温度Ｔ_１との差ΔＴを、制御部１３から入力する。次に、犠牲陽極３の近傍の海水温度Ｔ_２を測定する第２の温度検出器１２ｂを用いて海水温度Ｔ_２を測定する(ステップＳ２２０)。

【0048】

犠牲陽極３が海水に接している部分に取り付けた第１の温度検出器１２ａを用いて、犠牲陽極の温度Ｔ_１を検出する(ステップＳ２３０)。制御部１３は、加熱・冷却部を用いて、２つの温度Ｔ_２、Ｔ_１の温度差ΔＴが予め定めた値に近づくように温度制御する（ステップＳ２４０）。続いて、第１の温度検出器１２ａを用いて、犠牲陽極３の温度Ｔ_１’を測定する（ステップＳ２５０）。

【0049】

第２の温度検出器１２ｂが検出した海水温度Ｔ_２と犠牲陽極の温度Ｔ_１’とを、ステップＳ２６０で比較する。２つの温度Ｔ_２、Ｔ_１’の差が予め定めた温度差ΔＴの許容範囲であればフローを終了し、次の温度差ΔＴが得られる温度計測点に移行する。２つの温度Ｔ_２、Ｔ_１’の差が設定温度許容温度範囲外であれば、ステップＳ２３０に戻る。全ての計測点での計測が終わった(ステップＳ２６０)ら、試験を終了する。

【0050】

以上説明した２つの試験装置及び２つの試験方法を用いて、陰極の配管部材としてステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌおよび二相ステンレス鋼Ｓ３１８０３を、犠牲陽極材として亜鉛合金及び構造用炭素鋼ＳＳ４００を用いて試験した結果を以下に説明する。

【0051】

（Ａ系列）
陰極材となる模擬配管１にステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌを、犠牲陽極３に亜鉛合金を用いた場合である。第１の試験装置６１及び第１の試験方法を用いて、海水温度Ｔ_２を２５〜５０℃の間で変化させ、犠牲陽極３の温度Ｔ_１を２０〜５０℃の間で変化させた。模擬配管１と犠牲陽極３の間を無抵抗電流計で接続し、模擬配管１と犠牲陽極３間に流れる電流密度を測定した。なお、以下の一連の試験では、ポンプ内部の海水が羽根車から与えられる動力により温度上昇する場合を考慮して、海水温度Ｔ_２が５０℃まで上昇する場合も試験した。

【0052】

【表1】

【0053】

この試験結果をまとめたのが、表２である。表２で「×」印は、犠牲陽極３の動作温度として不適であることを示しており、「〇」印は犠牲陽極３の動作温度として適切であることを、「◎」は犠牲陽極３の動作温度として特に効果が優れていることを示している。犠牲陽極３の動作温度の適／不適は、犠牲陽極３の温度Ｔ１を２０~５０℃の間で変化させた場合に、電流密度が小さくなった範囲を適と判断した。

【0054】

【表2】

【0055】

表１に示した通り、試験番号Ａ１〜Ａ２０の範囲では、犠牲陽極３の温度Ｔ_１が３０℃以上であって５０℃以下になると、犠牲陽極３の温度Ｔ_１が２０℃または２５℃の場合と比較して、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの模擬配管１と犠牲陽極の間の電流密度が小さくなった。本陰極材料と陽極材料の組み合わせでは、犠牲陽極３の温度Ｔ_１を所定温度よりも高い温度に温度制御すれば、犠牲陽極３の長寿命化を期待できることが分かった。

【0056】

（Ｂ系列）
陰極材となる模擬配管１にステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌを、犠牲陽極に構造用炭素鋼ＳＳ４００を用いた場合である。第２の試験装置６２及び第２の試験方法を用いて、海水温度Ｔ_２を２５〜５０℃の間で変化させ、犠牲陽極３の温度Ｔ_１を、冷却手段としてペルチェ素子を用いて１０〜５０℃の間で変化させた。ここで、犠牲陽極３の温度Ｔ_１を検出する第１の温度検出器１２ａと、海水温度Ｔ_２を検出する第２の温度検出器１２ｂが検出した温度信号に基づき、犠牲陽極３の温度Ｔ_１を海水温度Ｔ_２より低くなるよう温度制御した。さらに、模擬配管１と犠牲陽極３の間を無抵抗電流計で接続し、模擬配管１と犠牲陽極３間に流れる電流密度を測定した。

【0057】

【表3】

【0058】

試験結果をまとめて、表４に示す。表４で「×」印は、犠牲陽極３の動作温度として不適であることを示しており、「〇」印は犠牲陽極３の動作温度として適切であることを、「◎」は犠牲陽極３の動作温度として特に効果が優れていることを示している。なお、「−」は、効果が得られないことが予測できたので、試験しなかったことを示している。犠牲陽極３の動作温度の適／不適は、海水温度Ｔ_２と犠牲陽極３の温度Ｔ_１とが同一であるときの電流密度を基準に、それよりも電流密度が低下していれば適と判断した。

【0059】

【表4】

【0060】

表３に示した通り、試験番号Ｂ１〜Ｂ１８において、犠牲陽極３の温度Ｔ_１が海水の温度Ｔ_２より低い場合は、犠牲陽極３の温度Ｔ_１が海水の温度Ｔ_２に等しい場合よりも、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌの模擬配管１と犠牲陽極３の間の電流密度が小さくなった。本陰極材料と陽極材料の組み合わせでは、犠牲陽極３の温度Ｔ_１を海水の温度Ｔ_２よりも低くなるよう温度制御すれば、犠牲陽極３の長寿命化が期待できることが判明した。

【0061】

（Ｃ系列）
陰極材となる模擬配管１に二相ステンレス鋼Ｓ３１８０３を、犠牲陽極に亜鉛合金を用いた場合である。第１の試験装置６１及び第１の試験方法を用いて、海水温度Ｔ_２を２５〜５０℃の間で変化させ、犠牲陽極３の温度Ｔ_１を、２０〜５０℃の間で変化させた。模擬配管１と犠牲陽極３の間を無抵抗電流計で接続し、模擬配管１と犠牲陽極３間に流れる電流密度を測定した。

【0062】

【表5】

【0063】

試験結果をまとめて、表６に示す。表６で「×」印は、犠牲陽極３の動作温度として不適であることを示しており、「〇」印は犠牲陽極３の動作温度として適切であることを、「◎」は犠牲陽極３の動作温度として特に効果が優れていることを示している。

【0064】

【表6】

【0065】

表１に示した通り、試験番号Ｃ１〜Ｃ２０の範囲では、犠牲陽極３の温度Ｔ_１が３０℃以上であって５０℃以下になると、犠牲陽極３の温度Ｔ_１が２０℃または２５℃の場合と比較して、二相ステンレス鋼Ｓ３１８０３の模擬配管１と犠牲陽極３の間の電流密度が小さくなった。本陰極材料と陽極材料の組み合わせでは、犠牲陽極３の温度Ｔ_１を所定温度、例えば３０℃よりも高い温度に温度制御すれば、犠牲陽極３の長寿命化を期待できることが分かった。

【0066】

（Ｄ系列）
陰極材となる模擬配管１に二相ステンレス鋼Ｓ３０８０３を、犠牲陽極に構造用炭素鋼ＳＳ４００を用いた場合である。第２の試験装置６２及び第２の試験方法を用いて、海水温度Ｔ_２を１０〜５０℃の間で変化させ、犠牲陽極３の温度Ｔ_１を２０〜５０℃の間で変化させた。犠牲陽極３の温度Ｔ_１を、冷却手段を用いて１０〜５０℃の間で変化させた。ここで、犠牲陽極３の温度Ｔ_１を検出する第１の温度検出器１２ａと、海水温度Ｔ_２を検出する第２の温度検出器１２ｂが検出した温度信号に基づき、犠牲陽極３の温度Ｔ_１を海水温度Ｔ_２より低くなるよう温度制御した。模擬配管１と犠牲陽極３の間を無抵抗電流計で接続し、模擬配管１と犠牲陽極３間に流れる電流密度を測定した。

【0067】

【表7】

【0068】

試験結果をまとめて、表８に示す。表８で「×」印は、犠牲陽極３の動作温度として不適であることを示しており、「〇」印は犠牲陽極３の動作温度として適切であることを、「◎」は犠牲陽極３の動作温度として特に効果が優れていることを示している。「−」は、効果が得られないことが予測できたので、試験しなかったことを示している。

【0069】

【表8】

【0070】

表７に示した通り、試験番号Ｄ１〜Ｄ１８において、犠牲陽極３の温度Ｔ_１が海水温度Ｔ_２より低い場合は、犠牲陽極３の温度Ｔ_１が海水温度Ｔ_２に等しい場合よりも、二相ステンレス鋼Ｓ３１８０３と犠牲陽極３の間の電流密度が小さい。本陰極材料と陽極材料の組み合わせでは、犠牲陽極３の温度Ｔ_１を海水温度Ｔ_２よりも低い温度に温度制御すれば、犠牲陽極３の長寿命化を期待できることが分かった。特に犠牲陽極の温度を１０℃まで低下させれば、電流密度が最も小さくなり、犠牲陽極３の長寿命化のために最も好ましい結果が得られた。

【0071】

上記模擬配管１を使用した試験装置６１、６２は、そのままポンプ装置３０の防食システムに適用できる。また、温度制御方法についても、人工海水温度の代わりに海水温度を測定しておけば、犠牲陽極３の温度を設定でき、修正して最適温度制御に使用できる。

【実施例1】

【0072】

以上の第１、第２試験装置６１、６２を用いた模擬配管１と犠牲陽極との組み合わせ試験結果を反映して、実際のポンプ装置３０への応用を考慮した防食システムを、図１０に示す。図１０は、実機に転用可能な防食システムの第３の試験装置６３の正面断面図である。

【0073】

図１１に、試験装置６３を用いた試験方法をフローチャートで示す。まず、図１１（ａ）に示した、犠牲陽極３を冷却する場合について説明する。すなわち、ステップＳ３１０で、使用する犠牲陽極３の材質に応じて予め求めた試験範囲の最小値Ｔ_maxおよび最大値Ｔ_minを設定し、制御部１３から入力する。以降、温度制御ループを開始する。ループの回数はｎ回目としてカウントし、初期値はｎ＝０とする（ステップＳ３２０）。まず、電流検出器９で電流ｉ_０を検出し、第１の温度検出器１２ａで犠牲陽極３の温度Ｔ_０を検出する(ステップＳ３３０)。次に、加熱・冷却部１１で犠牲陽極を冷却した上で（ステップＳ３４０）、ｎ＋１回目、すなわち１回目のループに入り（ステップＳ３５０）、電流検出器９で電流ｉ_１を検出し、第１の温度検出器１２ａで犠牲陽極温度Ｔ_１を検出する（ステップＳ３６０）。ｉ_０とｉ_１を比較し（ステップＳ３７０）、ｉ_１が小さければＴ_１とＴ_ｍｉｎを比較し（ステップＳ３８０）、Ｔ_１の方が高ければ再度加熱・冷却部１１で冷却（ステップＳ３４０）、Ｔ_１の方が低ければ所定の温度範囲に戻すため加熱・冷却部１１で加熱（ステップＳ３９０）した上で、それぞれｎ＋１回目、すなわち２回目のループに入り（ステップＳ３５０）、温度制御を同様に繰り返していく。また、ｉ_１とｉ_０を比較し（ステップＳ４００）、両者の差が許容温度範囲であれば電流値が最小となったと判断し、犠牲陽極３の温度Ｔ_１を維持し（ステップＳ４１０）、温度制御フローを終了し、次の温度計測点に移行する。ｉ_１が大きければ冷却過剰と判断し、加熱・冷却部１１で加熱した上で（ステップＳ３９０）、ｎ＋１回目、すなわち２回目のループに入り（ステップＳ３５０）、温度制御を同様に繰り返していく。全ての計測点での計測が終わったら、試験を終了する。
なお、図１１（ｂ）に示した、犠牲陽極３を加熱する場合は、図１１（ａ）の説明における加熱と冷却を逆に読み換えて実施すればよい。但し、ステップＳ３８１においては、Ｔ_ｎとＴ_ｍａｘを比較し、Ｔ_ｎの方が低ければ加熱・冷却部１１で加熱（Ｓ３４１）、Ｔ_ｎの方が高ければ所定の温度範囲に戻すため加熱・冷却部１１で冷却（ステップＳ３９１）した上で、それぞれｎ＋１回目のループに入り（ステップＳ３５０）、温度制御を同様に繰り返していく。

【0074】

模擬配管１の材料をステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌとし、犠牲陽極３を亜鉛合金とした（試験番号Ｅ１）。犠牲陽極３と模擬配管１の電流値を測定する無抵抗電流計９が検出した電流値がより小さくなるように、加熱・冷却部１１を用いて犠牲陽極３の温度を制御する。２５℃〜５０℃の人工海水６の温度範囲では、犠牲陽極３の温度が３０℃〜５０℃になると電流密度がより小さくなる。そして、犠牲陽極３の温度が４０℃において、電流密度が最小値を示す。

【0075】

模擬配管１の材料をステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌとし、犠牲陽極３を炭素鋼とした（試験番号Ｅ２）。その他の構成は、試験番号Ｅ１と同じである。２５℃〜５０℃の人工海水６の温度範囲では、犠牲陽極３の温度を人工海水６の温度より低い温度とした場合に電流密度がより小さくなる。そして、犠牲陽極３の温度が１０℃において、電流密度が最小値を示す。

【0076】

模擬配管１の材料としてステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌと鋳鉄ＦＣ２００の２種を用い、犠牲陽極３を亜鉛合金とした（試験番号Ｅ３）。ステンレス鋼にはすきま治具を接触させ。すきま部を設けた。さらに、白金電極を用いた外部電源方式の電気防食を組み合わせた。ステンレス鋼と炭素鋼は外部電源に対し電気的に並列で接続し、どちらも防食対象となるようにした。鋳鉄ＦＣ２００の表面の電流密度が５〜１００μＡ／ｃｍ^２となるよう制御して全面腐食を抑制する。ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌのすきま部の電流密度が５〜１００μＡ／ｃｍ^２となるよう制御して、すきま腐食を抑制する。

【実施例2】

【0077】

図１に示したポンプ装置３０に本発明に係る防食システムを適用した場合について、以下に説明する。上記第１の試験装置６１を実機に適用する場合である。図１(ｂ)に示すように、陰極材であるコラムパイプ３１と犠牲陽極３の双方の表面を、海水に接するようにする。また、コラムパイプ３１と犠牲陽極３には、海水に接していない部分で、導電性のボルト４で固定する。犠牲陽極３は、コラムパイプ３１をコラムパイプ材料自身の浸漬電位より低くする。

【0078】

犠牲陽極３の海水に接している部分の温度を制御するために、犠牲陽極３に付設する計測部２０と海水取水ポンプ設置部に配置される制御部１６とを有する温度制御装置を設ける。計測部２０は、加熱・冷却部１１および温度検出器１２を有し、制御部１６は制御部１３と電源１４とを有している。本実施例で特徴的なのは、コラムパイプ３１と犠牲陽極３の電気的導通部における電流値を測定する電流検出器２２を有していることである。

【0079】

海水取水用ポンプ３０では、コラムパイプ３１の外周面部に犠牲陽極３が配設されている。犠牲陽極３は、導電性固定具４でコラムパイプ３１と電気的に導通されるとともに固定されている。犠牲陽極３に密着させた熱伝導シート１０を介して、加熱・冷却部１１が配設されている。

【0080】

さらに、犠牲陽極３の側面には、温度検出器１２が配設されている。加熱・冷却部１１と温度検出器１２は、それぞれケーブル１５ｂ、１５ｃで制御部１３に接続されている。ケーブル１５ｂ、１５ｃは、信号の送受信と電力供給の機能を有する。制御部１３は、ケーブル１５ａで電源１４に接続されている。これら加熱・冷却部１１、および温度検出器１２、制御部１３、電源１４、ケーブル１５ａ〜１５ｃを総称して温度制御装置と呼ぶ。

【0081】

なお、コラムパイプ３１の内面部にも、犠牲陽極３と計測部２０を設置する。このとき、ポンプ３０内の流れに影響を与えないため、および犠牲陽極３を含む計測部２０の脱落を防ぐために、コラムパイプ３１の内面に凹部を設け、その内側に犠牲陽極３を含む計測部２０を配設する。さらに、凹部のスペースを無駄にしないために、犠牲陽極３の表面とコラムパイプ３１の内壁面が同一面上となるようにする。

【0082】

もしくは、コラムパイプ３１の内周面に凹部を設ける代わりに、コラムパイプ３１に孔を開けて開口部を形成する。そして、この開口部にフランジを配設し、フランジと計測部２０を一体としてもよい。この場合、コラムパイプ３１とフランジと犠牲陽極３の間を、電気的に導通させる。コラムパイプ３１の外周面部と内周面部に電極を設置し、コラムパイプ３１と電極間に電圧を印加する外部電源方式電気防食とすることもできる。この場合、コラムパイプ３１と電極の間を、絶縁する。

【0083】

以上、本発明について詳述したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能である。

【符号の説明】

【0084】

１…防食対象模擬部材（配管模擬部材）、３…犠牲陽極、４…導電性固定具、５…海水、６…人工海水、７…水、８…ウォーターバス、９…無抵抗電流計、１０…熱伝導シート、１１…加熱・冷却部、１２、１２ａ、１２ｂ…温度検出器、１３…制御部、１４…電源、１５ａ〜１５ｆ…ケーブル、１６…制御部、１７…温度制御装置、２０…計測部、２１…容器、２２…電流検出器、３０…海水取水ポンプ(ポンプ装置)、３１…コラムパイプ、３２…案内羽根、３３…羽根車ケーシング、３４…吸込みベルマウス、３５…フランジ、３６…回転軸、３７…案内羽根内壁部、３８…羽根車（インペラ）、３９…据え付け部、４０…海岸、４１…導水路、４２…吸込み槽、４２ａ…ベース板、４３…吐出配管、４４…二層ろ過器、４５…ろ過海水槽、４６…ポンプ、４７…保安フィルタ、４８…配管、４９…高圧ポンプ、５０…動力回収タービン、５１…配管、５２…ＲＯ膜モジュール、５３…配管、５４…生産水槽、５５…濃縮水配管、６１…第１の試験装置、６２…第２の試験装置、６３…第３の試験装置、７０…防食システム、８０…海水淡水化システム、１００…カソード分極曲線、１０１…アノード分極曲線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】