埋設管保安高度化技術 第1章 ガス管の腐食

経済産業省委託事業 埋設管保安高度化技術 保安専門技術者研修テキスト 高圧ガス保安協会

はじめに 埋設管の保安対策については 平成 10 年に通商産業省の 高圧ガス及び火薬類保安審議会液化石油ガス部会保安高度化分科会 において 今後の埋設管事故防止対策がまとめられ 埋設管維持管理マニュアル : 販売事業者編 を作成いたしました 平成 11 年度 このマニュアルにのっとり 耐腐食性の高い管への変換 と 漏えい検知装置等安全機器の設置促進 を図るため 埋設管保安専門技術者を育成し この保安専門技術者による講習会を全国で開き 自主的に点検 調査をするようLPガス販売事業者等に保安啓発を行ってきました 点検 調査の進捗にともない 次の事柄が明らかとなってきました 1 腐食対策に関する技術や知識が不足している 2 電気的絶縁継手がないもの また 白ガス管など耐腐食性の低い埋設管が存在している 3 腐食が著しく進行している埋設管が存在している 4 腐食が進行している埋設管等の対策が十分でない そのため 本マニュアルでは腐食対策の知識 点検 調査の技術 改善の方法のポイントを追加する改訂を行いました 平成 12 年 12 月の高圧ガス及び火薬類保安審議会液化石油ガス部会における答申において 可 及的速やかに B 級事故を撲滅するとともに 一般消費者等が安心して LP ガスを利用できるシス テム構築 を内容とする LPガス保安高度化プログラム が示され その実現のための各種 の対策が現在進められております そのため 埋設管保安高度化専門技術者は 販売事業者に埋設管の工事方法 点検方法 管理 方法等埋設管事故防止技術をまとめた 埋設管維持管理マニュアル 改訂版 を徹底するための 講習会の実施や 個別コンサルティングでの腐食調査方法の実技などの高度化指導を行い埋設管 の保安高度化を図ることを目的としています 本テキストは 上記の主旨に基づき 埋設管保安高度化技術 について 中央で行う保安専門 技術者研修用として作成したものです

目 次 第 1 章ガス管の腐食 1 1. 腐食の分類 1 2. 自然腐食 2 2.1 マクロセル腐食 2 (1) コンクリート / 土壌系マクロセル腐食 3 (2) 通気差マクロセル腐食 4 (3) 異種金属マクロセル腐食 5 2.2 ミクロセル腐食 6 (1) バクテリア腐食 6 (2) 酸性土壌腐食 7 (3) 一般土壌腐食 7 3. 電食 7 3.1 滴れ電流による電食 8 (1) 帰流型 8 (2) 押出し型 9 3.2 干渉による電食 10 4. 埋設ガス管の腐食の起こりやすい場所 11 5.LPガス埋設管の腐食 12 第 2 章腐食の基礎 15 1. 腐食の電気化学的性質 16 2. アノードで起こる反応 17 3. カソードで起こる反応 18 4. カソード反応の速さ 19 5. 水 ( 土壌 ) の中の腐食 19 6. 溶存酸素の作用 22 7. 接触腐食 23 8. イオン化傾向 -ガルバニ系列 24 9. 標準電極電位 26 10. 基準電極 26

11. 参照電極 28 12. セメンティション 29 13. ガルバニ効果の大きさ 29 14. 分極 30 15. 面積効果 31 16. 金属イオンの濃度差の効果 32 17. 溶存酸素の濃度差の効果 33 18. カソード防食 34 19. 不動態と表面皮膜 34 20. アノード防食 35 21. 防食皮膜 35 22. 乾食 36 23. 腐食現象における自由エネルギーの変化 36 24. ネルンストの式の一般的な形 38 25.pH- 電位図 39 26. 混成電位 42 27. 金属の腐食事例 44 (1) 応力腐食割れ 44 (2) 脱成分腐食 46 (3) エロージョン コロージョン 47 28. 金属の腐食量と電流の関係 48 (1) ファラデーの法則 48 (2) 腐食速度の電気化学的表示方法 50 第 3 章防食方法の対策 51 1. 防食の概念 51 1.1 防食の基本的考え方 51 1.2 防食法の分類 51 1.3 各種防食方法 52 (1) 塗覆装による防食方法 52 (2) 電気防食方法 52 (3) 絶縁による防食方法 59 (4) メッキによる防食方法 61

第 4 章腐食の測定調査 62 1. 一般の腐食測定方法 62 1.1 管対地電位の測定 (P/S) 62 1.2 土壌比抵抗の測定 63 1.3 酸化還元電位の測定 64 1.4 phの測定 65 1.5 地表面電位勾配 (S/S) 65 1.6 針電極法による欠陥調査 68 1.7 電食調査 68 1.8 埋設管腐食測定器 69 第 5 章埋設管の腐食対策 77 1.LPガスにおける埋設管とは 77 2. 埋設鋼管の腐食対策 79 (1) 被覆鋼管 79 (2) 絶縁触手 83 (3) 電気防食 86 (4) ガス用ポリエチレン管 94 (5) ガス配管用ステンレス製フレキシブル管 94 3. 調査点検 97 4. 施工方法 98 第 6 章埋設管の損傷対策 101 1. 損傷の基礎 101 (1) 不等沈下 101 (2) 土圧及び車輪荷重 105 2. 埋設管の損傷対策 材料 108 (1) 不等沈下対策 108 (2) 埋設管の埋設探さ及び他工事対策 113 3. 調査点検 114 4. 施工方法 115 第 7 章埋設管の維持管理 117 1. 現状把握と対策 117 2. 消費者等への周知 118

3. 漏えい検知装置 125 3.1 流量検知式漏えい検知装置 125 (1) 流量検知式切替型漏えい検知装置 125 (2) 流量検知式圧力監視型漏えい検知装置 128 3.2 圧力検知式漏えい検知装置 130 3.3 常時圧力検知式漏えい検知装置 131 追加資料 1. 埋設管事故防止対策の経緯 133 ( 参考 ) 例示基準第 28 節 134 2. 土壌中に拡散したLPガスの除去方法 ( 例 ) 147 3. 腐食診断測定値の目安 149 4.LPガス埋設管の腐食診断測定結果 155

第 1 章 ガス管の腐食 1. 腐食の分類 ガス管の腐食は 金属表面と接する外界 ( 環境 ) に関連する現象であるので 環境によって 腐食を分類すると図 1.1 のようになる 図 1.1 環境による腐食の分類 -1-

2. 自然腐食土中の埋設配管の腐食は土中の水分を媒介として生ずる電気化学反応が主な原因である 鉄の表面の金属結晶単位の微細な部分に発生する電位差による電池作用 ( ミクロセル ) や 埋設配管の埋設環境の差異や材質の違いから発生する電池作用 ( マクロセル ) 等で陽極部から陰極部に向って土中の水分等をつたわり電流が流出する この際鉄の表面から鉄がイオン化して土中に溶け出す現象が発生する 表 1.1 マクロセル腐食とミクロセル腐食の違い マクロセル腐食 ミクロセル腐食 電池形態 マクロ電池 ( 巨大電池 ) ミクロ電池 ( 微小電池 ) 局部的な激しい腐食 全体的な腐食 ( 白管 ) 腐 食 急激な進行 徐々に進行 プラスチック被覆綱管でキズ等 プラスチック被覆鋼管ではほと があればそこに腐食が集中する んど起こらない コンクリート/ 土壌 酸性土壌 原 因 異種金属 一般土壌 通気差 バクテリア 大気中の腐食 2.1 マクロセル腐食 マクロセル腐食とは 腐食する部分と腐食しない部分とが位置的にはっきり分かれて見る ことのできる腐食で 腐食する部分から腐食しない部分へ電解質 ( 土壌など ) を通って電流 が流れる大きな電池を形成している状態なので macro + cell の意味からこのように呼ん ( 大きな ) ( 電池 ) でいる マクロセル腐食には 次の様な種類がある 1 2 3 コンクリート / 土壌系マクロセル腐食 通気差マクロセル腐食 異種金属マクロセル腐食 -2-

(1) コンクリート / 土壌系マクロセル腐食 参考第 2 章 25 15 コンクリートの中は強いアルカリ性のため コンクリート中の鉄は土中の鉄に比べて高い電位 (-250mV) を示す したがってコンクリート中の鉄筋と埋設管が接触すると 土中の埋設管 (-550mV~-750mV) とコンクリート中の鉄筋の間で電位差 (300~500mV) が生じ 土中の埋設管が腐食する これがコンクリート / 土壌系マクロセル腐食でC/S 系マクロセル腐食とも呼ばれている 図 1.2 コンクリートと土壌によるマクロセル腐食 -3-

(2) 通気差マクロセル腐食 参考第 2 章 17 5 6 埋設管が粘土と砂とにまたがって配管されている場合や 舗装道と砂利道にまたがって配管されている場合などは 土中に通気性の差による酸素濃度の差が生じる この場合 通気性が悪く酸素濃度の低い方が電位が下り 酸素濃度の高いところとの間に電位差が生じ 通気性の悪い方が腐食を起こす この様な腐食現象を通気差マクロセル腐食と言っている ( 図 1.3) 図 1.3 通気差 ( 酸素濃度差 ) によるマクロセル腐食 -4-

(3) 異種金属マクロセル腐食 参考第 2 章 8 13 15 自然電位の異なる2 種類の金属 たとえば図 1.4のように鉄と銅を電解液の中に入れた場合 銅にくらべて鉄の方の電位が300mV 低いので電解液中では 鉄がイオンとなって溶け出すと同時に 鉄から銅の方に向って電流が流れる さらに 電解液外では 電線を伝って銅から鉄に向って電流が流れる このようにして 銅と鉄の間に電池が形成され 鉄はイオンとなって溶液中に溶け出していく現象を 異種金属マクロセル腐食と言っている 土中の鋼管ラインに銅合金のバルブを設けるとその接続部付近の鋼管が腐食を起すのは 異種金属マクロセル腐食である ( 図 1.5) 図 1.4 異種金属による腐食 図 1.5 異種金属によるマクロセル腐食 -5-

2.2 ミクロセル腐食 ミクロセル腐食は 白ガス管などで起る腐食で全面が徐々に錆びていく腐食である ミクロセルという言葉は 電流の流れ出るところと 入るところが区別できないような微 小な電池を形成するため micro + cell の意味からきたものである ( 図 1.6) ( 小さな ) ( 電池 ) 図 1.6 ミクロセル腐食のイメージ ミクロセル腐食には 次の様な種類がある 1 2 3 バクテリア腐食 酸性土壌腐食 一般土壌腐食 (1) バクテリア腐食 細菌は土壌中における鋼材の腐食にかなり大きな影響を与え とくに嫌気性硫酸塩還元細 菌の繁殖する環境では腐食性が大であることはよく知られているが 定量的に腐食度と細菌 数の関係などについて発表されたものはないようである 硫酸塩還元細菌による土壌の腐食 性を知るには 土壌の酸化還元電位を計測する方法が行われている 酸化還元電位が 100mV 以下のときは細菌腐食は激しく 100~200mV のときは中程度の腐食牲を示す 400mV 以上で は細菌腐食はほとんど起こらない 細菌活動は管の表面の硫酸塩還元能力と腐食反応における水素消費能力である 具体的に はCaSO4を還元してH2Sまたは硫化物を生ずる かつ腐食電池で流れる電流を限定する 絶縁性分極水素被膜をこわす作用をする この二つの理由で管路のFeは急速に侵食される -6-

(2) 酸性土壌腐食 参考第 2 章 25 酸性の強い土壌 (ph4 以下 ) は金属に激しい腐食を引き起こす このような酸性土壌は一般に少なく 多くの土壌はpH5.0~8.0の範囲にある したがって土壌腐食はpHよりも他の腐食因子に支配されやすい 植物類の ( 分解腐葉土 ) によって生ずるフミン酸のような有機酸を含む土壌ではpHが中性に近くても酸性度が高いので 比較的腐食性が大きい このような土壌ではpHよりも酸度 ( 酸性物質の含有量を表す値 ) が腐食性を表す指標となる 表 1.2 ph と腐食性 ph 腐食牲 < 4 非常に腐食性 4~10 普通 (ph 値に依存せず ) >10 非腐食性 (3) 一般土壌腐食 参考第 2 章 5 6 25 土壌は 本質的には自然水に似ている すなわち 一般には中性であって 水分の多少が 腐食反応の因子となり酸素がおもなカソード反応物質であるが しかし腐食反応の速度を考 えるとき 土壌は水に比べ種々の複雑な因子を含んでいる 平均腐食度は 一般にはあまり大きなものではない 米国の National Bureau of Standards (NBS) は 試験材を用いて多数の土壌中で長期埋設試験を行なっているが 例えば 3 イ ンチの鋼の短管を米国内の 44 種の土壌中で 12 年間試験した結果に基づいて計算してみると 平均腐食度は 全土壌の平均で0.02mm/y 最小 0.0036mm/yとなっている この試験の結果 土壌の有孔度 湿分 排水性などが 平均腐食度に影響している 3. 電食電食は電気鉄道や防食設備 ( 外部電源装置 排流器 ) のような人為的電気設備からの直流電流に起因して発生する腐食である 電食は このような人為的直流源から土壌中に流出した直流電流の一部が 埋設ガス管の表面から流入し 流入した電流が再び土壌中に流出する部分で 陽極反応を促進して激しい腐食をもたらす 電食には直流電気鉄道のレールからの 漏れ電流による電食 と電気防食設備の防食電流に起因する 干渉による電食 との2つのタイプがある -7-

3.1 漏れ電流による電食 現在の電気鉄道は架空単線式を採用し レールを電車電流の帰線として使用している レ ールは大地に対してある程度の接地抵抗を持ってはいるが 絶縁されていないので レール を流れる電流の一部は漏れ電流として地中に流出する このとき付近に埋設金属が存在する と 漏れ電流は埋設金属体に流入し 流入した電流が再び土壌中に流出する部分で非常に激 しい腐食をもたらす 漏れ電流による電食は埋設ガス管に流入した漏れ電流の流出しかたに より 帰流型 と 押出し型 の2 種類に分類できる (1) 帰流型 埋設ガス管に流入した漏れ電流が 図 1.7 に示すように電鉄の変電所付近で流出してレー ルに帰流し 電流が流出する部分のガス導管表面に腐食が発生することを 帰流型電食とい い 非常に激しい腐食を引き起こすことが多い 図 1.7 帰流型電食 -8-

(2) 押出し型 線路と交差あるいは接近する埋設ガス管に漏れ電流が流入し これが線路から離れた場所 で流出して腐食が発生することを 押出し型電食という 図 1.8 押出し型電食 -9-

3.2 干渉による電食埋設金属に外部電源装置 選択排流器または強制排流器による電気防食を実施したとき これに近接する他の埋設金属体に防食電流の一部が流入し 流出部において腐食を引き起こすことがある これを干渉による電食という 図 1.9 干渉による電食 また 電気防食を実施している埋設管が絶縁継手を介して非防食埋設管と接続している場合に 同様な干渉による電食が非防食埋設管側に生ずることがある これを特にジャンピング腐食と呼ぶ 図 1.10において 防食側と非防食側の電位差が大きいと 防食電流の一部が非防食側の管路に分流し 絶縁継手近傍から土壌を通じて防食側管路へ帰流するため 流出点で腐食が引き起こされる 図 1.10 ジャンピング腐食 -10-

４ 埋設ガス管の腐食の起こりやすい場所 埋設されるガス管は 様々な環境に設置されているため その腐食形態は一様ではなく 置 かれる環境 場所等に左右される 埋設ガス管の腐食の起こりやすい場所と原因の概念を図1.11に示す 図1 11 埋設ガス管の腐食の起こりやすい場所と原因の概念図 11

5.LPガス埋設管の腐食 LPガスの腐食によるガス漏れと埋設年数の関係は 図 1.12のように 早いものでは1 年以内に 8 年をピークに20 年ぐらいまで発生がみられた LPガス設備の場合 圧倒的にC/Sマクロセルによる腐食が多かった 汚水溝の漏水箇所などに 通気差マクロセル腐食が発生したとの報告も多く聞くが このような箇所も詳細な測定調査の結果 C/Sマクロセルが腐食の主原因であることが多かった LPガス埋設管の腐食は 埋設されている配管の長さが比較的短く 問題となる腐食は大部分がC/Sマクロセルと考えられる ただし C/Sマクロセル腐食が単独で発生するわけではなく 通気差マクロセルの環境があれば C/Ss 合わせ通気差によるマクロセル腐食も同時に発生する 実際はいろいろな腐食が埋設管上で発生することになるが 腐食の大きさから C/Sマクロセルが主体となった腐食になっている 図 1.12 腐食によるガス漏れと埋設年数 -12-

LPガス埋設管の腐食環境の測定結果を表 1.3と表 1.4に示す 防食措置のない白ガス管 15 件のうち11 件が建物の鉄筋等と接触していた 防食テープ巻白ガス管及びプラスチック被覆鋼管 ( 被覆鋼管 ) を使用していた10 件中 9 件が建物と接触し 危険性があるものが多い 建屋なら約 1m 離れた箇所で埋設管を切断し 接地抵抗 ( 通電変化幅 ) を測定したところ ボンベ側の埋設管設置抵抗が大きくなり C/Sマクロセル腐食の回路が切断されたことが判る しかし 大型建築物が多く 建屋に入る埋設管が幾つもあり 一カ所の切断では改善が見られないものもある 腐食要因の調査に 管対地電位が簡便でよく利用されているが この調査の管対地電位と最大腐食深さと比較した結果を図 1.13に示すが 管対地電位と腐食の危険性とはあまり相関が見られず 管対地電位だけで腐食判断を行うのは好ましくない 実際の埋設環境ではいろいろな影響を受けた管対地電位となるためと考えられる 図 1.13 管対地電位と最大腐食速度 -13-

表 1.3 LP ガスの白ガス管 ( 防食なし ) の測定結果 埋 設 配 管 建屋側 管内 通電変化幅 mv/ma 管対地電位 電流 建屋 最大腐食 最大腐食 施設名称 種別 管径 塗 装 経過年数 * l 管切断前 管切断後 深さ 速度 接触 実測値 実測値 yr -mv ma 建屋側 建屋側 ボンベ庫側 1 社宅 K 鉄筋 32A 白管 25.5 286~304 2.5 0.22 0.01 0.23 有 3.05 0.137 2 社宅 A 鉄筋 50A 白管 20.7 340~430 5.56 0.42 0.36 0.27 有 3.80 0.184 3 公務員住宅 P 鉄筋 40A 白管 20.4 270~300 3.2 0.17 0.20 35.0 有 3.22 0.158 4 マンション Y 鉄筋 50A 白管 14.5 229~442 2.0 0.13 0.05 0.6 有 2.71 0.187 5 ビル T 鉄骨 25A 白管 18 170~180 0.23 4.26 0.11 442.9 有 1.93 0.107 6 社宅 T 鉄筋 50A 白管 15 170~260 4.0 11.5 0.31 38.6 無 0.80 0.053 7 ホテル H 鉄筋 32A 白管 14 370~405 0.73 0.43 0.0 16.5 有 1.62 0.116 8 ビル S 鉄筋 32A 白管 20.2 355~380 1.84 0.42 3.0 3.0 有 2.92 0.145 9 公務員住宅 T 鉄筋 15A 白管 20 144~290 0.17 35.2 473 51.2 無 0.48 0.024 10 学校 S 鉄筋 15A 白管 23 550~600 0.18 20.0 317 78.2 無 0.95 0.041 11 社宅 O 鉄筋 20A 白管 13 620~650 0.65 2.96 19.2 6.7 有 1.24 0.095 12 住宅 M 木造 20A 白管 18.7 590~635 0.29 1.26 36.3 1.0 有 0.34 0.018 13 住宅 Y 木造 20A 白管 24 530~610 0.3 13.3 119.2 17.9 無 1.17 0.049 19 学校 K 鉄筋 80A 白管 18.5 430~510 0.47 0.02 - - 有 4.20 0.227 20 マンション K 鉄筋 50A 白管 20 170~230-1.05 0.1 - - 有 3.8 0.190 *l 電気の方向 +; ボンベ気管へ -; 建屋側へ 表 1.4 防食テープ巻き白ガス管及び被覆鋼管の測定結果 埋 設 配 管 建屋側 管内 通電変化幅 mv/ma 管対地電位 電流 建屋 最大腐食 最大腐食 施設名称 種別 管径 塗 装 経過年数 * l 管切断前 管切断後 深さ 速度 接触 実測値 実測値 yr -mv ma 建屋側 建屋側 ボンベ庫側 14 マンション G 鉄筋 50A 被覆管 15.6 370~390 3.35 0.16 0.01 0.07 有 0.00 0.000 15 マンション S 鉄筋 32A テープ 11.2 400~410 0.0 578 2636 70400 無 0.00 0.000 16 学校 T 鉄筋 25A テープ 10.3 300~325 0.037 1.0 1.0 6925 有 0.00 0.000 17 マンション D 鉄筋 50A テープ 9.8 423~477-2.5 2.11 0.06 19.6 有 0.82 0.084 18 公務員住宅 F 鉄筋 20A 被覆管 8.1 290~340 0.008 0.18 149.3 0.74 有 0.00 0.000 21 マンション N 鉄筋 80A テープ 13.1 340~355 0.243 0.4 0.35 125 有 1.48 0.113 23 社宅 N 鉄骨 50A テープ 19 200~210 0.008 1.55 1.39 8125 有 0.76 0.040 24 公務員住宅 K 鉄筋 40A 被覆管 21 100~115 0.47 3.69 0.94 563 有 0.79 0.038 25 マンション NT 鉄筋 50A テープ 8 182~228 1.64 1.01 0.18 0.61 有 3.80 0.475 26 マンション C 鉄筋 40A テープ 12 140~290 0.31 0.53 0.35 600 有 0.40 0.033 *l 電気の方向 +; ボンベ気管へ -; 建屋側へ -14-