腐食概論:鋼の腐食

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         【流速の影響】

 静止状態の水で酸素拡散層の厚みは,概ね 500μmといわれている。水が動くことで,拡散層の厚みは,その流速に応じて変化(減少)する。
 鋼の腐食では,カソード部に達した酸素は直ちに還元される。すなわち,拡散層厚みの減少は,沖合の溶存酸素濃度 C が一定の場合には,溶存酸素の流束 J (酸素濃度の勾配)が大きくなることを示す。
 下図は,空気で飽和した中性水溶液の流速を変えた時の鋼腐食に与える影響を模式的に示したものである。

水中に置かれた軟鋼の腐食速度と流速

鋼腐食に与える水流の影響
参考:岡本剛 著「新版腐食と防食」大日本図書,p.88(1987)

 静止した状態から流速を増加させると,ある流速までは腐食速度が増加する。これは,流速の増加と共に,拡散層の厚みが薄くなり,鋼表面に向う酸素の流束 J が増加したためである。
 しかし,ある流速を超えると,腐食速度の減少が観察され始める。拡散層の厚み減少に伴い,鋼表面に達する酸素量が増加し,【溶存酸素濃度の影響】で示した高酸素濃度での不動態化の影響と同様の現象が現れたためと考えられる。
 さらに流速を上げると,鋼表面に水流の乱れが発生し,物理力による酸化物皮膜の破壊(エロージョン)が起きる。すなわち,鋼表面では不動態皮膜の生成と物理的破壊の繰り返しが起き始め,流速の増加に伴い,物理的破壊の寄与が大きくなることで腐食速度が増加すると考えられる。
 さらに流速が大きくなると,腐食との相乗効果によるエロージョン・コロージョンが,そして,微細な気泡の発生・破壊に伴うキャビテーション・エロージョンによる損傷が加わり,乱流発生個所で激しい局部腐食に至ると推定される。

 下図は,論文(1931年)に記載された実測例である。鋼種が現在とは異なるが,流速により腐食速度が5倍以上異なることが分かる。

水中に置かれた軟鋼の酸素消費率と流速

水中に置かれた軟鋼の酸素消費率と流速
出典:B. E. Roetheli, R. H. Brown, Ind. Eng. chem. , 32,1010 (1931)

 図では,流速 1 ft/s(≒0.30m/s)程度で酸素消費率の増加が緩やかになり,それ以上の流速では酸素消費率が減少している。
 流速が約 1m/s以上になると,鋼表面に乱流が発生し,エロージョン・コロージョンに至ると考えられている。高流束(10~30m/s)の水では,深い孔食状の侵食に至るキャビテーション・エロージョン(cavitation-erosion)と呼ばれる現象に至る。

【参考資料】
 1):岡本剛 著「新版腐食と防食」大日本図書(1987)
 2):B. E. Roetheli, R. H. Brown, Ind. Eng. chem. , 32,1010 (1931)

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