腐食概論:鋼の腐食

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          【海洋環境区分別腐食】

裸鋼杭の腐食模式図

裸鋼杭の腐食模式図

 腐食環境区分では,それぞれの環境に応じた特徴的な腐食を示す。右図は,一般的な模式図として知られる“裸の鋼杭を暴露した場合”の各部位の侵食度変化である。
 この中で,海底土中部の腐食は,基本的には,別の章で解説する一般的な【土壌環境の腐食】と同様に扱える。
 また,乾湿の繰り返しや降雨の影響を受ける海上大気部の腐食についても【大気環境の腐食】と同様に扱える。
 ここでは,海洋環境で特徴的な環境の「飛沫帯」「干満帯」及び「海中部」における腐食の概要を解説する。 

【飛沫帯での腐食】
 飛沫帯は,構造物に波の衝突で発生した海水飛沫が付着し,常に薄い海水の膜で覆われる環境にある。
 【淡水環境の腐食】の【溶存酸素の拡散】の項で解説したように,鋼の腐食速度がは,下図のように,鋼表面に付着する水膜厚みが,酸素の拡散層(概ね500μm)より薄いときに最大の値を示す。
 飛沫帯の腐食が激しいのは,“塩濃度が高いため”と考えがちであるが,実際は,【淡水環境の腐食】の【水質の影響(陰イオン)】の項で解説したように,腐食速度は,酸素の拡散,飛沫帯の場合は水膜の薄さの寄与が大きいと考えるのが良い。
 すなわち,海洋環境の中で飛沫帯が,最も腐食速度の高くなる条件を備えていることが分かる。

大気中水膜厚みと軟鋼の腐食速度

大気中水膜厚みと軟鋼の腐食速度
参考:H. Uhlig, D. Triadis, M. Stern, J. Electrochem. Soc., 102, 59(1955)

【干満帯単独の腐食】
 干満帯の位置では,日に 2回(1回の場合もある)の干満の繰り返し,すなわち,満潮時には海水に没し,干潮時には飛沫帯となる。
従って,酸素の拡散の観点からは,干満帯の腐食性は,飛沫帯に次ぐ激しい腐食環境と考えることができる。。
 実際に,干満帯に単独で小さい鋼試験片を暴露した場合や,海洋構造物の塗膜など電気絶縁性の防食皮膜に素地に達する欠陥がある場合は比較的激しい腐食を受ける。
 しかし,上に示した図,すなわち大気部から土壌中まで連続して裸の鋼を暴露した場合は,大気海上部より腐食性が低い結果になっている。これは,干満帯と海中部とが,次に示すように,電気的に結合された場合の挙動である。

【干満帯と海中部を電気的に結合した場合の腐食】
 裸の鋼杭など金属部が干満帯海中部を連絡する構造の場合は,干満帯の腐食度は非常に小さくなる
 干満帯に位置する鋼材表面は,その直下に当たる海表面近くの海中部より多量の酸素供給を受ける。
 すなわち,干満帯と海表面直下の鋼の間に,酸素濃度の大きな違いによる酸素濃淡電池が形成される。これにより,干満帯の鋼がカソード部として,海表面直下の鋼がアノード部として作用する時間が多くなる。
 結果として,干満帯の腐食は抑えられ,海表面近傍の海中部の腐食が大きくなる。

【海中部単独の腐食】
 ある程度水深の深い海中部では,「濃淡電池腐食」の影響がなく,腐食の原理は淡水中の腐食と同様に,溶存酸素濃度流速の影響を受ける。淡水中との違いは,塩化物イオン濃度が高く,高い流速でも鋼の不動態化が期待できないことである。

鋼管杭No.16の肉厚減量と腐食速度

鋼管杭No.16の肉厚減量と深度
出典:港湾空港技術研究所 資料1123 p.27(2006年6月)

【実測例】
 右図は,(独)港湾空港技術研究所が建設した波崎海洋研究施設砕波帯総合観測用桟橋(茨城県神栖市)において,無防食の鋼管杭(直径600~800mm)を1984年~1997年までの13年間暴露し,回収した後で計測した鋼管の肉厚み減少量計測結果である。
 海表面近く(-0.5mまで)の侵食度は 0.2mm・a-1程度と深度-1m以上の海中部(0.1mm・a-1程度)より大きい腐食を示している。
 干満帯(図中L.W.L.とH.W.L.の間)では,ばらつきはあるが海中部と同程度の腐食である。
 H.W.L.から深度+ 2m(飛沫帯の一部に相当)程度までの低い侵食度は,実験場の地形の影響と考えられる。すなわち,実験場の波崎は遠浅の海岸のため,干満以外に大きな波の影響を受け,満潮時の海表面の位置(H.W.L.)に波高を加えた分まで干満帯と同様の影響を受けたためと想定される。
 深度+2mより上部は,波の鋼管杭への衝突で発生する飛沫が付着する真の意味での飛沫帯と考えられ,侵食度 0.2~0.25mm・a-1と最も大きい腐食を示している。このように,実測においても,模式図と同様の現象が観察されている。
 運輸省港湾技術研究所 編書「港湾構造物の維持・補修マニュアル」(財)沿岸開発技術研究センターなどによると,港湾構造物の鋼腐食(侵食度)の目安として,
 H.W.L.を超える海上大気部(飛沫帯)で 0.3mm・a-1
 干満帯(H.W.L.~L.W.L.)及び-1.0m(干潮面から 1m下まで)で 0.1~0.3mm・a-1
 海水中で 0.1~0.2mm・a-1
 海底土中部で 0.03mm・a-1としている。
 なお,干満帯の扱いについては,電気的に海中部と接続がある場合は侵食度 0.1 mm・a-1程度,絶縁されている場合(防食塗膜の欠陥部など)は 0.3 mm・a-1程度と考えるのが妥当であることを意味している。

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