金属の腐食と電気防食法(陰極防食法)

電気防食とは

まえがき

 電気防食を試みたのは Sir Humphery Davyであるとされ、約200年の歴史と実績を有する確実な防食工法です。
 防食の歴史は1824年に、木造軍艦の船体外板に張られた銅板の腐食を防止する為に、小さな亜鉛或いは鉄のブロックを犠牲陽極としてテストした事が起源と言われています。
 日本では昭和30年頃(1955年頃)から急速な進歩を遂げた技術の一つであり、諸外国の進歩に負う所も多くありますが、日本独自に開発された防食技術も多くあります。

 弊社は防食技術の専門会社として日本で最初に創業し、日本の防食技術を担ってきました。
 電気防食法には陰極防食法(カソード防食法)と陽極防食法(アノード防食法)がありますが、陽極防食法は特殊な環境で使用され、実施例はありません。これに対し、陰極防食法は船舶、港湾施設、埋設配管等広範囲に使用されていることから、電気防食といえば陰極防食法を指すことが主流となっております。
 対象となるのは電解質(水・土壌・コンクリートなどの電気を通す物質)中に存在する金属で、鉄鋼の他にアルミニウム合金、ステンレス鋼、鉛、銅合金などがあります。

金属の腐食とは   電気防食(陰極防食)法とは

 

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金属の腐食とは

 金属がそれを取り囲む環境との化学的あるいは電気化学的反応によって表面から消耗する現象を腐食といいます。
 水中や土中における金属の腐食は、その多くが電池作用に基づいた電気化学的反応によって進行します。腐食が進行する過程において、結晶格子中の金属原子(M )はその金属結合力を失い、金属内に電子(e-)を残して、金属イオン(M n+)が腐食環境中に移ります。

   M → M n+ + n e-        (1)

 これは金属原子が電子を放出する酸化反応(アノード反応)です。この酸化反応は対応する還元反応(カソード反応)が伴わないと進みません。還元反応は電子受取反応で、環境によって種々の反応をとることができ、その代表的なものは次の反応です。

(a) 酸素還元(中性又はアルカリ性溶液中)
   1/2 O2 + H2O +2 e- → 2 OH-  (2)
(b) 水素発生(酸性溶液中)
   2 H+ + 2 e- → H2        (3)

 金属が腐食する場合、このアノード反応とカソード反応が金属表面において互いに等しい速度で進行するので、腐食反応は両反応の組み合った電池反応となります。
 アノード反応とカソード反応は金属表面の同一箇所で起こる場合もありますが、つぎのような金属側や溶液側の不均一性に起因して、金属表面上の別の箇所で起こる場合の方が多く見られます。

金属側における不均一性: 金属の化学組成、組織、結晶方位、残留応力、表面温度、 酸化皮膜、付着物、表面状態
溶液側における不均一性: 各種イオン濃度、溶存酸素濃度、液温、流速

 このように金属表面に形成される局部的な電池は腐食電池(corrosion cell)、又は局部電池(local cell)と呼ばれます。金属表面における腐食電池作用を模式的に図1に示します。

図1 腐食電池作用

 アノード反応とカソード反応の起こる場所がそれぞれアノードとカソードに相当します。金属内では、電子がアノードからカソードに向かって移動するので、腐食電流はその逆方向へ金属内をカソードからアノードに向かって流れ、さらに溶液中をアノードからカソードに向かって流れます。
 腐食において、カソード反応が(2)式で進行する場合を酸素消費型の腐食といい、(3)式で進行する場合を水素発生型の腐食といいます。
 以上が腐食反応の第1段階に相当するもので、これに引き続き、液中でイオン相互の結合により腐食生成物を生ずる後続反応が進行します。いま、中性溶液中で鉄が腐食する場合を考えると、腐食の全反応は(1)式と(2)式の和として得られ、次式のように水酸化第一鉄 Fe(OH)2 が鉄表面に析出します。

2 Fe + O2 + 2 H2O → 2 Fe2+ + 4 OH- → 2 Fe(OH)2

 水酸化第一鉄は水中の溶存酸素によって酸化され、次式のように水酸化第二鉄 Fe(OH) 3 となります。

2 Fe(OH)2 + 2 H2O + O2 → 2 Fe(OH)3

 引き続き、この化合物は水を失い、水和酸化物 FeOOH 又はFe2O3(赤さび)となります。
 もし、酸素が不足していると Fe2O3 までの酸化が進まず、Fe3O4・n H2O (黒さび)となります。
 鉄のさびは多孔質であるため、たとえ厚く生成しても腐食を抑制する効果が小さく、下地の鉄面では腐食が進行します。

腐食による経済的損失

 1995年に公表された米国のバテル研究所(Battelle Institute)の推計によれば、金属の腐食により米国が受けた経済的損失は、直接および間接コストをあわせると毎年約3,000億ドル(GNPの約4%)に達しているが、適切な防食対策を採っていればその損失の1/3は減らすことが出来たであろうと報告しています。また最近、日本においても直接コストだけで年間約4兆円の損失があったという調査結果が報告されています。

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電気防食(陰極防食)法とは

 電気防食法は電流の作用で金属の電位を変化させて腐食を防止する方法です。これを図2で説明しますと、鉄を中性溶液に浸した場合には鉄はA点の電位を示すので腐食が起こります。
 鉄の腐食を防止するには、次のような方法があります。

(1) 鉄の電位を矢印1のように不活性域まで卑方向(電位がマイナスになる方向)へ移動させる。これは陰極防食法の適用による。
(2) 鉄の電位を矢印2のように不動態域まで貴方向(電位がプラスになる方向)へ移動させる。これは、不動態化剤の使用や陽極防食法の適用による。

 (1)の陰極防食法と(2)の陽極防食法を併せて電気防食法といいますが、ほとんどの場合(1)の方法が用いられるので、一般に電気防食法といえば陰極防食法を指します。

図2 電位 ― pH図からみた鉄の防食法

電気防食方式の種類

流電陽極方式

 海水中や土中などの電解質中にある被防食体よりもアルミニウム、亜鉛、マグネシウムのようなイオン化傾向の大きい金属を接続し、両者間の電位差を利用して被防食体に防食電流を流す方式を流電陽極方式といいます。

外部電源方式

 直流電源装置と耐久性電極を用い、直流電源装置のプラス極を電解質中に設置した耐久性電極に接続し、マイナス極を被防食体に接続して防食電流を通電する方式を外部電源方式といいます。

選択排流方式

 直流電鉄軌条からの漏洩電流(迷走電流)により埋設配管が電食を受けている場所に、漏洩電流を軌条に戻すための選択排流器を設置し、軌条と埋設管を接続して電食を防止する方法を選択排流方式といいます。

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