1920年代に米国は初めて 亜鉛犠牲陽極 埋設石油パイプラインの腐食防止に亜鉛陽極が使用され、パイプライン工学における亜鉛陽極の大規模な応用が始まりました。1950年代には、亜鉛-アルミニウム-カドミウム陽極が亜鉛陽極の電流効率と溶解均一性を大幅に向上させ、パイプライン工学における主流製品となりました。
亜鉛犠牲陽極の利点
安定した潜在能力
亜鉛の開路電位は-1.05～-1.12V（CSE、硫酸銅参照電極）であり、亜鉛と鋼管の保護電位（-0.85V CSE）との間の駆動電圧は0.2～0.25Vで安定しています。滑らかな電流出力により、陰極剥離や水素脆化などのリスクを回避できます。特に高強度鋼管や水素エネルギーパイプラインに適しています。
高い環境適応性
亜鉛陽極は、海水、海泥、低抵抗土壌（<15 Ω·m）、汽水、産業廃水中で均一に溶解し、90%以上の長期安定した電流効率を維持します。一方、アルミニウム合金陽極は淡水や低塩素環境では不動態化を起こしやすく、マグネシウム陽極は高塩素環境では急速に溶解するため、寿命が著しく短くなります。
安全で環境に優しい
高純度亜鉛陽極の腐食生成物は無毒であり、米国NSF/ANSI 61などの飲料水基準を満たしています。これらは市営飲料水パイプラインに直接適用できます。しかし、クロムとカドミウムを含むマグネシウム合金陽極は、飲料水基準を満たすことができません。アルミニウム合金陽極の腐食生成物は、海洋生態系に影響を及ぼす可能性があります。
低コスト
亜鉛陽極は一度設置すれば、外部電源、日常監視、定期メンテナンスは不要で、設計寿命は15～30年です。ライフサイクル全体のメンテナンスコストは、印加電流方式の1/5～1/3に抑えられ、特に遠隔地、海上プラットフォーム、都市パイプライン網に適しています。
迷走電流干渉に対する強い耐性
亜鉛陽極は迷走電流排出層としても機能し、鉄道、高圧送電線、鉄道輸送によってパイプラインに発生する交流迷走電流を効果的に放電します。これにより交流腐食が抑制されるため、都市の配管網や鉄道パイプラインの保護材として最適です。
パイプライン用亜鉛犠牲陽極の種類
亜鉛犠牲陽極の種類と構造は、パイプラインの敷設環境、管径、媒体、設計寿命、腐食条件に厳密に適合する必要があります。パイプラインで一般的に使用される亜鉛犠牲陽極は、成形技術、構造形態、および適用シナリオに基づいて6つのカテゴリに分類できます。各カテゴリには、パイプラインの適合シナリオと標準仕様が明確に定義されています。
ブレスレット亜鉛陽極
ブレスレット型亜鉛陽極は、海底パイプライン、水中パイプライン、大口径横断パイプラインの主要特殊製品であり、海洋パイプライン工学において最も広く使用されている亜鉛陽極です。
ブレスレット型陽極は、半円状の分割型または一体型のリング構造を採用しています。内径はパイプラインの外径と正確に一致しています。内部の低炭素鋼製コアスケルトンは、ボルトクリップでパイプラインの外壁に固定されています。仕様はDN100からDN1500までのパイプ径に対応し、陽極単体の重量は5～500kgです。
パイプラインの外壁にぴったりと密着して設置され、100%の保護を提供します。鋼鉄製のコアスケルトンで補強されているため、波浪、海流、堆積物の影響に対して高い耐性があり、海底パイプライン、河川横断パイプライン、水中給水パイプラインに適しています。ブレスレット型亜鉛陽極は、ASTM F1182-07(2023)、NACE SP0492、DNV-RP-F103、およびGB/T 17731-2015規格に準拠する必要があります。
リボン亜鉛犠牲陽極
リボン型亜鉛犠牲陽極は、ASTM B418-16a、ISO 15589-1、およびGB/T 17731-2015規格に準拠する必要があります。押し出し成形された帯状陽極は、亜鉛純度が99.99%以上、電流効率が85%以上です。
リボン型亜鉛犠牲陽極は柔軟性が高く、曲げ、巻き付け、平置きが可能で、エルボ、T字管、レデューサーなどの不規則な配管構造にも適応します。長距離パイプラインを死角なく連続的に保護します。スリーブ内で配管の外壁に巻き付けることができます。
リボン状亜鉛陽極は、長距離の都市パイプライン、複雑な地形にあるパイプライン、および迷走電流干渉が発生する地域のパイプラインに最適な製品です。リボン状陽極の一般的な仕様は、幅10～100mm、厚さ0.5～5mmです。1ロールの長さは100～500mに達します。内部の銅芯導体により、継続的な導電性が確保されます。対応する断面積は、100mm²、200mm²、400mm²です。
プレパッケージ亜鉛陽極
プレパッケージ亜鉛陽極は、埋設パイプライン、ポンプ場、バルブ、その他のパイプラインの部分的な保護に主流の製品です。また、短距離パイプラインや分岐パイプラインにも最適な陽極です。
プレパッケージ型陽極は、棒状またはブロック状の亜鉛陽極本体、特殊充填材、防漏袋、およびリード線が一体となった構造です。棒状陽極の一般的な仕様は、直径30～100mm、長さ500～1500mmで、陽極1個あたりの重量は2～50kgです。ブロック状陽極の一般的な仕様は、100×100×500mm～200×200×1000mmで、陽極1個あたりの重量は10～100kgです。
特殊充填材の標準配合は、石膏粉末75%、工業用硫酸ナトリウム5%、ベントナイト20%です。その主な機能は、陽極と土壌間の接触抵抗を低減し、陽極の不活性化を抑制し、陽極の電流効率と寿命を向上させることです。
高純度亜鉛陽極は、亜鉛含有量が99.995%以上で、鉛、カドミウム、ヒ素などの有害重金属の含有量が厳密に管理されています。具体的には、鉛≤0.001%、カドミウム≤0.001%、ヒ素≤0.0005%であり、飲料水や海洋環境への有害元素の混入を防止します。製品形状は、棒状、帯状、ブロック状があり、パイプライン用途に合わせてカスタマイズ可能です。
NSF/ANSI 61-2024およびGB 5749-2022の飲料水衛生基準に準拠しており、飲料水と直接接触可能です。市営水道網、二次給水管、食品工場の送水管において、オプションとして選択可能な唯一の犠牲陽極タイプです。92%以上の安定した電位・電流効率を提供します。重金属汚染がなく、海洋保護区、サンゴ礁域、飲料水源など、生態学的に敏感な地域の水中および海底パイプラインに適しています。
* **高温亜鉛アノード:** 合金改質により、高温媒体 (40〜60℃) を扱うパイプラインや地熱パイプラインに適しており、高温での通常の亜鉛アノードの電位反転問題を解決します。
* **不規則形状亜鉛陽極:** パイプエルボ、T字継手、バルブ、フランジなどの不規則形状の構造に適しています。カスタマイズされ、取り付けられた陽極は、死角のない保護を提供します。
* **カドミウムフリーの環境に優しい亜鉛アノード:** カドミウムの代わりにアルミニウム、マグネシウム、希土類元素を追加することで、これらのアノードは EU RoHS 指令に準拠しており、厳しい環境要件のある輸出パイプライン プロジェクトやシナリオに適しています。
* **重り付き亜鉛陽極:** 海流の強い海域における海底着陸区間やパイプラインに適しています。カウンターウェイトが陽極のずれや外れを防ぎます。
犠牲陽極システムの設計
亜鉛犠牲陽極システムの設計はパイプラインの中核部品である。 陰極防食 エンジニアリング。保護効果と設計寿命を直接決定します。設計はISO 15589-1:2015、NACE SP0169-2021、GB/T 21448-2017規格に厳密に準拠する必要があります。
設計パラメータ
設計前に、パイプラインと環境パラメータの包括的な収集が必要です。主要なパラメータには以下が含まれます。
パイプライン パラメータ
パイプラインの材質、直径、壁の厚さ、長さ、コーティングの種類と故障率、設計圧力、設計寿命。
環境
土壌/水の抵抗率、pH 値、塩化物イオン含有量、温度、水分含有量、迷走電流の強度、微生物の活性。
保護基準
パイプラインの材質、周囲温度、媒体の種類に基づいて、保護電位範囲と保護電流密度を決定します。
電気的遮蔽
パイプラインの断熱ジョイントとフランジの位置、および他のパイプラインや構造物への電気接続。
現地では、ウェナー四電極法を用いて土壌抵抗率を測定した。試験規格はASTM G57-06(2022)に準拠した。配管被覆の損傷率は、新設管では0.01%～0.05%、供用開始から5年以上経過した管では0.1%～0.5%、老朽管では1%～2%と設定した。
電流密度
保護電流密度とは、配管表面の単位面積あたりに必要な保護電流を指します。これは設計の中核パラメータであり、配管の設置環境、コーティングの種類、および耐用年数に基づいて選定する必要があります。以下の表は、ISO 15589-1:2015およびGB/T 21448-2017のデータに基づき、様々な配管シナリオにおける推奨保護電流密度値を示しています。
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パイプラインの全保護電流の計算
パイプラインの全保護電流を計算する式は次のとおりです。
- 私 = S × i × K
- I: パイプラインの合計保護電流（mA）
- S：パイプラインの総露出表面積（m²）、S = π × D × L × fとして計算されます。
- D: パイプラインの外径（m）
- L: パイプラインの全長（m）
- f: コーティング損傷率;
- i: 保護電流密度（mA/m²）
- K: 設計エラー、コーティングの劣化、環境の変化を補正するために使用される、1.1 ～ 1.2 の範囲の安全マージン。
単一陽極の出力電流の計算
単一の亜鉛陽極の出力電流を計算する式は次のとおりです。
Ia = ΔE / Ra
どこ：
- Ia: 単一アノードの出力電流、単位: mA;
- ΔE: アノードとパイプライン間の駆動電圧、推奨値: 0.20~0.25 V;
- Ra：単一陽極の接地抵抗、単位：Ω。
陽極接地抵抗の計算には、陰極防食設計における古典的な公式であるドワイトの式が採用されています。様々な設置方法における計算式は以下のとおりです。
水平埋設棒陽極：
Ra = (ρ / (2πL)) × ln(4L / d)
垂直埋設棒陽極：
Ra = (ρ / (2πL)) × ln( (4L / d) × ( √(4L2 + 日2) + 2L ) / ( √(4L2 + 日2) – 2L ) )
リボンアノード:
Ra = (ρ / (2πL)) × ln(2L / W)
- ρ：環境抵抗率、単位：Ω·m
- L: 陽極の有効長さ、単位: m
- d: 陽極の等価直径、単位: m;
- W: リボンアノードの幅、単位: m。
複数の陽極を並列に接続する場合は、陽極間の遮蔽効果を考慮し、総接地抵抗の計算式は次のようになります。
R合計 =（R。a / N) × F
どこ：
- N: アノードの数;
- F: 遮蔽係数。陽極間隔が5mの場合、F=1.2、10mの場合、F=1.1、20mの場合、F=1.05。
陽極の総重量と寿命の計算
必要な陽極の総数の計算式は次のとおりです。
N = (I合計 /私a）×K
どこ：
- N: アノードの総数（切り上げ）
- K: マージン係数、推奨値: 1.1~1.2;
- 長距離パイプラインの場合、陽極の配置間隔は、単一陽極の保護半径に応じて決定されます。一般的に、陸上埋設パイプラインの陽極間隔は20～50m、海底パイプラインのブレスレット型陽極間隔は10～30mです。
総陽極重量と耐用年数の計算
陽極の設計寿命の計算式は次のとおりです。
T = (W × C × η × U) / (I合計 × 8760）
変換後、必要な陽極総重量の計算式は次のとおりです。
W = (T × I合計 × 8760) / (C × η × U)
どこ：
- T: 設計耐用年数、単位: a;
- W: アノードの総重量、単位: kg;
- C: 亜鉛アノードの理論的な静電容量、780 Ah/kg
- η：電流効率、推奨値：0.9
- U：アノード利用率、推奨値：0.8～0.85
- 8760: 1 年間の時間数。
総重量と単一のアノードの重量に基づいて、アノードの設計寿命がパイプラインの設計寿命と一致するようにアノードの仕様と数量を決定できます。
結論
亜鉛犠牲陽極は、パイプラインの陰極防食の中核材料として、1世紀以上にわたり世界中のパイプライン工学において大規模に使用されてきました。低抵抗環境、海洋環境、都市配管網、そして新エネルギーパイプラインにおける腐食防止のための最適な技術的ソリューションです。
参 考
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