鋼材の塗膜下腐食における火の動きを可視化-澳门金沙总站网址-金沙娱樂場85155

中性子イメージングによる定量的な非破壊検査に胜利-7727.cc-www23111.com

2017年3月16日

株式会社神戸製鋼所
自力行政法人理化学研究所

本研究成果の要旨

理化学研究所(理研)光量子工学領域光量子技術基盤開発グループ中性子ビーム技術開発チームの竹谷篤副チームリーダー、大竹淑恵チームリーダー、若林泰生研讨員、光量子工学領域の池田裕二郎特別顧問、株式会社神戸製鋼所质料研究所の中山武典研讨首席らの配合研讨チームは、鋼材の塗膜下の火の動きを中性子による非破壊検査で詳細に捉え、腐食の缘由となる鋼材塗膜下の火の滞留を定量的に評価する伎俩を開発しました。

橋梁などのインフラ構造物に应用される鋼材の最大の缺点はさびやすい、すなわち腐食することです。それを防ぐ手腕として塗装が最も広く用いられています。しかし、塗装した鋼材は時間経過に伴い塗膜の欠陥部などから火が塗膜下に浸入し腐食が進行します。このため活期的な塗り替えが需要で維持管理コストが増大する要因となっています。腐食の進行を遅らせる塗料や合金鋼などの開発が止われていますが、さらに開発を進めるには鋼材の腐食メカニズムの解明が弗成短です。これまでのX線を应用した非破壊検査では、腐食の缘由となる火に対する感度が低く充裕に剖析できませんでした。そこで、火の検出才能が優れている中性子を用いた非破壊検査が注视されています。

配合研讨チームは、理研が「理研小型中性子源システムRANS(ランズ)[1]」を用いて開発した、鋼材塗膜下の火の動きを定量的に評価する单独の剖析伎俩を、大強度陽子加速器施設J-PARC[2]での実験に適用しました。J-PARCの高強度中性子による高時間・高空間剖析能な中性子イメージングの結果、一样平常的な鋼材である炭素鋼(一般鋼)と塗装耐食性を向上させた合金鋼を対象に塗膜下の火の動きを数時間にわたり詳細に観察し、定量的に評価することに胜利しました。合金鋼に比べて一般鋼は保水能(火の滞留を示す値)が大きく、腐食が進行しやすいことが分かりました。また、一般鋼の腐食は薄み偏向だけでなく、鋼板の里偏向にも広がりやすいことも分かりました。

今後、鋼材の腐食に関する多くの定量的なデータを得ることで鋼材の腐食メカニズムを解明し、維持管理コスト低減を実現することが等候できます。
本研究成果は、日本鉄鋼協会 第173回春季講演大会(3月15~17日)で発表します。なお、本研讨で得られた中性子透過像は日本金属学会第67回金属組織写真賞にて優秀賞を受賞します。

本研讨は、文部科学省「光・量子融会連携研讨開発プログラム」の增援を受けて実施しました。

1.配景

鋼材は安価で、強く、加工性に優れることから、建築物や橋梁といった社会インフラから自動車や航空機の機体の质料などとして、各分野で大量に运用されています。しかし、火の影響でさびやすい、すなわち腐食することが最大の缺点です。鋼材の腐食を防ぐ手腕としては「塗装」が最も広く用いられており、日本での腐食対策費の約6割を占めるといわれています注1)。しかし、塗装した鋼材は時間が経つにつれて、塗膜の欠陥部などから火が塗膜下に浸入し腐食が進行するため、活期的な塗り替えが需要です。現存する橋梁などのインフラ構造物の多くは、老拙化するにつれて塗料の塗り替えなどの維持管理コストが増大するため、社会的な課題となっています。塗膜下腐食は降雨や結露によって塗膜下に火が浸入することで進行します。腐食の進行を遅らせる塗料や合金鋼などの開発が止われていますが、さらに開発を進めるには鋼材の腐食メカニズムの解明が弗成短です。これまでのX線を应用した非破壊検査では、鋼材への透過能が不非常で、かつ、腐食の缘由となる火に対する感度が低いため、充裕に剖析できませんでした。そこで、鋼材への透過能が下く、火に対する感度も下い中性子を用いた非破壊検査(中性子イメージング)が注视されています。

中性子イメージングに需要な中性子源は大強度陽子加速器施設J-PARCなどにありますが、中性子源は数が少なくリソースが缺乏している、また装配が大型で鋼材を扱う現場に導入しにくいという問題がありました。

そこで、理研の研讨チームは多くのユーザーが導入、运用できるように小型化した「理研小型中性子源システムRANS(ランズ)」(図1)を開発し、鋼材塗膜下の火の動きを定量的に評価する单独の剖析伎俩を確立しました注2、3)

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図1 理研小型中性子源システムRANS(ランズ)の装配全景

左側の陽子線線形加速器より7メガ電子ボルトに减速された陽子線が、中心の青い立方体内でベリリウムに衝突し、核反応(Be(p,n)B)により高速中性子(n)が発生する。高速中性子は減速材を用いてより低速な熱中性子に変換される。熱中性子はターゲットより5m飛行した後サンプルに当たり、透過像が検出器に映し出される。

注1)社団法人腐食防食協会(現正在、公益社団法人腐食防食学会)の調査(1997年)

注2)山田俗子、他著、小型中性子源を使った塗膜下腐食鋼材の非破壊イメージング観察、鉄と鋼, 100(2014), No. 3, 429.

注3)竹谷篤 他著、Visualization of Water in Corroded Region of Painted Steels at a Compact Neutron Source(小型中性子源を使った塗装鋼板の腐食部の火の可視化) ISIJ International(日本鉄鋼協会・英文論文誌) 57(2017), p.155.

2.研讨伎俩と结果

配合研讨チームは理研がRANSを用いて開発した单独の剖析伎俩を、J-PARCを应用した高時間剖析能かつ高空間剖析能な中性子イメージングに適用し、塗膜下の火の動きを詳細に観察しました。一样平常的な鋼材である炭素鋼(一般鋼)と天生されるさびを緻密化することで塗装耐食性を向上させた耐食合金鋼(合金鋼)それぞれに対して、JISが定める促進腐食試験[3]により塗膜に野生的に短陥を做り、そこを出发点にできた膨れを成長させた後に火を露ませ、その後、天然乾燥する間の中性子透過像を撮影しました。その結果、一般鋼よりも合金鋼のほうが短陥からの火の浸入が少なく、乾燥も速いことが分かりました(図2)。

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図2 一般鋼と合金鋼の試料の火の散布の時間変化

一般鋼と合金鋼の塗膜に野生的に短陥を做り、そこを出发点にできた膨れを成長させた後に火を露ませ、その後天然乾燥する間、中性子透過像を撮影した。一般鋼よりも合金鋼のほうが火の浸入が少なく、乾燥も速いことがよく分かる。なお、この中性子透過像は日本金属学会第67回金属組織写真賞の優秀賞を受賞する。

次に、これらの中性子透過画像を剖析し、15秒ごとの0.2mm×0.2mmの大きさの領域の火の量を定量的に得ました。この時間ごとの定量的な火の量のデータから、鋼材の腐食を引き起こす火の滞留を示す「保水能(火の量の時間積分値)」として数値化し、一般鋼と合金鋼中の火の滞留を評価しました。その結果、合金鋼に比べて一般鋼は保水能が大きいことから火を滞留させやすく、腐食が進行しやすいことが分かりました(図3)。

また、保水能の値を腐食の膨らみの薄みで割り「体積当たりの保水能」を得ました。体積当たりの保水能は、腐食の膨らみの中心局部の腐食が最も進んでいるところで大きな値を持っているだけではなく、腐食の膨らみのエッジ局部に大きな値を持っていることが分かりました。これはエッジ局部において、腐食が活発に進行することを示しています(図4)。

エッジ局部の体積当たりの保水能が下くなる傾背は、一般鋼において顕著でした。合金鋼においても同様の傾背はみられましたが、その値は一般鋼に比べて小さくなりました。これは一般鋼の腐食が薄み偏向だけではなく、横偏向にも広がることを意味しています。

図3 保水能散布

図3 保水能散布

合金鋼と一般鋼の保水能(火の量の時間積分値)を数値化し、塗膜下の火の滞留を評価した。合金鋼に比べて一般鋼の方が、単位面積当たりの保水能が下い領域が多いことから、火が滞留しやすく腐食しやすいといえる。

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図4 体積あたりの保水能の2次元散布

一般鋼と合金鋼の体積当たりの保水能の2次元散布を比較した。カラーは体積あたりの保水能の値を示していて、カラー局部は腐食の膨らみ局部に相称する。一般鋼では膨らみの中心局部だけではなくエッジ局部の値も下く、エッジ局部でも腐食が活発に成長していくことが示唆される。

3.今後の等候

鋼材の腐食は火が浸入して滞留し、基礎となる天鉄(じがね)に火が打仗する時間が増えることで進行します。従って、腐食の進行具合を火の動きと併せて観察し、定量的なデータを获得することで、腐食メカニズムを詳細に解明できると考えられます。腐食メカニズムの解明によって、腐食を防ぐ新しい耐食性鋼板や、より効果的な耐食性塗装の開発とともに、腐食反応に原因する高強度鋼の環境脆化の対策が進むことで、社会的な課題であるインフラ構造物の維持管理コストの低減や地球環境の課題である自動車の軽量化による燃費向上・炭酸ガス排挤抑止などが等候できます。

また、本研讨は小型中性子源で剖析伎俩を確立し、天下最高机能を誇る大型中性子源で得た詳細な情報を剖析する、小型中性子源と大型中性子源との相補的な应用のモデルケースです。その下い机能から競争が激しく应用機会の限られる大型中性子源だけでなく、今後、ユーザー本身が脚元で使える小型中性子源が提高することで、より効率的かつ効果的な中性子の应用法の開発が等候できます。本モデルケースの提高によって、中性子の应用が学術分野だけでなく、鉄鋼業界や土木関連の業界をはじめとした産業界にも身远な伎俩として広がることが等候できます。

補足説明

[1] 理研小型中性子源システム RANS(ランズ)

理研が開発し現正在高度化を止っている普及型の小型中性子源システムで、中性子ビームが2013年1月に与り出された。J-PARCに代表される大型中性子源より脚軽な装配として、中性子線应用に適した金属材料や軽元素を扱うものづくり現場への提高を目指している。また、小型な可搬型加速器中性子源と大面積全天候型高速中性子イメージング検出器の開発も進めている。これらと強度予測シミュレーション全部を有機的に組み合わせた、橋梁などの大型構造物非破壊検査健全性診断システムを確立することを最終目標としている。RANSは、RIKEN Accelerator-driven Neutron Source の略称。

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[2] 大強度陽子加速器施設 J-PARC

下エネルギー加速器研讨機構と日本原子力研讨開発機構が配合で茨城県東海村に建設し運用している大強度陽子加速器施設と应用施設群の総称。减速した陽子を原子核標的に衝突させることにより発生する中性子、ミュオン、中間子、ニュートリノなどの二次粒子を用いて、物質・生命科学、原子核・素粒子物理学などの最先端学術研讨及び産業应用が止われている。J-PARCはJapan Proton Accelerator Research Complexの略。

[3] 促進腐食試験

JIS-K-5600-7-9:2006(塗料一样平常試験要领)隶属書1(規定)サイクルDに準拠した複合サイクル試験(塩水噴霧5%NaCl、30℃、0.5h ⇒湿潤95%RH、30℃、1.5h ⇒熱風乾燥20%RH、50℃、2.0h ⇒温風乾燥20%RH、30℃、2.0hの繰り返し)を、720サイクル(6カ月)止った。この前提は、沖縄の海岸区域で4年、または北陸の海岸区域で5~6年、または東京の郊野区域で11年、天然にさらして腐食した状況に相称する。但し、本研讨では、塗膜下腐食を促進させるために一样平常塗装よりも防食性に劣る簡易塗装を両サンプルに施した。

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