管路の腐食

読み仮名

かんろのふしょく

英語表記

Pipeline corrosion

概要

管路の腐食とは、管を構成する金属が周囲の水や土壌などとの化学的・電気化学的な相互作用によって変化し、材料や機能が損なわれる現象である。金属管では、腐食による管厚の減少や穴あきが漏水につながり、内面の腐食生成物が水質や通水能力に影響する場合がある。

腐食の進み方は、管の材質だけでなく、水質、土壌、被覆の状態、構造物との接続などによって異なる。対策を考えるには、「どのような反応で腐食するか」「どのような形で損傷するか」「どのような環境が影響するか」を分けて理解することが重要である。

1．管路の腐食とは

1.1　鉄が溶ける反応と電子を受け取る反応

水や湿った土壌に接する鉄の腐食では、金属が電子を放出して溶けるアノード反応と、その電子を受け取るカソード反応が対応して進む。同じ一本の管の表面にも、アノードとなる部分とカソードとなる部分が形成される。

鉄の代表的なアノード反応は、次の式で表される。

Fe → Fe²⁺ + 2e⁻

Feは鉄、Fe²⁺は鉄イオン、e⁻は電子である。この反応が進む部分では、金属としての鉄が失われる。

酸素を含む中性・アルカリ性の水溶液では、代表的なカソード反応として、次の酸素還元反応がある。

O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

この式は、酸素と水が電子を受け取り、水酸化物イオンを生じる反応である。ただし、酸性環境や酸素が乏しい環境などでは別の反応が関与するため、すべての腐食をこの式だけで説明することはできない。

1.2　腐食電池が成立する条件

アノードとカソードの間では、金属中を電子が移動し、水や土壌中の水分などの電解質中をイオンが移動することで電荷が運ばれる。両者がつながり、反応と電荷移動が継続できる状態になると、腐食電池として働く。

電子の移動方向は、慣用的な電流の方向と逆である。自然腐食の典型的な模式図では、電子は金属内をアノードからカソードへ移動し、電解質中の腐食電流はアノードからカソードへ流れる。

腐食を駆動する電気化学的な条件の差があっても、腐食速度はそれだけでは決まらない。アノード・カソードの反応の進みやすさ、電解質の抵抗、酸素供給、表面皮膜などが関係する。

1.3　腐食を整理する三つの視点

腐食の発生機構、腐食の形態、環境条件は、異なる分類軸である。例えば、湿潤土壌中の被覆損傷部でマクロセル腐食が生じ、局部的な深い欠損になる場合、湿潤土壌は環境、マクロセルは機構、深い欠損は形態に対応する。

分類	主な内容
発生機構	自然腐食におけるミクロセル・マクロセルと、外部電流による電食
腐食の形態	全面腐食と局部腐食。孔食やすき間腐食は局部腐食の代表的な形態・現象である
環境・成立条件	水分、酸素、pH、塩化物、硫化物、微生物活動、被覆損傷、金属の導通など

微生物腐食は、微生物活動が腐食反応や局所環境に影響する現象を表す呼び方である。ミクロセル・マクロセルと排他的な分類ではなく、同じ腐食に複数の説明が当てはまる場合がある。

2．管路の内面腐食と外面腐食

内面腐食は、管内の水と接する側で生じる腐食である。pH、アルカリ度、溶存酸素、塩化物、水温、滞留・流動状態、内面塗装やライニングの状態などが影響する。

鉄系の管では、腐食生成物による赤水や堆積物の形成、通水断面の減少などが問題となる場合がある。ただし、水の色や鉄の検出だけで、その採水地点付近の管が腐食していると判断することはできず、上流からの移動も考慮する。

外面腐食は、土壌、地下水、大気、雨水などに接する側で生じる腐食である。埋設管では土壌の腐食性と被覆の健全性、露出管や支持部では塗膜の劣化、飛来塩分、水分の滞留などが重要となる。

上水道と工業用水道では、原水、処理方法、水質管理条件が異なる。工業用水を一律に強い腐食性とみなすことも、上水道水なら腐食しないと考えることも適切ではなく、実際の水質と管材・防食仕様を組み合わせて評価する。

3．主な腐食機構

3.1　ミクロセル腐食

ミクロセル腐食は、金属表面の比較的近接した部分でアノード反応とカソード反応が進む腐食である。金属組織、非金属介在物、表面状態、局所的な環境などの違いが、反応の不均一性に関係する。

反応位置が細かく分布・変化すると、広い範囲の減肉として現れる場合がある。一方、局所条件によって腐食が集中する場合もあり、「ミクロセルだから必ず全面腐食になる」とは限らない。

3.2　マクロセル腐食と酸素濃淡電池

マクロセル腐食は、アノード領域とカソード領域が空間的に分かれ、両者の電気的な結合によって腐食が進む機構である。ミクロセルとの区別は、損傷の見掛けの大きさだけでなく、反応領域の分離や腐食電池回路の構成に着目して行う。

酸素供給の異なる金属表面が電気的につながっていると、酸素濃淡電池が形成される場合がある。鉄では、酸素供給が乏しい側がアノードとなり、酸素供給が多い側でカソード反応が進むのが典型例である。

通気性の異なる土壌の境界、堆積物の下、水分が滞留する支持部などは、条件の不均一が生じやすい場所である。ただし、酸素が少ないだけで必ず腐食が激しくなるわけではなく、対になるカソードの状態、皮膜、pH、塩類、電流経路なども確認する必要がある。

3.3　コンクリート／土壌マクロセル腐食

鋼管がコンクリート構造物を貫通して土壌中へ延びる部分では、コンクリート中と土壌中の環境差によってマクロセルが形成される場合がある。健全なアルカリ性コンクリート中で不動態化した鋼材がカソード、土壌中の被覆損傷部がアノードとなるのが典型例である。不動態化とは、表面に保護性のある薄い皮膜ができ、金属の溶解が抑えられる状態である。

成立には、鋼材同士の電気的連続性と、湿潤土壌・コンクリート中の細孔水などを介する電解質側の経路が必要となる。鉄筋との接触がなくても、連続する鋼管のコンクリート中部分と土壌中部分との間で成立する場合がある。

管が鉄筋やアンカーボルトに導通していると、カソードとして働く範囲が広がり、小さな被覆損傷部に腐食が集中する場合がある。

コンクリートと土壌が接しているだけで、腐食の発生を断定することはできない。コンクリートの中性化や塩化物の影響、被覆の状態、管・支持金具・鉄筋の導通などによって、実際の反応位置や進み方は異なる。

対策では、貫通部と近傍埋設部の被覆を保護し、鉄筋・支持金具等との不要な導通を防ぐ。絶縁継手や電気防食を用いる場合には、構造・止水・接地の要求も踏まえて系統全体を設計し、完成後に絶縁や防食効果を確認する。

3.4　異種金属接触腐食

電位の異なる金属が電気的に接続され、電解質を介して腐食電池が形成されると、相対的に卑な側の金属の腐食が促進される場合がある。鋼管とステンレス鋼部材、管と弁・継手・支持金具などの組合せで確認が必要となる。

実際の電位は、材質名だけでなく、不動態皮膜や水質などによって変わる。また、小さなアノードと大きなカソードの組合せは、アノードの単位面積当たりの腐食を厳しくする場合がある。

異種金属が接触していても、電解質側の経路がなければ同じような腐食電池は成立しない。適合する絶縁継手・絶縁部材などを用い、ボルトや支持金具を介した迂回導通も含めて確認することが重要である。

3.5　外部電流による電食

電食は、直流電気鉄道や他の電気防食設備など、外部設備に由来する電流によって生じる腐食である。直流迷走電流が管に流入し、別の場所で土壌へ流出すると、その流出部で金属の溶解が進む。

自然腐食にも腐食電流は流れるが、それだけで電食と呼ぶわけではない。調査では管対地電位や地表面電位勾配、管路電流などを測定し、列車運行や周辺設備の稼働に伴う時間変動も確認する。

対策には、被覆・絶縁の改善、適切に設計した電気防食、排流設備などがある。排流や防食設備の変更は他の埋設物に影響する場合があるため、関係する設備管理者と協議し、施工前後の干渉を確認する。

また、交流の影響による腐食もあり、交流だから金属溶解が相殺されるとは限らない。交流の影響が疑われる被覆鋼管では、直流の電位測定だけで判断せず、交流電圧やプローブ等による電流密度の評価を含め、条件に応じた調査を行う。

4．腐食性土壌と局部腐食

4.1　腐食性土壌とは

腐食性土壌とは、金属管の外面腐食を促進しやすい性質を持つ土壌である。土質名だけで決まるものではなく、化学的・物理的・生物学的条件と、その場所に設置する管の材質・防食状態を考慮する。

海成粘土、泥炭地、湿地、埋立地、硫化物を含む土壌、地下水位の高い場所などでは、腐食性を調べる必要がある。例えば、硫化物を含む地盤では掘削・排水後の酸化に伴う酸性化にも注意するが、同じ土質名の場所がすべて同じ腐食性を示すわけではない。

地下水位の変動や、土質・含水状態が急変する場所では、腐食条件も変化する。一つの採取試料だけで管路全体を代表させず、管の埋設深さや構造物周辺を含めて調査位置を設定することが重要である。

4.2　土壌腐食性の評価

鋳鉄管のポリエチレンスリーブ適用の検討には、土壌比抵抗、pH、酸化還元電位、水分、硫化物を点数化して評価する方法がある。これは複数の条件から防食上の注意度を判断する方法であり、将来の腐食速度や使用可能年数を直接求めるものではない。

評価には、対象管種と採用する規格の年版・測定方法をそろえる必要がある。古い資料に掲載された配点や閾値を、現行規格の値として転記したり、鋼管やステンレス鋼管へそのまま当てはめたりしてはならない。

実際の判定では、適用する規格・製品仕様と、土壌調査・既設管の腐食履歴を照合して対策を選定する。

4.3　微生物腐食

微生物腐食は、微生物の活動が金属の腐食に影響する現象であり、MICと呼ばれる。微生物は、付着物の下の局所環境やpHを変えたり、腐食性の代謝物を生じたり、電子の授受に関与したりする場合がある。

硫酸塩還元菌は、酸素の乏しい環境で硫酸塩を利用し、硫化物を生じる微生物の一群である。一部には鉄からの電子授受に関与するものもあるが、微生物腐食のすべてを一つの菌群や機構で説明することはできない。

原因調査では、腐食形態、含水状態、酸化還元状態、硫化物、微生物の種類や活動などを組み合わせる。微生物が検出されたことや、黒色の生成物・硫化物が存在することだけでは、主原因を特定できない。

4.4　全面腐食・孔食・すき間腐食

全面腐食は、比較的広い範囲で腐食が進む状態であり、局部腐食は一部に損傷が集中する状態である。孔食やすき間腐食は局部腐食に含まれる代表的な形態・現象であり、四つを同じ階層の独立分類として扱わない。

腐食の形態	主な特徴
全面腐食	広い範囲で減肉が進む。場所によって腐食深さに差がないという意味ではない
局部腐食	一部に腐食が集中する。平均管厚が残っていても、深い欠損が問題となる
孔食	小さな範囲から深さ方向へ進む腐食。ステンレス鋼では不動態皮膜の局部的な破壊と関係する
すき間腐食	接触部等の狭いすき間で物質移動が制限され、内部の環境変化に伴って生じる局部腐食

すき間の内部では酸素が消費されやすく、外部との条件差が生じる。特にステンレス鋼では、金属イオンの加水分解に伴う酸性化や塩化物イオンの濃縮、不動態皮膜の保護性低下などが関係するため、単純な酸素濃淡電池だけでは説明できない。

炭素鋼の支持部などで生じる狭隘部の腐食と、不動態金属に特徴的なすき間腐食は、材料や反応条件を確かめて説明する必要がある。損傷が狭い場所にあるという外観だけから、同じ原因と判断しないことが重要である。

5．管種と防食対策

5.1　ダクタイル鋳鉄管

ダクタイル鋳鉄管は、黒鉛を球状化して強度や延性を高めた鉄系の管であり、腐食しない材料ではない。内面のモルタルライニングやエポキシ樹脂粉体塗装、外面の塗装・耐食皮膜などは、製品・用途・口径等によって異なる。

埋設管の外面防食には、ポリエチレンスリーブを用いる方法がある。スリーブは密着塗覆装とは異なる被覆であり、管と土壌の直接接触や周囲環境の不均一の影響を抑えるため、継手部を含め、破れや土砂の巻込みを防いで適切に装着する。

GX形の耐食皮膜を備えた製品でも、強酸性・強腐食性の土壌、コンクリート貫通部、異種金属との導通、他の電気防食設備付近などでは、追加防食の要否を確認する。強酸性の工場廃液による汚染などでは、スリーブの併用だけでは十分な効果が得られない場合もある。

管体だけでなく、切管部、接合部、ボルト・ナット、既設管との接続部も防食仕様を確認する。「耐震継手であること」と「当該環境で追加防食が不要であること」は別の性能として扱う。

5.2　鋼管

鋼管は溶接によって一体的な管路を構成できる一方、内外面の防食の健全性が重要となる。内面には用途に適合した塗装・ライニング、埋設外面には適合する塗覆装を選定し、現場溶接部や補修部も連続した防食性能を確保する。

コンクリート貫通部や水管橋橋台では、被覆損傷と鉄筋等への導通を確認する。電食やマクロセル腐食のおそれがある場合には、塗覆装、絶縁、電気防食などを組み合わせて検討し、施工後も測定できるようにする。

5.3　ステンレス鋼管と非金属管

ステンレス鋼は、表面の不動態皮膜によって耐食性を得る材料である。ただし、塩化物、温度、酸化性、滞留、すき間の形状、鋼種などの条件によって、孔食やすき間腐食が生じる場合がある。

鋼管や鋳鉄管などと電気的に接続される場合には、相手側の金属の腐食にも注意する。材質を変更するだけで解決すると考えず、継手・支持部の構造と使用環境に適合する材料・絶縁方法を選定する。

樹脂管自体は、金属と同じ電気化学的腐食を受けない。一方、金属製の継手・弁・補強部材等の腐食や、樹脂のクリープ、薬品・温度・紫外線等による劣化は別に評価する必要がある。

5.4　防食方法の組合せと施工管理

防食では、腐食環境との接触を抑えること、腐食電池の不要な経路を断つこと、管を防食状態に保つことを、現場条件に合わせて組み合わせる。工場製作時の仕様だけでなく、運搬、吊上げ、接合、埋戻し、支持部施工を通じて性能を維持することが重要となる。

電気防食のうち、管路で一般に用いるカソード防食は、管をカソード側にして金属溶解を抑える方法である。流電陽極方式では、管より卑な金属を陽極として接続し、陽極が消耗することで防食電流を供給する。

外部電源方式では、直流電源の正側を補助陽極、負側を防食する管に接続する。慣用的な防食電流は、陽極から電解質を介して管へ流入し、電子は金属側の回路を通って供給される。

必要な電流と電位は、土壌、被覆、電気的連続性、防食対象範囲などから設計する。絶縁継手やスリーブ、被覆の配置との整合を取り、過防食、電流の遮蔽、周辺設備との干渉などにも配慮する。

6．腐食調査と維持管理

6.1　調査で分かることと限界

調査では、管路図、材質・防食仕様、施工記録、漏水履歴、周辺設備の情報を整理し、損傷の位置と環境条件を対応付ける。単一の分析値や外観から原因を決めず、複数の仮説を測定結果で絞り込むことが基本である。

調査方法	確認事項と注意点
外観・位置記録	腐食範囲、被覆の損傷、湿潤・堆積状態を把握する。見えない面の健全性や原因までは確定できない
管厚・腐食深さ測定	測定部の残存管厚や欠損の分布を確認する。点測定では深い局部腐食を見逃す場合がある
土壌・地下水調査	比抵抗、pH、含水状態、塩類等を確認する。採取位置・時期以外の条件も同じとは限らない
電位測定	管対地電位の分布・時間変動や防食状態を調べる。照合電極、設置位置、電圧降下等の影響を考慮する
電気的導通確認	管・鉄筋・支持金具等の電気的な接続を調べる。導通の存在だけでは腐食電流の発生を実証できない
電流測定	流れの方向や時間変動、干渉の手掛かりを得る。測定回路の変更や測定範囲に注意する
腐食生成物分析	元素や化合物の情報を得る。検出成分だけで主原因や供給源を断定できない
微生物調査	微生物の存在や活動の手掛かりを得る。検出だけでは腐食への寄与を証明できない

電位の数値を比較するときは、照合電極の種類と測定条件をそろえる。通電中の測定値だけでは電解質中の電圧降下の影響を含むため、電気防食の評価では目的に適した測定方法を選ぶ。

6.2　支持部・貫通部から得られる知見

水管橋のリングサポートなどでは、塗膜の損傷、水分や塩分の滞留、狭隘部の物質移動の制限が重なることがある。埋設管とは環境が異なるが、被覆の弱点、湿潤の集中、導通経路を確認する考え方は共通する。

支持金具からアンカーボルト・鉄筋への接続が推定されても、実測せずにマクロセルの成立を断定してはならない。導通確認に加え、電位・電流、電解質側の経路、腐食位置との対応を調べる必要がある。

腐食生成物から塩素が検出されても、それだけでは塩化物が主原因だったことや、その供給源までは決まらない。非金属介在物の影響を疑う場合も、材料組織の観察や周辺の損傷との比較が必要であり、一般的な可能性と実証された原因を区別する。

6.3　補修・更新と継続的な管理

管の評価では平均管厚だけでなく、最も深い欠損、欠損の長さ・周方向の広がり、支持部や継手への影響を確認する。残存耐力は、内圧・水撃圧、土圧・車両荷重、曲げ、支持条件、材質などを組み合わせて評価する。

鋳鉄管では、外形が残っていても黒鉛化腐食等によって健全な金属断面が減少している場合がある。さびや劣化層を含む見掛けの厚さを、そのまま耐力を負担する管厚として扱わないことが重要である。

損傷と供給上の重要度に応じて、補修、再防食、部分取替え、更新、監視強化などを選定する。構造上の欠損がある管では、防食を施して腐食を抑えても、失われた断面や耐力が回復するわけではない。

また、腐食深さを使用年数で割った値を、そのまま将来の進行速度とみなすことは適切ではない。環境変化や局部腐食の進展を踏まえ、調査結果、補修内容、防食電位・電流、陽極の消耗などを記録し、次回点検と更新計画に反映させる。

関連用語

参考資料

• 日本水道協会『水道施設設計指針（2024年版）』第7編、7.5.11「金属管の外面腐食防止」、書籍479〜482頁。
• 日本ダクタイル鉄管協会『ダクタイル鉄管の腐食と防食』JDPA T11、2020年公開PDF。
• 日本ダクタイル鉄管協会「GX形でのポリエチレンスリーブの使い分けについて教えてください。」Q6-9。
• 日本水道鋼管協会「C/Sマクロセル腐食とはどのような腐食ですか？」
• 日本水道鋼管協会「電気防食とはどのようなものですか？」
• 海洋研究開発機構「微生物による金属腐食のブラックボックスを開ける」、2022年。
• 東北大学「ステンレス鋼のすきま腐食を蛍光イメージング法により可視化」、2016年。
• 北川尚男・原賀健一「埋設被覆鋼管の塗覆装損傷部に流れる交流電流密度およびカソード電流密度の推定」『材料と環境』63巻7号、438〜442頁、2014年。抄録を参照。