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第 39 屆海洋工程研討會論文集 弘光科技大學 2017 年 11 月
Proceedings of the 39th Ocean Engineering Conference in Taiwan Hungkuang University, November 2017
【 臺灣商港水下金屬材料腐蝕調查研究】
【 臺灣商港水下金屬材料腐蝕調查研究】
羅建明* 柯正龍 羅冠顯 李政達 衛紀淮
交通部港灣研究中心
摘要
摘要
為建立臺灣地區長期金屬材料水下腐蝕資料庫，擬安裝水下金屬曝露試驗架於基隆港、蘇澳港、花蓮港、臺中港、布袋港、安平港、高雄港、馬祖福澳港、澎湖龍門港、金門水頭及料羅等國內商港，藉此了解在不同商港、碼頭、海水水質、海生物等對金屬材料腐蝕特性之長期研究，作為新建及既有結構物耐久性與防蝕設計及維護管理之參考需要。
一、研究目的
台灣為四面環海，沿海除了有海港碼頭、防波堤等港工設施外，鑽油平台、跨海大橋等皆處於海洋環境中。而一遇颱風來襲則造成重大損失，如遇颱風過境，造成各港口，多處港工設施之破壞、沈陷等重大損害。顯示出相當部分的港工設施，已面臨或提早到達設計之年限，究其原因，各港工結構面臨險惡之海洋環境而被腐蝕、侵襲，造成材料之彈性疲乏，強度損失，以致使用年限大為縮短應為重要因素之一。
港工結構所使用的材料，除了石料之外、主要為鋼構材料及混凝土或鋼筋混凝土材料為主。其中鋼構材料如鋼版樁、鋼管樁及配合使用之拉縴鋼纜等各型鋼料，材質均有不同，其腐蝕之現象，由於在不同海域環境、季節、深度會產生不同腐蝕速率。根據本所過去所做相關研究報告中如表1，在台灣各大港口中，使用鋼構材料的碼頭大多為鋼版樁式，發現其鋼版樁有嚴重破損、穿孔之腐蝕現象，以致部分碼頭壁後砂石掏空，岸肩沈陷，嚴重影碼頭之結構安全。隨著時空、氣候變遷，為達到結構物耐久性與防蝕設計須求，若仍引用過時且不完整之調查數據，對結構物之耐久性與腐蝕速率的估算恐會產生過與不及的虞慮；且臺灣近 10 年來並無任何單位進行完整性全島區域之水下腐蝕因子之調查與研究，因此延續相關研究，進行水下環境腐蝕因子及金屬材料水下長期曝放試驗如圖 1 與腐蝕資料庫建置計畫，作為新建與既有結構物耐久性、防蝕設計及維護管理之參考。
二、文獻回顧
二、文獻回顧
自 1986 年第 3 屆全國科技會議之決議，將腐蝕防蝕工程技術之研究列為國家重點科技，並整體規劃國內相關技術研究能力，以達到更有效處理國內所遭遇到之問題，因此本所港灣研究中心與工業技術研究院工材所，中鋼公司及中華民國防蝕工程學會等單位，自 1986 年 7 月至 1991 年 6 月共同合作研究台灣海域腐蝕特性防蝕設計材料選用及開發特性[1]，各發揮所長共同尋求有效發展防蝕材料與方法。
在海洋結構物與鋼筋混凝土材料於各海域腐蝕特性研究，陰極防蝕工程開發設計、防蝕塗料材料、表面被覆構件之腐蝕偵測技術及各種金屬如碳鋼、不銹鋼、鋁合金等水下腐蝕速率比較，並邀請相關國內外學者專家來講述防蝕技術及推廣教育工作並協調各施工單位，擬定長期合作計畫。另外自 1986年 7 月至 1991 年 6 月，針對港灣 R.C 結構物之耐久性[2-3]提供良好之設計與施工規範，提出港灣鋼筋混凝土結構物耐久性研究計劃，並對各港之 RC 結構物之腐蝕特性作一通盤性之了解，並提供防蝕良策以爲進行維修工作之參考，作爲日後建港之參考。於1988 年展開澎湖跨海大橋腐蝕問題研究調查[4]，剖析跨海大橋腐蝕原因，建立腐蝕調查及研究之邏輯，以澎湖跨海大橋中間段在改建路堤工程未完工前，原橋樑應作修補工作之建議並提供新建工程防蝕對策。提供國內交通橋樑及主要公共措施定期腐蝕調查與安全評估偵測之參考。
從早期的調查研究發現，各港口鋼板樁碼頭腐蝕況狀差異極大，因此於 1989 年 7 月至 1994 年 6 月進行港灣鋼結構物耐久性研究[5-8]，了解港灣鋼結構物能在設計使用年限內安全發揮功能，建立定期檢查制度及優先考慮裝設適當之防蝕措施。通盤了解及建立現有各港口鋼結構物耐久性之完整資料，以利日後新建鋼結構或維修現有鋼結構物之規範。但由於海洋結構物修理較為困難，修理後常感效果不彰，經常需要再作重覆之修理，浪費人力、物力，於 1992 年 7 月至 1993年 6 月進行港灣鋼筋混凝土結構物修理系統評估研究[9]，各大港口鋼筋混凝土結構物之現況作一調查，並對其修理方法作一通盤暸解並檢討優劣點。在 1995 年 6 月至 1996 年 7 月港灣構造物腐蝕機理與維修防制之研究[10]為延續港灣鋼結構物之耐久性研究進行高雄港與基隆港之鋼板(管)樁腐蝕調查，探討水文及污損生物對陰極保護、防污塗料、混凝土、不銹鋼、裸鋼等材料腐蝕之影響。
1996 年6 月至 2001 年 7 月現有結構物安全評估及維護研究[11-17]，調查基隆港、蘇澳港、高雄港區內港工結構材料之海生物附著種類，並檢討其對港灣常用材料如碳鋼及混凝土等之腐蝕及海生物附著影響以及探討添加飛灰之混凝土與安裝犧牲陽極材料對於防制海生物附著或材料腐蝕之效果。計畫中建立 R.C. 結構物劣化非破壞性檢測技術、電化學維修技術工法、港區內水文與海生物附著對結構體(鋼構物)腐蝕之相互關係，並制定完成港灣結構物陰極防蝕準則草案之訂定(R.C.結構物部份)，建立完善之維護制度，提供各港務局使用。2001 年 1 月至 2001 年 12 月碼頭鋼板樁現況調查與腐蝕防治研究[18]，進行基隆、花蓮、台中、高雄、蘇澳等五大港口之碼頭鋼板（管）樁調查，藉由對碼頭鋼板（管）樁腐蝕現況之長期監測，得以提供相關之本土資訊，作為設計及維護參考，並整理歸納影響鋼板（管）樁腐蝕之因子探討適用於本島碼頭鋼板（管）樁腐蝕防治方法。
三、研究方法
3.1 各港區海水下金屬曝露試驗水下長期曝放試驗研究規畫如圖 2，試片架設計屬性與安裝期程如表 2，詳述如下：
1.材質型式: 試片採用港工結構材使用之試
片，分三種型式為碳鋼(SM490A)、不繡鋼(SS316L)、低合金鋼(SS400) 。
2.試片之大小:為適合海中附生物之附著。軋鋼材質料試片大小為 15cm×10cm，厚度則分別為碳鋼(SM490A)1.0cm、不繡鋼(SS316L)1.0cm、低合金鋼(SS400)1.0cm。
3.試片架設計: 為配合當地港工結構之條件，設計須考慮穩定性、試片置放及取樣難易程度等每一試片皆有兩只通孔，使用不鏽鋼螺栓及螺帽，固定於承載試片主架上，螺栓與螺帽使用絕緣材質墊片，以防止電化學腐蝕效應。
4.試片架的曝露位置: 安放於各港區碼頭岸壁分別於大氣帶、潮汐帶、水中帶 3 個位置，每層架置 45 個試片，共 135 片如圖 3 所示，以膨脹螺絲接合施作於混凝土牆面固定。
5.現場施放地點及試片架安裝:試片架之安裝經於各港區實地勘察，經協調各港務公司選定港區船隻進出較不妨礙之碼頭為安裝地點，試片架現場安裝時配合潛水人員施工完成，現場安裝如圖 4 所示(以基隆港為例)。
6.試驗期程: 依實際需求規劃或 10 年期。
7.取樣頻率: 第 1、2、5、8、10 年期等。
3.2 試片腐蝕速率分析方法
3.2.1 試片定期採樣之處理分析方法:
依規劃時間至安裝現場請潛水人員將試片取出，將樣品收集分類及拍照後，帶回實驗室作進一步海生物清除與腐蝕清洗分析。
3.2.2 試片腐蝕分析步驟:
採樣後試片於實驗室中進行腐蝕分析作業流程如圖 4，先將將附著海生物刮去處理後，依據 NACE Standard TM-01-69 方法，以濃鹽酸＋40 g/l SnCl2 溶液，在室溫下浸泡試片，達到除銹效果，並稱重以量測其平均腐蝕速率（重量損失法）。將試驗點曝放後取回之試片進行腐蝕速率量測。為確保除去腐蝕生成物的化學清洗方法不會損壞底材金屬，先使用腐蝕試片進行重複清洗，以制定檢量線（俟重複清洗後之試片淨重達到一穩定值）。
3.3 腐蝕速率計算
板狀試片的腐蝕速率(Rcorr)單位以μm/yr 表示，計算公式如下：
Rcorr = (Δm / A ρ t)………… (3.1)式中，Δm=質量損失(g)
A=試片曝露面積(m2 )
t=曝露時間，年(year)
ρ=金屬材料之密度 (g/cm3)
3.4水質調查與分析
於各港區碼頭每季進行海水成分中導電度、溶氧量、酸鹼度、溫度、氯鹽、硫酸鹽之水質環境因子等項目現場調查與試驗分析工作。
四、初步研究結果
4.1水下金屬腐蝕速率分析與討論
早期研究報告指出，金屬在海水中的腐蝕行為會因海水中的 pH 值、氯離子濃度、溫度、溶氧量、水流速度、海生物附著、菌類活動、以及污染程度等參數的影響而產生不同的腐蝕現象。為推估港區內碳鋼腐蝕速率與水深變化的關係，今將臺中港暴露一年期，不同形式碳鋼(SM490A)、不繡鋼(SS316L)、低合金鋼(SS400) 三種金屬中於不同位置(大氣帶、潮汐帶與水中帶)採樣試片的腐蝕速率平均，以此平均值代表金屬材料在該碼頭不同位置的腐蝕速率。
臺中港 1 年後金屬試驗結果，由圖 5 分析結果與圖 6佈 放 位 置 比 較 試 片 平 均 腐 蝕 速 率，可 發 現 在 大氣 帶 平 均 腐 蝕 速 率 依 序 為 碳 鋼(SM490A)1173.65(µm/yr)， 低 合 金 鋼(SS400)1004.62(µm/yr)， 不 繡 鋼 1.0(µm/yr) 。潮 汐 帶 依 序 為 碳 鋼(SM490A)1049.21(µm/yr)，低 合 金 鋼(SS400)780.09(µm/yr)， 不 繡 鋼(SS316L)0(µm/yr) 。 水 中 帶依 序 為 碳 鋼(SM490A)440.53(µm/yr)， 低 合 金 鋼(SS400)395.18(µm/yr)， 不 繡 鋼(SS316L)18.47(µm/yr) 。
由上 述 可 得 臺 中 港 水下 金 屬 佈 放 1 年 後 在 大 氣 帶、潮 汐 帶 與 水 中 帶－685－不 同 位 置 下 皆 以 不 繡 鋼(SS316L)腐 蝕 速 率 較低 。
4.2 海水水質分析
為了解金屬材料於海水中之變化，於每季三個水深(0m、3m、6m)進行全島商港海水水質取樣，利用水質檢測儀器測定鹽度、水溫、pH 值、溶氧量、導電度等，並使用離子分析儀分析海水中 Cl-及 SO4-2含量，105 第二季海水 3M為例表示。在 105 年第一季臺灣各港 0M 海水水質分析，鹽度 25.8~39.4，導電度 32.8~50.8 (ms/cm)，溫度 15.0~27.2(℃)，溶氧量 6.98~10.76(mg/l)，PH 值7.01~7.75，氯離子 15232~20349(mg/L)，硫酸根離子1730~2439(mg/L)。3M 海水水質分析如圖所示，鹽度 21.7~31.9， 導 電 度 32.5~50.8 (ms/cm)， 溫度15.6~27.2(℃)， 溶氧量 7.19~11.42(mg/l)，PH 值6.73~7.75，氯離子 13496~20181(mg/L)，硫酸根離子1527~2337(mg/L)。各港 6M 海水水質分析，鹽度25.8~32.0 ， 導電度 32.8~50.6 (ms/cm) ， 溫 度14.8~27.1(℃)， 溶 氧 量 7.66~10.85(mg/l)，PH 值7.54~7.84，氯離子 15771~20251(mg/L)，硫酸根離子1828~2308(mg/L)。105 年第二季各港 0M 海水水質分析如圖 6 所示，鹽度 23.6~31.6，導電度 37.7~53.4 (ms/cm) ， 溫 度 25.4~33.3( ℃ ) ， 溶 氧 量3.85~8.49(mg/l) ， PH 值 7.27~8.35 ， 氯 離 子12814~20821(mg/L)，硫酸根離子 1553~3195(mg/L)。各港 3M 海水水質分析如圖所示，鹽度 27.5~31.7，導電度 43.3~53.6 (ms/cm)，溫度 25.3~31.9(℃)，溶氧量 4.34~8.55(mg/l) ， PH 值 7.46~8.38 ， 氯離子12820~18725(mg/L)，硫酸根離子 1518~2393(mg/L)。各港 6M 海水水質分析如圖所示，鹽度 28.6~31.9，導電度 44.5~53.1 (ms/cm)，溫度 25.5~31.4℃)，溶氧量 4.49~8.18(mg/l) ， PH 值 7.46~8.31 ， 氯 離 子13802~19307(mg/L)，硫酸根離子 1850~4296(mg/L)。105 年第三季各港 0M 海水水質分析如圖所示，鹽度24.8~31.9 ， 導 電 度 25.4~52.4 (ms/cm) ， 溫 度23.2~30.6( ℃ ) ， 溶 氧 量 3.22~7.95(mg/l) ， PH 值7.52~8.24，氯離子 12562~16779(mg/L)，硫酸根離子1550~2013(mg/L)。各港 3M 海水水質分析如圖所示，鹽度 26.1~32.1，導電度 31.6~52.3 (ms/cm)，溫度 22.7~29.5(℃)，溶氧量 4.14~7.56(mg/l)，PH 值7.43~8.24，氯離子 13296~16906(mg/L)，硫酸根離子1642~2034(mg/L)。各港 6M 海水水質分析如圖所示，鹽度 28.2~32.0，導電度 41.5~52.3 (ms/cm)，溫度 22.7~29.5(℃)，溶氧量 4.81~7.50(mg/l)，PH 7.45~8.16，氯離子 14151~16835(mg/L)，硫酸根離子1724~2019(mg/L)。105 年第四季各港 0M 海水水質分析如圖所示，鹽度 26.3~37.7，導電度 34.4~69.7 (ms/cm) ， 溫 度 16.4~24.9( ℃ ) ， 溶 氧 量7.07~9.48(mg/l) ， PH 值 7.81~8.21 ， 氯 離 子12234~16838(mg/L)，硫酸根離子 1554~1963(mg/L)。
各港 3M 海水水質分析如圖所示，鹽度 26.7~37.8，導電度 34.7~70.5 (ms/cm)，溫度 16.1~25.3(℃)，溶氧量 7.50~9.58(mg/l) ， PH 值 7.79~8.29 ， 氯 離 子12321~16881(mg/L)，硫酸根離子 1497~1980(mg/L)。各港 6M 海水水質分析如圖所示，鹽度 27.2~36.6，導電度 35.2~71.1 (ms/cm)，溫度 16.0~25.5(℃)，溶氧量 7.65~9.57(mg/l) ， PH 值 7.90~8.48 ， 氯離子10493~17788(mg/L)，硫酸根離子 1557~1967(mg/L)。
4.3水下腐蝕速率資料庫
將相關研究結果建置在臺灣腐蝕環境分類資訊系統，網站也提供大氣腐蝕因子調查及金屬腐蝕環境分類，規劃適合本土需求的腐蝕資訊系統。
五. 成果效益及應用
5.1 研究成果之效益：
結合臺灣腐蝕環境分類資訊系統，了解水下金屬構造物劣化情形及探討其發生機理，並依腐蝕特性，選用適當之維修材料與工法。以提升我國之整體防災能力及環境之安全與資源之永續利用。逐年完成臺灣地區構造物腐蝕環境分類數據資料庫的建立，提供工程單位瞭解金屬構造物在臺灣各腐蝕環境中的耐久性與其防蝕控制之須要可作為港灣地區之地震災前預防、災時應變計畫與決策之參考依據。
5.2 提供單位應用情形:
本計畫建置「臺灣腐蝕環境分類資訊系統」網站並出版年報，提供公民營事業單位營運安全防護採用。完成建置國內大氣及水下腐蝕資訊提供產官學研各界參考應用。如:中華民國防蝕工程學會、臺灣港務股份有限公司、公路總局、國道新建工程局、台塑企業、中國鋼鐵、經濟部工業局、臺灣高鐵、臺灣世曦工程顧問公司、中興工程顧問公司等。
參考文獻
參考文獻
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