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    摘要：
    大氣腐蝕環境的區分依據ISO 9223，可採用試片腐蝕速率量測與環境
    因子的分類進行。過去台灣各單位研究台灣地區腐蝕環境時，均以試
    片佈放的方式進行現場暴露試驗，鮮少採用環境因子分類研究；但因
    暴露試驗場址的維護不易，台灣各地區多無10年以上的腐蝕試驗數據。
    本文將彙集台灣氣象局公佈之相對濕度資料、環保署公佈之SO2濃度與
    過去各單位調查研究之氯離子濃度數據，針對熱浸鍍鋅鋼材進行台灣全
    島的大氣腐蝕環境分類。結果顯示，台灣西部以大甲溪為界，大甲溪以
    北地區多為C4等級，大甲溪以南多為C3，沿海地區則為C5等級。

關鍵字：台灣、大氣腐蝕、環境因子分類、ISO 9223、熱浸鍍鋅、腐蝕速率

1.前言
    金屬材料及其製品與所處自然大氣環境間因環境因素作用而產生材料變質或破壞之現象，稱為大氣腐蝕；而大氣腐蝕產生的原因主要是因金屬受大氣中所含水分、氧氣、和腐蝕性物質(如雨水中的雜質、灰塵、表面沉積物等)聯合作用而產生的破壞，其腐蝕速率是由水、氧在水膜間的擴散率、大氣中的氯離子含量、以及空氣中的污染物質如SO2、灰塵等所控制。因此，金屬在大氣中腐蝕的行為與速率，確有其地域性的區別。

    台灣為一海島，四面環海，中央又有中央山脈分隔，高溫、高溼與高鹽份附著的環境，加上台灣工業蓬勃發展造成空氣污染的結果，大氣對金屬腐蝕的影響極巨。歷年來常因引用國外大氣腐蝕數據，且未針對台灣特有的大氣環境研擬適當的防蝕措施，以致金屬結構物之服務壽命未及設計年限就已鏽蝕損壞。

    1971年起，台灣各研究單位如台灣電力公司、工業技術研究院、中華電信研究所、中國鋼鐵公司、台灣大學、成功大學等，均陸續進行現地大氣暴露試驗，即依據ISO 9223[1]，以量測試片腐蝕速率的方式進行台灣大氣腐蝕環境分類，然而因現場暴露試驗維護不易與缺乏相關研究經費，以致台灣各地區多無10年以上的腐蝕試驗數據。
    
    有鑑於此，本文將彙集過去台灣氣象局公佈之相對濕度資料、環保署公佈之SO2濃度與過去各單位調查研究之氯離子濃度數據，進行台灣本島大氣腐蝕環境分類。

2.分析方法
2.1ISO 9223環境因子分類
    國際標準化組織-ISO於1985年起於全球13國47處地點進行大氣腐蝕暴露試驗，根據這試驗工作成果，於1992年發佈ISO 9223(大氣腐蝕性分類)、ISO 9224[2] (各腐蝕環境中腐蝕率指標值)、ISO 9225[3] (污染量量測方法)、及ISO 9226[4] (標準試片腐蝕率量測方法)四項標準規範，根據這四項規範，只要在欲工作地點從事一年期之標準試片腐蝕率量測或潤濕時間量測及總污染量量測，根據量測結果，即可定義該處的腐蝕環境區分，再根據對照表即可得到該腐蝕環境區分之腐蝕率指標值。

    換句話說，ISO 9223大氣腐蝕性分類標準是根據金屬標準試片在某環境中進行自然暴露試驗所得之腐蝕速率，或綜合某環境中大氣污染物濃度和金屬表面潤濕時間而進行分類，其中，潤濕時間(τ，time of wetness)是以全年中溫度高於0oC，相對濕度大於80%之小時數或百分比來區分，環境中大氣污染物濃度的嚴重性則是以空氣中SO2濃度或沉降量 (P, pollution by sulfur-containing substances represented by SO2)與氯鹽沉積量(S, pollution by airborne salinity)分別進行區分；

之後，將環境之腐蝕性依最初第一年的腐蝕率大小或環境之污染量，分為C1, C2, C3, C4與C5五個等級，C1表示腐蝕性非常低(very low)，C2表示腐蝕性低(low)，C3表示腐蝕性中等(medium)，C4表示腐蝕性高(high)，C5表示腐蝕性非常高(very high)。

   表1至表3分別為ISO 9223中針對環境因子，如濕潤時間、氯鹽沉積量與SO2沉積量或含量的分類，表4則為綜合表1至表3各因子，進行大氣腐蝕環境分類之結果。

表1. ISO 9223濕潤時間分類

(資料來源：ISO 9223)


表2. ISO 9223氯鹽沉積量分類

(資料來源：ISO 9223)


表3. ISO 9223二氧化硫(SO2)含量分類

(資料來源：ISO 9223)


表4. ISO 9223-大氣腐蝕環境分類(以環境因子分類)

(資料來源：ISO 9223)



2.2台灣本島環境因子資料
    本研究依據ISO 9223採用環境腐蝕因子分類，選擇的參數則包括濕潤時間、空氣中的氯鹽沉積量與二氧化硫含量，各參數之資料來源如下：

(1)濕潤時間：為1971至2000年間台灣氣象局全島各氣象站之相對濕度統計值。
(2)氯鹽沉積量：為1987至1992年間分別由工業技術研究院[5]、台灣大學[6]、
   台灣電力公司或成功大學[7]進行大氣暴露試驗時所測得之氯鹽沉積量。
(3)SO2含量：為1998至2000年間環保署於各地空氣品質監測站所測得之SO2在空
   氣中的含量。

3.結果與討論
3.1濕潤時間
    大氣腐蝕是一種水膜下的電化學反應，空氣中水分在金屬表面凝聚生成水膜，與空氣中的氧氣是產生大氣腐蝕的基本條件。水膜的形成與大氣中的相對濕度密切相關，相對濕度的定義是指在某一溫度下，空氣中的水蒸氣含量與在該溫度下空氣中所能容納的水蒸氣最大含量之比值。

    由於不同物質或同一物質的不同表面狀態，對於大氣中水分的吸附能力不同，因此，當空氣中相對濕度到達某一臨界值時，水分將在金屬表面形成水膜，促使電化學反應產生、腐蝕速率增加，此時的相對濕度值稱為金屬腐蝕臨界相對濕度，如鐵的腐蝕臨界相對濕度為65%。

    此外，空氣中相對濕度還影響金屬表面水膜厚度與乾濕交替的頻率；如金屬表面有較薄的水膜存在時，大氣中的氧容易擴散至金屬表面，加速腐蝕；當水膜變厚時，氧的擴散阻力增加，腐蝕速率下降。

    依據ISO 9223之定義，濕潤時間是指產生大氣腐蝕的電解質膜，以吸附或液態膜型式覆蓋於金屬表面上的時間，亦可以全年中溫度高於0oC，相對濕度大於80%之小時數或百分比計算；濕潤時間愈長，腐蝕總量愈大。

    圖1為台灣本島各地區相對濕度大於80%的月數。圖中，除台北市、台中市與台南市外，大部份測站之相對濕度大於80%的月數均超過3.5個月；因此，各地區濕潤時間(hours)的計算是以RH大於80%的月數與720 hours/month之乘積表示。


圖1. 台灣本島各地區相對濕度大於80%的月數



3.2氯鹽沉積量
    環境中相對濕度較低時，金屬表面的氯化物有助於液態膜的形成，且在腐蝕過程中會阻止氧化膜(oxide films)的生成，有助於陰極上氧的還原反應；然而當金屬表面已有氧化膜或鈍態膜存在時，氯離子則會破壞鈍態膜，產生孔蝕。大氣中Cl-與鐵反應之腐蝕產物為FeCl2，但因FeCl2不是緊密結合的化合物，所以Cl-很容易從氯化亞鐵中釋放出來，再與其他的鐵離子作用，進而加速腐蝕反應。

    台灣各研究機構過去並未進行長時間的落鹽量調查，以致該參數較為缺乏；今彙整工業技術研究院(1987.7-1992.6)、台灣大學(1989.1-1990.1)、台灣電力公司、成功大學(1998.10-2000.6)之調查研究資料，如圖2所示。


圖2. 台灣地區氯鹽沉積量



3.3 SO2含量
    SO2在水溶液中具有極高的溶解度(16.2g SO2/100g H2O)，且SO2與O2作用形成之SO22-會再和鐵循環作用，加速腐蝕反應。換句話說，在含SO2的大氣中，腐蝕反應包括下列步驟：
    Fe + H2O → Fe(OH-)ads + H+
    Fe(OH-)ads → Fe(OH)ads+ e-
    Fe(OH)ads + SO42- → FeSO4 + OH +e-
由於FeSO4會與H2O作用生成FeOOH，而釋放出來的SO42-則再次與FeOH作用：
    FeSO4 + H2O → FeOOH + SO42- + 3H+ + e-

因而加速腐蝕反應。圖3為依據環保署於1998至2000年間台灣各地空氣品質監測站所測得之SO2於空氣中濃度(μg/m2)之柱狀圖。


圖3. 台灣地區SO2含量



3.4台灣大氣腐蝕環境分類
    過去台灣各研究單位進行大氣腐蝕環境分類均以試片腐蝕速率的量測進行區分，表5與圖4為工業技術研究院[8]與台灣大學[9]分別於1993-1994年與1989年針對熱浸鍍鋅試片進行一年暴露試驗所得之腐蝕速率與環境分類結果；其中，C5+表示熱浸鍍鋅試片的腐蝕速率大於ISO 9223規定C5等級腐蝕速率之上限值。顯然的，台灣大氣環境對於鋅金屬的腐蝕性，除奮起湖為C3外，各地多為C4以上環境，甚至部份地區，包括硫害環境的陽明山與海洋環境的林口電廠、台中港、麥寮等，均為C5至C5+的等級。

表5. 以熱浸鍍鋅試片第1年之腐蝕速率進行鋅金屬在台灣之大氣腐蝕環境分類


註： 
1.資料來源：工業技術研究院[8]，*台灣大學[9] 
2.試片：依據ISO 9226[4]製作之熱浸鍍鋅平板試片
3.試片尺寸：150x100x5 mm
4.暴露時間：1993.08-1994.07,*1989.01-1989.12



圖4.台灣大氣腐蝕環境分類- 以熱浸鍍鋅試片第1年之腐蝕速率進行區分
    (資料來源：工業技術研究院[8],1993-1994，台灣大學[9], 1989)


    表6為依據環境因子統計數據，將台灣西部地區，如基隆、陽明山、台北市、土城、樹林、林口市、蘆竹、新竹、苗栗、通霄、台中港、台中市、彰化市、崙背、奮起湖、嘉義市、台南市、興達港、高雄市等19個位置之濕潤時間、氯鹽沉積量與二氧化硫含量進行分類。

表6. 以環境因子進行鋅金屬在台灣之大氣腐蝕環境分類


資料來源：
    工業技術研究院[5] (1987.7- 1992.6)
*   台灣電力公司
**  台灣大學[6] (1989.1-1990.1)
*** 推測值
****成功大學[7] (1998.10-2000.6)


    由於部分地區無相對的參數數據(如濕潤時間、氯鹽沉積量或二氧化硫含量)，故未知參數值依地區之地理位置、距海岸線的距離與城市特性，以相臨地區之相對參數數據推估。圖5為大氣腐蝕環境分類結果


圖5. 台灣大氣腐蝕環境分類- 以環境因子區分



圖中，濱海區域的台中港為腐蝕最嚴重的C5，而通霄以北之苗栗、新竹、蘆竹、林口市與基隆為C4，樹林、土城與陽明山為C3 or C4，台北市則為C3；至於台中市以南，除沿海地區之興達港為C4外，其餘地區多為C3。

綜合言之，台灣西部大氣腐蝕環境分類可以大甲溪為界，大甲溪以北地區多為C4等級，大甲溪以南多為C3，沿海地區則為C5等級。

    比較圖4與圖5，顯示若採用環境因子分類(圖5)，分類的結果與採用試片腐蝕速率之分類(圖4)有些許差異；即針對鋅金屬之大氣腐蝕環境，使用環境因子的分類結果較採用腐蝕速率之分類結果和緩。

    主要原因是因圖4所示的大氣腐蝕環境區分是採用鍍鋅試片，而試片之大氣暴露與腐蝕速率的測量僅為1年期間；由於鋅與大氣接觸，鋅易氧化為氫氧化鋅，氫氧化鋅又易與空氣中的污染物：CO2、SOx、Cl-等氣體反應，在氫氧基與空氣介面間產生鹼性鋅鹽，這些氫氧化鋅與鹼性鋅鹽(俗稱為鋅白)，有保護鋅金屬抗蝕的功能。因此，當鋅白形成後，長期暴露鋅的腐蝕速率會較早期(第一年)暴露時的腐蝕速率為低，故若以第一年的腐蝕速率來推估鋅長期的腐蝕速率，可能會有過於估算的可能。

    然而，環境因子分類的觀點是綜合長時間環境因子的考量，大氣腐蝕環境分類的結果可用以推估金屬長期的腐蝕速率，因此針對鋅金屬之大氣腐蝕環境而言，使用環境因子分類的等級較採用第一年腐蝕速率之分類等級和緩。但值得注意的是，在同一腐蝕等級的分類中，金屬的腐蝕速率為一範圍，有一最大值與一最小值(如鋅在C3等級之腐蝕速率為5＜rcorr 15g/m2/yr，rcorr為腐蝕速率)；因此藉由金屬所處腐蝕環境之等級推估腐蝕速率，進而計算金屬服務壽命時，必須考慮金屬所在位置距海岸線的距離與是否位於硫害之工業區內；若是，應選擇較大的腐蝕速率進行服務壽年評估。

3.5熱浸鍍鋅服務壽命評估
    根據JIS H8641，熱浸鍍鋅的服務年限為鍍鋅量的消耗達90%以上的情況，如下方程式所示。




    熱浸鍍鋅鋼橋之防蝕服務年限因所處之環境條件不同而異，目前台灣本土資料尚未完整，若採國外數據，應審慎評估。以林口高架橋為例，其螺栓六年鍍鋅平均消耗量約為120 g/m2/yr，若以日本地區之熱浸鍍鋅耐用年限評估(圖6)，在海岸地區鍍鋅消耗量約為13.2 g/m2/yr，其值遠小於林口高架橋所處海洋環境之消耗量，所以若採日本數據標準，將有誤導可能。


資料來源：日本鍍鋅協會
圖6. 日本地區之熱浸鍍鋅耐用年限



    但以ISO 9223之環境腐蝕分類(圖7)，林口高架橋屬於C5+等級，若原始鍍鋅量為650 g/m2，則鍍鋅層約在8年左右會完全消耗，與實際情況類似；所以台灣熱浸鍍鋅鋼橋設計壽命計算建議應採ISO 9224之steady state腐蝕速率數據為宜。


圖7. 鋅在ISO 9224 steady state 之耐用年限


    此外，依ISO 9224之腐蝕分類進行熱浸度鋅之防蝕設計時，如在C5腐蝕環境，鍍鋅鋼橋設計壽命為50年，則所需之鍍鋅量最大約為3967g/m2，由於所須之鍍鋅量過高而有實際上施工困難，所以構件除經熱浸鍍鋅外宜再予塗裝，塗裝系統之選擇可參考ISO 12944-5「熱浸度鋅於各腐蝕環境建議使用塗裝系統」，如表7所示。

表7. ISO 12944-5熱浸度鋅於各腐蝕環境建議使用塗裝系統


註：1)機械或化學方式之表面處理請參考ISO 12944-4。
    2)耐久性與油漆塗料或熱浸鍍鋅表面有關。
    3)若要求顏色及光澤維持率建議最後一道使用脂肪族PUR。


3.6台灣地區大氣腐蝕研究現況
    隨著氣候變遷與工業的發展，為達到結構物耐久性防蝕設計的目的，目前若仍引用過去腐蝕因子之調查數據，腐蝕速率的估算恐會產生過與不及的虞慮。

    因台灣過去缺乏整體性的大氣腐蝕研究，故自2007年3月起，工業技術研究院執行「台灣地區大氣腐蝕劣化因子調查研究」研究計畫，針對台灣全島地區進行大氣腐蝕劣化因子調查，完成台灣大氣腐蝕環境分類，並根據調查結果建立電腦查詢資料庫，規劃一適合台灣環境「本土化」需求的大氣腐蝕劣化因子查詢系統，以作為日後新建與既有金屬結構物之防蝕設計與維護管理的依據。

    針對大氣腐蝕劣化因子調查，因相對溼度屬於氣象因子數據，可由氣象局與相關研究單位之調查資料蒐集分析，但氯鹽(Cl-)與二氧化硫(SO2)的沉積量屬於空氣污染物之調查，過去並無固定測站進行監測，故參考ISO 9225金屬及合金之腐蝕-大氣腐蝕性(污染之測定)規範，安裝氯鹽與二氧化硫沉積量採集裝置。

    氯鹽沉積量採集裝置是以濕燭法進行，其原理為使用一個濕纖維織物表面，在已知面積的條件下暴露一段時間，再以化學分析法測定其氯鹽沉積量，並計算所得之氯鹽沉積率，以mg/m2•day表示。二氧化硫沉積量採集裝置是以二氧化硫在二氧化鉛硫酸化平板之沉積速率測定，其原理為大氣中二氧化硫與二氧化鉛會反應形成硫酸鉛，暴露一段時間後回收該平板，並針對平板上的附著物進行硫酸鹽分析以測定二氧化硫之含量，二氧化硫的沉積量以mg/m2•day表示。

    此外，本研究將針對碳鋼、鋅、銅、鋁四種金屬，選擇適當位置進行現地暴露試驗並以重量損失法計算其腐蝕速率，試片製作的方式參考ISO 9226大氣腐蝕性測定標準試片製作，採用螺旋狀標準試片，試片的材料如下：
1)鋼：非合金碳鋼(Cu=0.03~0.10%, P < 0.07%)，2)鋅：98.5%以上之純度， 3)銅：99.5%以上之純度，4)鋁：99.5%以上之純度；

將以上金屬之線材，線材直徑2~3 mm，剪取約1000 mm長度，纏繞在直徑為24 mm的圓棒上，製成螺旋試片。

    目前台灣全島已建置氯鹽沉積量調查77個試驗點，二氧化硫沉積量調查54個試驗點，現地暴露試驗調查88個試驗點，而取樣頻率均為每季與每年一次，以探討季節與區域之大氣腐蝕因子與金屬腐蝕速率變化。

4.結論
(1)依據過去環境因子分類，台灣西部大氣腐蝕環境可以大甲溪為界，大甲溪以
   北地區多為C4等級，大甲溪以南多為C3，沿海地區則為C5等級。
(2)針對鋅金屬的大氣腐蝕環境，使用環境因子分類的等級較採用第一年腐蝕速
   率之分類等級和緩；且以環境因子分類的結果，可推估金屬長期的腐蝕速率
   與服務年限。
(3)浸鍍鋅鋼結構設計壽命計算建議應採ISO 9224之steady state腐蝕速率數據
   為宜。
(4)自2007年3月起，台灣全島已建置氯鹽沉積量調查77個試驗點，二氧化硫沉
   積量調查54個試驗點，現地暴露試驗調查88個試驗點，取樣頻率均為每季與
   每年一次，以探討季節、年期與區域之大氣腐蝕因子及金屬腐蝕速率的變
   化。


參考文獻
[1]ISO 9223/1992: Corrosion of metals and alloys-Corrosivity of 
   atmospheres-Classification.
[2]ISO 9224/1992: Corrosion of metals and alloys-Corrosivity of 
   atmospheres-Guiding values for the corrosivity categories.
[3]ISO 9225/1992: Corrosion of metals and alloys-Corrosivity of 
   atmospheres-Measurement of pollution.
[4]ISO 9226/1992: Corrosion of metals and alloys-Corrosivity of 
   atmospheres-Determination of corrosion rate of standard 
   specimens for the evaluation of corrosivity.
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   與焊接技術研討會論文集，防蝕工程學會，台北，p.3-20,1995.
[6]鄭福田、莊東漢、杜悅元、林勝南，”台灣地區大氣腐蝕環境因子調查”，
   材料大氣腐蝕研討會論文集，防蝕工程學會，台北，p.17, 1991.
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   究”，材料大氣腐蝕研討會論文集，防蝕工程學會，p.101, 1991.