國立海洋大學機械所105學年度 「海洋環境腐蝕與防制」課程

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1 國立海洋大學機械所105學年度 「海洋環境腐蝕與防制」課程
國立海洋大學機械所105學年度 「海洋環境腐蝕與防制」課程 Ch1.課程簡介 授課老師：邱善得

2 海洋腐蝕與防制 授課老師：邱善得 上課時間：(三) 9：20~12：10 上課地點：機械系教室 03/10/15 ME7049 2 2

3 Marine Corrosion and Protection
Lecturer: Dr. San-Der Chyou (邱善得老師) Class Hours: Wednesday 9:20-12:10 Room : 國立台灣海洋大學機械系教室 Textbook: 1. Principles and Prevention of Corrosion –by Denny A Jones 2nd edition 1996, ISBN 3

4 Scoring (計分方式) Mid term examin. 期中考：30% Final term examin. 期末考：40%
平時：30% home works 作業(資料查閱研讀) (20%) attendance 出席率 (10%) 03/10/15 ME7049 4 4

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6 海洋防蝕課程大綱

7 Chapter 1 Introduction

8 海洋環境腐蝕 一、船艦鍋爐腐蝕 二、船艦冷卻水腐蝕監測 三、船艦與海中構造物之海生物腐蝕 四、海水污染物造成之腐蝕 五、離岸風力發電防蝕法
六、海岸工程防蝕法 海大造船所/機械所 邱善得教授

9 澎湖跨海大橋施工方式及工法 全橋以防蝕鋼筋及二型水泥施置，目的在預防鹽害之侵蝕。全橋以防蝕鋼筋及二型水泥施置，目的在預防鹽害之侵蝕。

10 鋼筋混凝土承台碼頭 海港工程部負責維修港灣108個鋼筋混凝土承台碼頭。承台碼頭 長期在海洋環境的影響下，鋼筋銹蝕情況非常嚴重。
鋼筋混凝土結構的耐用程度主要視乎鋼筋的狀況而定。潮間區 及浪濺區的水和氧含量不斷變化最易使鋼筋混凝土結構內的鋼 筋受到侵蝕。鐵銹有鋼本身體積的四倍左右，體積擴大的強大 力量導致鋼面的混凝土剝落和出現裂縫。根據經驗，新碼頭建 成約15年後，碼頭平台混凝土會因鋼筋受侵蝕而開始剝落和出 現裂縫。 傳統的修補混凝土方法(即清理損壞混凝土後，以小塊修補、噴 漿或部分模板鑄造方法修復) 屬短期性質，只能暫時保持結構完 整性；預計相關構件需在不到七年內再行修補。而且反覆修補 亦無法避免損害碼頭平台橫樑的長期結構完整性。 為長遠解決碼頭平台鋼筋受侵蝕的問題，本案設計陰極防蝕系 統，並在指定的碼頭安裝本系統。本方法預期可大幅減少碼頭 維修次數，並可獲致長期之成本效益。

11 陰極防蝕系統設有陽極，透過混凝土把陰極保護性電流輸送至鋼筋
在混凝土內有氯化離子、氧及水的情況下，鋼面的鈍化薄膜受到破壞。

12 澎湖跨海大橋 曾是遠東第一座海上大橋的「澎湖跨海大橋」，橫跨 於白沙、西嶼兩島間的吼門海道上，為兩島間唯一連 絡通道。原橋包括兩端路堤全長2478公尺，其中路堤 長319公尺，橋長2159公尺，橋面寬5.1公尺，有7處8 公尺寬避車道，大小橋孔76孔。54年3月動工興建，59 年12月竣工通車，建造費為新台幣壹億肆佰伍拾萬元 。 廿餘年來，因橋址所在海流湍急，潮汐變化迅速及長 年東北季風吹襲、腐蝕嚴重，又交通量快速成長，原 有車道已不敷使用。73年起，分年分段編列經費改建 ，85年1月竣工通車。改建後全長為2494公尺，其中路 堤1519公尺，橋梁975公尺、橋面全寬13公尺。總計新 台幣壹拾億貳仟捌佰萬元整。

13 金門港區浮動碼頭腐蝕現況 資料來源：第38屆海洋工程研討會暨科技部計畫成果發表會論文集國立臺灣大學 2016年12月Proceedings of the 38th Ocean Engineering Conference in Taiwan National Taiwan University, December 2016 金門港區浮動碼頭腐蝕現況調查之研究，柯正龍，陳桂清， 交通部運輸研究所港灣技術研究中心研究員

14 船艦設計防蝕材料之選用

15 Powerboat Zincs 6 Zincs Trim Tab

16 Between Boats Two different metals Aluminum vs steel (or other metal)
Immersed in current-carrying solution Sea water Interconnected by current-carrying conductor AC ground (green) wire Prevention is Galvanic Isolator (next slide)

17 Indirect Cathodic Protection
Used when direct contact not possible Zinc bolted to outside of hull Inside boat connect with insulated AWG#8 to Rudder Post Shaft (requires shaft brush) Shaft brush illustrated latter

18 of Stray Current Corrosion
Results of Stray Current Corrosion Fig 5-5 Four months of stray-current corrosion on new 13” bronze prop and 1” diameter stainless steel shaft Boat with wiring problem was two boats away Current entered boat via an underwatter fitting, transited the boat via its bonding system, and departed via shaft and prop. Corrosion is at points of departure

19 Offshore Wind Turbines
Offshore wind turbines often operate under harsh conditions that require solid technology and robust operations. Corrosion problem is an critical issue on the engineering design for constructing structure of offshore wind turbines.

20 超臨界煱爐材料防蝕技術研究 試驗設備 最高操作溫度：760℃，壓力：400bar， 流量：400kg/hr 。
水質處理控制及亞臨界試驗單元 超臨界水化學與材料試驗單元 試驗設備 最高操作溫度：760℃，壓力：400bar， 流量：400kg/hr 。 可供超臨界水質與材料相關試驗，協助電廠選用材料、品質驗證或電廠水處理及監測，有助新機組規範訂定及確保長期可靠運轉。 20

21 冷卻水系統腐蝕監測

22 冷卻水系統腐蝕監測試驗 碳鋼在4種不同條件之電廠冷卻水中，經過約19天腐蝕試驗後之表面形貌。
碳鋼在4種不同條件之廠用冷卻水中，歷時19天之腐蝕電位隨時間變化之結果。

23 海洋牧場國外案例介紹 澳洲海洋牧場 明蝦養殖 位在 北部 queensland 大藻養殖 做成餌料 產量:2,000頓蝦/年
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24 具台電特色的海洋牧場 可循環資源 再生能源 藻類固碳與水產養殖整合

25 海洋牧場把廢水作為藻類養殖營養源 CO2 Light Waste water Liquid fuels OUTPUTS
800MW with 1% CO2 captured = 3.5 ton/hr Dry microalage 8MW with 100% CO2 captured = 3.5 ton/hr Dry microalage CO2 Waste water Liquid fuels OUTPUTS Nutrients (N, P..) Algal biomass Chemicals Proteins INPUTS ‘Polished’ water Why a PBR? >>> closed system hence control conditions, monocultures, higher growth rates, productivity… Light O2 25

26 我國擁有150億噸CO2封存潛能 CCSU技術可大幅降低燃煤電廠碳排放量

27 CCS候選廠址

28 台灣離岸風電計畫 離岸風電為我國未來最重要的再生能源之一，台電負 責我國電力開發與永續能源發展，預計於2020年前於 彰濱開發離岸風力發電廠，初期設置108MW離岸風機 ，年發電可達3.56億度，民間業者福海風電也預計在 彰濱北側建置30台，以及海洋風電在苗栗竹南外海建 置32台。 考量台灣地理環境特殊，為颱風與地震等天然災害高 潛勢地區，國際間雖已有水深20公尺離岸風場開發經 驗，但面對台灣特殊的環境，先進國家離岸風力發展 經驗難以直接轉移供國內使用。 我國風電開發應借重外力，結合國內業者，開發最適 合台灣地理環境的離岸風力機組。台電有風電的運維 經驗，可供未來離岸風機借鏡。

29 台電離岸風力發電計畫

30 台灣離岸海洋環境之特殊性

31 離岸風機的腐蝕問題 海岸風電設施隨時會曝露在風 砂、鹽霧、紫外線輻射、高低溫 度變化、下雨、冰雪等各種惡劣 環境中。
離岸風機的使用環境更是嚴苛， 長期處在海水和鹽霧環境威脅中， 受到鹽份的侵蝕和海浪的衝擊， 腐蝕問題是工程設計的一大挑戰。 為了保證海岸及離岸風電設備 20年的服務壽命要求，有必要採 取高標準的海域防蝕工程設計。

32 何謂高耐蝕防護？ 高耐蝕防護是指應用於嚴酷環境領域，具有長效壽命的表 面處理技術。嚴酷環境意指高腐蝕性的環境，根據 ISO 的定義，是指大氣環境為C4(高)、C5-I(很高， 工業區)、C5-M(很高，海洋)及浸於海水或含鹽分的水中 的腐蝕環境。 長效壽命並無明確定義，一般認為要大於5年以上的使用 壽命，即ISO 規定的中等或高等的塗膜使用壽命。 過去己有百年海洋平臺的防腐蝕經驗，可以作為目前離岸 風機防蝕所參考。長期以來海上油氣田開採工業已有相當 成熟且不斷發展的防腐蝕標準與規範。但隨著新材料的開 發和防蝕技術之進步，近年來隨著海上平台與海上風機的 快速發展而不斷進展中。 目前NORSOK，M501及ISO 20340是最重要的防蝕塗裝技 術規範。

33 常用防蝕工程技術 (一)有機塗覆法 從腐蝕機制看，可以採取的防腐蝕原理分為有三種：隔離 防蝕、電化學防蝕及本質防蝕。
海洋防蝕工程常用的技術主要有下列三種： (一)有機塗覆法 這種防蝕原理屬於隔離防蝕，主要適用於大氣區、浪濺區 及水位變動區。大多數海洋結構物防蝕都採用此種方法。 常用的防蝕塗料有等，輔助材料為固化劑。其有效防蝕年 限大約為10～12環氧瀝青、富鋅環氧、聚酯類塗裝、環氧 玻璃鋼年，其保護效果約為80～95%。最新的研究成果則 顯示，新型高耐蝕塗裝的防蝕年限可達20年以上，甚至可 達到50年。

34 Degradation & Failure Mechanism of Organic Coating
FeO.H2O FeO. Fe2O3 . 4H2O Fe(OH)2.2Fe(OH)3 2Fe(OH)3 Fe2(OH)6 Fe2O3.3H2O Passive Films vs. Oxides

35 離岸風機高耐蝕有機塗膜設計參考

36 (二)金屬熱噴塗法膜 金屬熱噴塗的原理是利用各種形式的熱源， 將金屬噴塗材料加熱，使之形成熔融狀態 的微粒，這些微粒在動力的作用下，以一 定的速度衝擊並沉附在被保護構造物表面， 形成具有一定特性的金屬覆層。 可用於金屬噴塗的材料很多，例如鋅、不 銹鋼等是最常用。其中不銹鋼塗覆層較耐 磨損且保護週期較長，鋅覆層不僅具有覆 蓋、耐腐蝕作用，更重要的是鋅還具有犧 牲陽極功能。

37 (三)金屬熱浸鍍及電鍍膜 金屬熱浸鍍及電鍍膜屬於隔離防蝕的一種，主 要適用於大氣區、浪濺區及水位變動區。
多數海洋結構物的小型附屬零組件或連接部件 採用此種方法。常用的防蝕鍍層有鍍鋅、鍍鉻 等。 從實施工法可分為熱浸鍍法及電鍍法兩種。其 中熱浸鍍法是將結構件經過酸洗鈍化等表面處 理後，整體浸入高溫狀態的鍍層鹽溶液中，經 過一定時間的置換反應，構件表面形成設計厚 度的金屬保護層。 電鍍法採用外加電流進行電解置換的工法，工 程上常用的是熱浸鍍法。

38 (四)陰極保護法 陰極防蝕法屬於電化學防蝕，分為外加電流 的與犧牲陽極兩種保護方式。
外加電流原理是利用高矽鑄鐵或鈦鍍白金等 隋性陽極材料，把被保護物體作為陰極，在外 加電流的影響下，形成電位差，進而防止腐蝕。 犧牲陽極主要利用鋅、鋁等活性比鐵高的鑄 造陽極材料，銲接在結構物上，優先消耗，形 成保護電位差阻止被保護體腐蝕。 兩種陰極防蝕法均需要海水作為電解質溶液， 供離子導電而形成導電迴路，因此只適用於海 水平面下、或泥水覆蓋的區域。

39 離岸風機之高耐蝕具體解決方案 根據實驗室塗鍍測試、海上掛片試驗以及吸收海上 平臺成熟的防蝕作法，專家對於在離案風機推薦使 用的高耐蝕防護膜層系統如【表1】 所示。 如果採用金屬熱噴塗層加上有機塗層的方案，將是 最佳方案。 大氣環境中，如塔筒外壁，可以採用常用之防蝕系 統，即富鋅底漆/環氧雲鐵/脂肪族聚氨酯面漆。採 用玻璃鱗片塗料系統時，注意底漆不能太厚，可以 選用環氧，當然亦可以選用耐久性更好的聚矽氧烷 塗料。 採用金屬熱噴塗系統時，可以得到更為長效的防蝕 效果。

40 塔筒內壁不接觸外界陽光直射，腐蝕環境相對外壁 要弱，因此可以不採用保色保光性優良的脂肪族聚氨 酯或聚矽氧烷面漆。
甲板平臺包括內外平臺是工作場所，並且會有海浪 的沖刷，因此採用與飛濺區相同的環氧玻璃鱗片，如 果需要面漆調顏色，可以選用聚氨酯罩面。 潮差區及飛濺區是防蝕的重點區域，採用環氧玻璃 鱗片系統，乾膜厚度至少要求在800μm以上。 如果要達到30年以上的使用壽命，根據現有的海洋 平臺方面的經驗，乾膜厚度需達1500μm以上。 由於玻璃鱗片塗料在控制塗膜下的腐蝕蔓延要差一 些，因此採用具有良好陰極保護性能的環氧底漆打底 ，比直接做玻璃鱗片塗料效果更好。 海泥區可不做防蝕塗膜，靠陰極保護即可，亦可兩 者相結合，膜層厚度在設計上無需太厚。

41 離岸風機防蝕小結 離岸風電機組防腐蝕，是一個系統的問題，對 於機組的每一部分，在設計上、材料上、密閉性 上，都應該考慮到耐蝕性的問題。
防蝕問題處理不好，小則使個別風電機組故障 頻頻，影響機組運轉效率，大則使機組大面積故 障，被迫拆除。 就投資的立場來看，優異的保護措施能確保風 力發電機組有更長的使用壽命，無需頻繁地進行 維修，順暢的運轉及減低維修成本可爭取到更大 的獲利率。

42 How corrosion occurs in the marine environments
4.1 The reaction of a metal with electrolyte 4.2 The electrochemical nature of corrosion the reaction of a metal with its environment the mixed potential theory polarization and corrosion rate passivation and its breakdown 4.3 The characteristics of marine environments corrosivity of seawater corrosivity of marine atmospheres 4.4 Factors affecting marine corrosion salinity and chlorinity temperature, dissolved gases, velocity, pH, pollutants, biological organisms relative humidity, airborne contaminants etc.

43 Common forms of marine corrosion
          4.5.1   uniform corrosion           4.5.2   galvanic corrosion           4.5.3   dealloying           4.5.4   crevice corrosion           4.5.5   pitting corrosion           4.5.6   intergranular corrosion and weld decay           4.5.7   exfoliation           4.5.8   stress corrosion cracking           4.5.9   hydrogen related damages           erosion corrosion and cavitation damage           microbiologically influenced corrosion (MIC)           stray current corrosion           biofouling    

44 How to control and prevent corrosion
    5.1 Materials selection for corrosion prevention     5.2 Design against corrosion     5.3 Theory and practice of cathodic protection     5.4 Theory and practice of corrosion inhibitors     5.5 Theory and practice of metallic coatings           thermal spray, metallization           hot-dip galvazing           conversion coatings (anodizing, chromating and phosphating)           electroplating, electroless plating, immersion plating.     5.6 Theory and practice of organic coatings           composition and characteristics of paints           types of paints           protective coatings for marine applications           paint failures           environment-friendly anti-fouling paints ("green" coatings)           coatings and cathodic protection for marine structures      5.7 Theory and practice of plastic coatings     5.8 Theory and practice of concrete coatings