離岸風機塗層健康監測技術之改良研究

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國立臺灣大學工學院工程科學及海洋工程研究所碩士論文

Department of Engineering Science and Ocean Engineering College of Engineering

National Taiwan University Master Thesis

離岸風機塗層健康監測技術之改良研究 Improvement of Coating Impedance Detector

of Offshore Wind Turbines

陳泓勳

Hung-Hsun Chen

指導教授：李岳聯博士 Advisor：Yueh-Lien Lee, Ph.D.

中華民國 109 年 1 月

January, 2020

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致謝

感謝李佳翰老師、鄭憶中老師、李志偉老師百忙中撥空來參加學生口試，並提供學生寶貴建議，使我的碩士論文更加精實完整。

感謝指導教授李岳聯老師在這兩年多碩士班的日子裡所有的教導與照顧，並能夠信任我執行計畫，在計畫中我學到如何對實驗進行妥善及長期的安排，當實驗遇到瓶頸時老師可以提供完善的建議及方向，且願意供應我們不虞匱乏的實驗資源和器材，才讓我的實驗得以順利完成，碩士班期間我亦學到了待人處事的經驗，

從師生之間的互動讓我擁有更成熟穩重及謹慎的態度。

感謝陳昭宏老師在實驗上的協助，在電路設計及電路規劃方面提供了許多寶貴且實用的意見，對於我的實驗有非常大的幫助，使我獲益良多。感謝王子函學長以及徐碩亨同學時常抽空為我解答疑問，並且跟我討論實驗流程及方向，使我的實驗可以如此良好的結果。

感謝實驗室的所有夥伴在這段日子裡的陪伴，你們的陪伴使我在做實驗時不覺得孤單。盧易聖提供有用的意見，張守毅分享有趣的東西、劉嘉麒逗大家笑、陳俐安一起扭蛋、陳子恩一起搞怪、徐一仁一起組鋼彈、施囿承一起猜可樂雪碧、陳頤和謝鎮洋一起吃飯，還有學姐徐仲彣及黃韋瑄聽我吐苦水並為我打氣。尤其感謝大學四年室友及碩班的好朋友王俊皓的陪伴，六年多來一起努力的過程仍歷歷在目，無數的歡樂時光一起段過，如今我們即將一起畢業，為我的大學及碩班生活劃下完美的句點，也祝福未來一切順利。

感謝我的爸媽在我就讀碩班期間仍負擔我的住宿費用，讓我可以無憂慮的完成學業，並讓他們感到驕傲。感謝女友的爸媽讓我有吃不完的食物和水果，讓我在台北求學的日子也感受到像家一般的溫暖。最後感謝女朋友林舜文，從大學開始的一路上即使遭遇到各種困難，仍然一直陪伴著我。

以上，祝福每一位師長、朋友，身體健康，萬事如意。

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摘要

離岸風力發電為台灣再生能源中重要的發展項目，離岸風機等海上結構物由於長時間處在高濕度、高鹽度的環境中，導致其金屬部件遭受到嚴重的腐蝕問題，

台灣位於副熱帶氣候區，全年均溫偏高，使得離岸風機得面對更為嚴峻的腐蝕問題，

因此不僅要給予風機高規格之抗蝕塗層保護，塗層腐蝕監測系統亦顯得格外重要。

本論文之主要目的為塗層健康監測技術之改良，前半部份介紹了離岸風機於台灣所需面對的問題以及常見的腐蝕檢測技術，並且回顧了本團隊先前之研發成果：CID、CID 2.0，CID 驗證了以分壓公式計算塗層交流阻抗的初步概念，CID 2.0 將此概念以FPGA 等硬體整合達到微型化。本文提出了以 CID 2.0 為基礎並加以改良之CID 3.0，CID 3.0 的改良分為硬體及軟體兩部份，硬體部份針對參考電阻以及電路板厚度進行更改並透過實驗探討其成效；軟體部份針對電容之虛部阻抗進行分壓公式之改良，並以實驗來驗證改良分壓公式之計算成效。

實驗結果證實，藉由將參考電阻從10⁷ohm 提升至 10⁸ohm，讓參考電阻與待測物之間的差距縮小，使CID 3.0 能夠量測到 4*10⁹ohm 之標準電阻；將電路板厚度由1.6 mm 提升至 2.4 mm，有效地抑制了漏電流及寄生電容的影響，使 CID 3.0 之量測標準差下降，顯示出其量測穩定性，因此得以減少取樣次數達到快速量測的功用；經過硬體綜合改良之CID 3.0 成功測得 4*10⁹ ohm*cm²以上阻抗值之商用塗層，並將標準差降至低於平均值一至二個數量級，能夠提供塗層監測可靠的數據；

新穎的改良分壓公式成功改善虛部阻抗所造成的計算誤差，準確地計算出電容性塗層之阻抗值，因此能夠更有效地被利用於塗層早期的阻抗監測工作。藉由連續監測試驗說明CID 3.1 具有長期監測塗層健康狀態的能力，因此可以做為塗層健康狀態監測的有利工具。

關鍵字: 離岸風機、交流阻抗、防蝕工程、腐蝕監測

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Abstract

In this study, we propose the Coating Impedance Detector 3.0 (CID 3.0), which is an improved version of our previous research CID and CID 2.0. CID verified the concept of voltage divide method we used to calculate the impedance of coating. CID 2.0 integrated the concept with hardware and used FPGA to achieve miniaturization. The improvement of CID 3.0 includes two parts: hardware and software. In hardware part, we try to increase the measuring accuracy and stability by changing hardware specification of reference resistor and thickness of PCB. In software part, a newly designed voltage divide equation is proposed to solve the huge calculate error caused by imaginary impedance of coating when using the original voltage divide equation.

The experimental results show that CID 3.0 was able to measure a standard resistor of 4*10⁹ ohm when the reference resistor was increased from 10⁷ ohms to 10⁸ ohms.

Increasing the thickness of PCB from 1.6 mm to 2.4 mm can inhibit the influence of parasitic capacitance and leakage current. As the results, CID 3.0 showed a better measurement stability, and the measurement standard deviation of CID 3.0 was decreased.

CID 3.0 with both reference resistor and thickness improved can successfully measure commercial coatings with impedance up to 4*10⁹ ohm*cm², and the standard deviation is reduced to one to two orders below the average. The novel voltage divide equation can accurately calculate the imaginary impedance of the capacitive coating, so it made CID 3.0 a better equipment for early stage coating monitoring.

Keywords：Offshore wind turbines、Corrosion monitor、Electrochemical impedance spectroscopy

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圖目錄

圖 2-1 台灣陸域風力發電分布圖 ... 4

圖 2-2 離岸風機結構示意圖 ... 5

圖 2-3 離岸風機結構腐蝕環境[2] ... 6

圖 2-4 海上結構飛沫帶腐蝕情況[3] ... 7

圖 2-5 台化芳香烴三廠氣爆導致屋頂掉落 ... 9

圖 2-6 Aloha 航空 243 號班機機體損壞圖[6] ... 11

圖 2-7 犧牲陽極法示意圖 ... 14

圖 2-8 外加電流法示意圖 ... 15

圖 2-9 板狀金屬現地試驗[24] ... 20

圖 2-10 鹽霧試驗機 ... 22

圖 2-11 鹽霧試樣擺放示意圖 ... 22

圖 2-12 CHM 外觀圖[20] ... 27

圖 2-13 CHM 內部構造圖[20] ... 28

圖 2-14 CHM 遠端傳輸接收器[20] ... 28

圖 2-15 PU 塗漆試片交流阻抗圖[20] ... 29

圖 2-16 鍍鋅鋼板交流阻抗圖[20] ... 30

圖 2-17 PU 塗層交流阻抗圖[20] ... 31

圖 2-18 離岸風機塗層交流阻抗圖[20] ... 32

圖 2-19 CID 電路板外觀及連接配置圖 ... 34

圖 2-20 電壓分配定則 ... 35

圖 2-21 CID 實驗架設全貌 ... 36

圖 2-22 非反向放大器電路圖 ... 37

圖 2-23 CID 改良電路設計概念圖 ... 37

圖 2-24 標準電阻之 CID 與恆電位儀量測結果 ... 39

圖 2-25 聚氨酯塗層試樣(105μm)之 Bode Plot ... 40

圖 2-26 Altera DE0-Nano FPGA 之功能配置 ... 41

圖 2-27 CID 2.0 機台全貌 ... 42

圖 2-28 CID 2.0 PCB 樣貌 ... 43

圖 2-29 CID 2.0 實驗架設全貌 ... 44

圖 2-30 CID 2.0 PCB 配置原理圖 ... 45

圖 2-31 CID 2.0 PCB 佈局圖 ... 46

圖 2-32 標準電阻之 CID 2.0 與恆電位儀量測結果 ... 47

圖 2-33 環氧樹酯塗層試樣(100μm)之 Bode Plot ... 49

圖 2-34 環氧樹酯塗層試樣(220μm)之 Bode Plot ... 49

圖 2-35 高阻抗環氧樹酯塗層試樣之 Bode Plot ... 50

圖 2-36 商用塗層試樣之十次量測 Bode Plot ... 51

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圖 2-37 電容特性明顯之塗層試樣 Bode Plot ... 52

圖 3-1 Ref 600 恆電位儀外觀 ... 54

圖 3-2 二極式實驗架設圖 ... 54

圖 3-3 厚度 1mm(左)、1.6mm(中)、2.4mm(右)之印刷電路板 ... 55

圖 3-4 單次量測數據時域圖 ... 56

圖 3-5 V2 原始訊號(上圖右半部)與 V2 反相訊號(下圖右半部) ... 57

圖 3-6 V2 原始訊號之頻域圖(第 0~300 取樣點) ... 58

圖 3-7 防止電磁波干擾之鐵盒 ... 58

圖 3-8 V2 訊號原始(上圖)及濾波後(下圖)之時域圖 ... 59

圖 3-9 V2 訊號原始與濾波後波形疊合之時域圖 ... 59

圖 3-10 金屬底材(左)、塗層試片(中)、塗層試片成品(右) ... 61

圖 3-11 實驗流程圖 ... 61

圖 4-1 參考電阻 10⁸ohm 之 CID 2.0 對標準電阻之 Bode Plot ... 65

圖 4-2 CID 2.0 對商用塗層試樣之十次量測 Bode Plot ... 68

圖 4-3 CID 3.0 對商用塗層試樣之十次量測 Bode Plot ... 69

圖 4-4 160 μm 環氧樹脂塗層試樣量測結果 ... 71

圖 4-5 商用塗層試樣之量測結果 ... 72

圖 4-6 商用塗層試樣之量測結果 ... 73

圖 4-7 180 μm 環氧樹脂塗層試樣量測結果 ... 74

圖 4-8 標準電容量測結果 ... 76

圖 4-9 RC 並聯電路量測結果 ... 78

圖 4-10 RC 串聯電路量測結果 ... 79

圖 4-11 電容性塗層試樣量測結果 ... 80

圖 4-12 環氧樹脂塗層試樣連續監測結果圖 ... 81

圖 4-13 CID 3.1 量得 V2 波形(左)隨實驗天數增加而逐漸向上偏移 ... 82

圖 4-14 串聯電容器於待測物後端之 CID 3.1 電路示意圖 ... 83

圖 4-15 串聯電容器後之 CID 3.1 量測 V1(右)與 V2(左)訊號波形 ... 83

圖 4-16 環氧樹脂塗層試樣之連續監測試驗結果 ... 84

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表目錄

表 2-1 ISO12944 大氣腐蝕分類和典型環境說明[5] ... 8

表 2-2 六輕歷年重要工安事故表 ... 10

表 2-3 台灣飛安統計 2007-2016[7] ... 12

表 2-4 犧牲陽極法與外加電流法之特點 ... 16

表 2-5 商用塗層成分厚度表[20] ... 18

表 2-6 ASTM D610 腐蝕面積與分級[30] ... 23

表 2-7 鍍鋅鋼板特徵頻率交流阻抗比較表[20] ... 30

表 2-8 PU 塗層特徵頻率交流阻抗比較表[20] ... 31

表 2-9 離岸風機塗層特徵頻率交流阻抗比較表[20] ... 33

表 2-10 CHM 空量測數據表[20] ... 33

表 2-11 標準電阻之 CID 與恆電位儀量測數據 ... 39

表 2-12 恆電位儀、CHM、CID 及 CID 2.0 之比較表 ... 44

表 2-13 標準電阻之 CID 2.0 與恆電位儀量測數據 ... 48

表 4-1 參考電阻 10⁸ohm 之 CID 3.0 對標準電阻之量測數據 ... 64

表 4-2 不同厚度 PCB 之 CID 3.0 對標準電阻之量測數據 ... 67

表 4-3 CID 2.0 對商用塗層試樣之十次量測數據 ... 69

表 4-4 CID 3.0 對商用塗層試樣之十次量測數據 ... 70

表 4-5 160 μm 環氧樹脂塗層試樣量測數據 ... 71

表 4-6 商用塗層試樣之量測數據 ... 72

表 4-7 商用塗層試樣之量測數據 ... 73

表 4-8 180 μm 環氧樹脂塗層量測數據 ... 74

表 4-9 標準電容量測數據 ... 77

表 4-10 RC 並聯電路量測數據 ... 78

表 4-11 RC 串聯電路量測數據 ... 79

表 4-12 環氧樹脂塗層試樣之連續監測試驗數據 ... 84

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1. ^第一章 ^前言

隨著全球暖化及能源危機的議題在全球日漸受到關注，近年來有許多國家意識到可再生能源的重要性，許多已發展及新興的再生能源受到關注，其中又以風力發電最為看好，自 1990 年以來，風力發電以每年 30%的速度成長，截至 2016 年全球裝置容量達到467.698 GW，為全球各類電力來源第 5 大。

風力發電分為陸域及海域，陸域風力發電需要使用大量空曠的土地興建風力發電場，才能生產足夠的電力，且需設置於遠離城鎮的地方，才能避免風機運轉形成的噪音汙染。為了解決陸域風場帶來的問題，許多風電開發商將風力發電移往離岸發展，離岸風力發電場雖然建設成本較高，但是海上擁有更為穩定的風力，因此離岸風力發電具有更高的發電效率，而離岸電場設置於遠離陸域的海上，亦解決了噪音汙染的問題。

近年來台灣對於再生能源的發展相當重視，不論是太陽能發電、海洋能發電及風力發電等，台灣的產業界以及學術界均投入了大量的研究與開發。風力發電為台灣再生能源中重要的發展項目，台灣因土地面積狹小，四面環海，群山繚繞，地狹人稠等特性，使得陸域風力發電的發展受到了很多限制，較難形成具有經濟規模的陸域風場，因此風力發電勢必得往離岸發展。台灣因為東北季風及西南季風的吹拂，

擁有絕佳的風能來源，又因為地理位置及地形等因素，使得台灣海峽海域擁有世界前十大風場，也為台灣的離岸風電發展帶來了極佳的條件。根據工研院於2013 年所做的研究，台灣的離岸風電可安裝面積達到 5640 平方公里，總裝置容量達到 29.37 GW[1]。

離岸風機等海上結構物由於長時間處在高濕度、高鹽度的環境中，導致其金屬部件遭受到嚴重的腐蝕問題，而台灣位於副熱帶氣候區，全年均溫偏高，使得離岸風機得面對更為嚴峻的腐蝕問題。離岸風機依腐蝕部位大致可分為五個部份：大氣帶、飛沫帶、潮汐帶、海中帶、海泥帶。大氣帶由於未與海水直接碰觸，海水中高

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濃度氯離子形成的破壞力較低，只要有適度的塗層防護即可達到保護效果；海中帶和海泥帶一般使用外加電流陰極保護法；飛沫帶是腐蝕最嚴重的區域，此區因為同時接觸空氣與水，又受到陽光的照射，在乾濕交替循環和紫外線的影響下，會對風機塔架的塗層造成嚴重的破壞，因此浪濺區的塗層需要透過定期檢查，確保其仍維持良好的保護效果。然而，為防止影響船隻的航行安全，離岸風場會設置在遠離航道的地方，使得離岸風機的檢測工作更難以執行，因此開發檢測塗層健康狀態的儀器變得至關重要，讓維修人員得以在塗層出現劣化情形的前期即時做出修補。

電化學交流阻抗頻譜(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)被認為是一種能準確測試塗層完整性的一種非破壞技術，因為 EIS 是很精密且敏感的檢測方法，為了防止受到外部環境的干擾，一般 EIS 會選在實驗室內以專用的實驗儀器進行檢測，但是專業儀器價格昂貴、體積龐大且檢測相當耗時，故不適合用於離岸風機現地檢測。在先前的研究中，本團隊利用現場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)配合訂製電路板，開發出離岸風機塗層健康監測儀，以電壓分壓的概念對未知塗層進行測量，不僅降低了硬體成本、大幅縮小儀器體積，更能快速的量測塗層健康狀態。本文對離岸風機塗層健康監測儀進行改良，

使其擁有更佳的量測極限，以及更穩定的量測性能，對離岸風機塗層健康狀態的檢測提供了更好的工具。

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2. ^第二章 ^文獻回顧

2.1 ^{離岸風電發展簡介}

離岸風力發電是指將風力發電廠建立於海上，由於海上的風力資源較陸上豐富，且風向更為穩定，因此離岸風力發電較陸域風力發電有更好的發電效率。至 2017 年底，全球離岸風電總裝置容量達到 18,814 MW，其中 84.4%位於歐洲，英國為全球離岸風電裝置容量最多之國家，占36.3%；德國位居第二，占 28.4%；中華人民共和國位居第三，占14.8%，由此可知離岸風電在全球受到相當的重視。

2.1.1 台灣風力發電現況

根據台灣電力公司的數據指出，台灣107 年再生能源約占台電發電量約 4.9%，

其中以風力發電及太陽電發電為大宗。根據2014 年國際工程顧問公司 4C Offshore 的全球「23 年平均風速觀測」，該研究指出世界上風力最強的 20 處離岸風場，其中有16 處即位於台灣海峽。主要原因是台灣的地理位置受到季風影響，台灣海峽在每年10 月開始吹拂東北季風，而台灣中央山脈與福建武夷山脈之間的長廊地形所形成的狹管效應，使季風經過時產生了加速的效果，讓台灣海峽平均風速可以達到罕見的12 m/s 以上，為台灣的風力發電帶來了巨大的天然優勢。

台灣的陸域風力發電廠多建在西部沿海及西部離島地區，自 1991 年台電於澎湖七美架設全台第一座風力發電廠，截至107 年 12 月底，台灣已經建置了 349 座風力發電機，其中包含民間機構的176 座以及台灣電力公司的 173 座，如圖 2-1 所示。

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圖 2-1 台灣陸域風力發電分布圖

由於台灣西部的陸域優良風場幾乎都已經開發完畢，若要有更多的風力發電產能，則風力發電機必須要往離岸發展。然而，不僅台灣面臨了陸域風場飽和的問題，以全球風力發電的發展來看，許多國家都已開始發展離岸風電。目前世界前三大離岸風電國家分別是英國、丹麥及德國，這些國家對於離岸風電的起步較早，對於離岸風機的製造、安裝及維護均累積了相當多經驗，而他們的風電開發商也計畫要往亞洲發展，因此台灣若能夠引進和學習他們的經驗與技術，將會對台灣的離岸風電有很大的幫助。

2.1.2 離岸風機介紹

離岸風機的結構主要分為四部分：基樁(Foundation)、轉接段(Transition piece)、

塔架(Tower)、發電機艙(Nacelle)，如圖 2-2 所示。如同地基一般，基樁會插入海床之中以支撐整個風機結構的重量，使離岸風機在受到強風及大浪時能屹立不搖；轉接段則是用來連接基樁與上方塔架的過渡結構，也是作為維修人員登塔的工作平

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台；塔架為風機在海平面以上的主要支撐物，負責支撐頂端的發電機艙與葉片；發電機艙負責發電機及齒輪變速箱等物件的保護，使其免受日曬雨淋。

圖 2-2 離岸風機結構示意圖

2.1.3 離岸風機面臨的腐蝕問題

離岸風機和陸域風機所處的環境截然不同，嚴峻的海上條件大幅增加了設計的困難，台灣的氣候與歐洲有很大的差異，颱風形成的強風大浪對風機的結構安全是一大課題，而台灣高溫高濕高鹽份的環境，使得腐蝕的發生更為劇烈，為了確保整體結構和發電機組的使用壽命及穩定性，防蝕保護為離岸風機設計的一大重點。

離岸風機結構依照腐蝕環境大致可分為五個部份：大氣帶、飛沫帶、潮汐帶、海中帶、海泥帶[2]，如圖 2-3 所示。

大氣帶由於未與海水直接碰觸，海水中高濃度氯離子形成的破壞力較低，只要有適度的塗層防護即可達到保護效果；潮汐帶因海水反覆漲退潮作用，在海水面上

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下方形成氧濃差電池，水面上方為陰極，腐蝕速率較低，水面下方為陽極，有飽和的溶解氧，腐蝕速率較高。海中帶長時間處於水面下，腐蝕速率受到海水溫度、含氧量等因素影響，淺海區域的溫度、含氧量較高，腐蝕速率較深海區域快；海泥帶是五個區域中溫度、含氧量最低，也是腐蝕速率較慢之區域，造成腐蝕的因素是生物附著與硫酸鹽還原菌的破壞。飛沫帶是腐蝕最嚴重的區域，此區因為同時接觸空氣與水，又受到陽光的照射，在乾濕交替循環和紫外線的影響下，會對風機塔架的塗層造成嚴重的破壞，如圖 2-4 所示，因此飛沫帶的塗層需要透過定期檢查，確保其仍維持良好的保護效果。

基樁屬於海中、海泥帶，一般使用外加電流防蝕及犧牲陽極防蝕；轉接段位於潮汐帶與飛沫帶，由於此區域會同時受到海水與陽光照射，使得腐蝕特別嚴重，一般使用高規格的抗蝕塗層搭配犧牲陽極防蝕，達到雙重防蝕的效果；塔架及機艙位於大氣帶，此區屬於乾燥的環境，使用防蝕塗層進行保護，而機艙則有空調及除濕設備，調控內部的溫度、濕度及鹽度，避免電子部件受到腐蝕而損壞。

圖 2-3 離岸風機結構腐蝕環境[2]

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圖 2-4 海上結構飛沫帶腐蝕情況[3]

2.2 ^{腐蝕介紹與危害}

腐蝕是指材料與周遭環境發生化學或電化學反正，進而導致材料劣解而失去其功能的現象。腐蝕是一種自然且緩慢發生的現象，不容易在短時間內被察覺到，

或是造成立即的危險，因此常被忽略，然而這些微小的損壞經過日積月累，往往會導致重大事故發生，造成難以挽回的後果。腐蝕的發生無所不在，日常生活中隨處可見腐蝕的蹤跡，小至螺絲、電線、門鎖，大至地下管線、鋼筋混凝土、橋梁、船舶，都與腐蝕脫不了關係，由此可見腐蝕不管對個人生活或是國家建設都有重大的影響，因此我們需要正視腐蝕造成的任何微小問題。

根據美國聯邦公路管理局於2002 年發表的「美國腐蝕損失與預防策略」報告，

此報告研究美國各個工程領域因為腐蝕所造成的經濟損失，指出美國於1998 年因腐蝕造成的損失成本高達 2760 億美元，約占當年美國的 GDP 3.2%，此數字已和天災所造成的損失相當，說明腐蝕是一件不容忽視的事情[4]。

依據國際標準組織(ISO)的大氣腐蝕環境分類準則 ISO12944[5]，將環境的腐蝕程度分為C1 至 C5 等級，如表 2-1 所示。台灣地處亞熱帶，屬於高溫、高濕及高

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鹽的海島型氣候，且工業發展相當蓬勃，因此在沿岸區域或工業區周邊環境皆為嚴重腐蝕 C5 等級，部份地區甚至超過 C5 等級，被標註為 C5+等級。以台 15 線 20K+205 林口高架鋼橋為例，該橋於民國 87 年開放啟用，其鍍鋅螺栓 6 年之平均消耗量為每年每平方公尺 120 克，以 ISO9223 之環境腐蝕分類，林口高架橋屬於 C5+等級，使得原先設計防蝕年限達 30 年的的鍍鋅螺栓，僅在 6 年間便消耗殆盡，

必須重新進行防蝕處理。

表 2-1 ISO12944 大氣腐蝕分類和典型環境說明[5]

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台塑麥寮工業園區內的台化芳香烴三廠於2019 年 4 月 7 日發生氣爆意外，經過初步調查指出，事發主因為液化石油氣管線因為腐蝕穿孔而洩漏引發大火，腐蝕穿孔管線因為位於廠區高處，平時不容易做確實的檢查，根據廠方資料推估該段管線已使用近十二年。所幸此次爆炸事故無人員傷亡，於事發時緊急撒離周遭村民餘一萬人，僅周邊房屋因爆炸導致磚牆倒塌和玻璃破裂，廠房輕鋼架天花板被震垮掉落，如圖 2-5，但因為停工仍影響月營收粗估達到 10 億元，可謂勞民又傷財。

圖 2-5 台化芳香烴三廠氣爆導致屋頂掉落

位於台灣雲林麥寮的台塑石化公司(簡稱六輕)，由於地處海邊，長時間受到高鹽份海風的吹襲，因此管線需要特別嚴密的檢查及維護，才能避免腐蝕造成工安意外，根據六輕公安網的資料顯示，六輕工業區從2010 年起至 2019 年間，共發生了 17 件爆炸及火災的事故，如表 2-2 所示，說明台灣沿海區域受到的腐蝕問題相當嚴重，只要稍有疏忽就有可能導致無法挽回的工安意外發生。

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表 2-2 六輕歷年重要工安事故表

日期說明

2010, 7/25 台塑公司麥寮輕油裂解廠煉製二廠重油外洩火災，無人傷亡。

2011, 3/29 台塑公司麥寮三廠輕油裂解二廠火災，約20 分鐘撲滅，無人傷亡。

2011, 5/12 南亞公司異辛醇廠（2EH 廠）公共管線起火。

2011, 5/18 5 月 12 日南亞公司異辛醇廠（2EH 廠）原管線內殘料持續滴漏，下方高溫蒸氣引發火警。

2011, 7/26 輸送氫氣公共管線火警。

2011, 7/30 台塑公司輕油裂解一廠火警，無人傷亡。

2011, 9/6 台塑公司麥寮一廠煉三廠液位計洩漏火災，無人傷亡。

2011, 9/14 台化公司苯乙烯廠施工火花引氣爆，2 名包商輕微灼傷，送醫無礙。

2012, 4/17 台塑公司輕油裂解廠第二套重油加氫脫硫程序火警，無人傷亡。

2012, 9/26 南亞公司壓縮機氣體熱交換器出口處法蘭洩漏，乙烯、甲烷等氣體外洩火警，

無人傷亡。

2013, 2/18 南亞公司丙二酚廠火警。

2014, 3/5 台塑公司煉油二廠第1 套重油加氫脫硫單元流量計導壓管法蘭洩漏火警，2 名工人輕度灼傷。

2014, 5/12 台塑公司氯乙烯廠氣爆，疑因設備老舊。

2014, 8/26 台塑公司麥寮一廠輕油裂解廠公用管線滴漏火警，由廠區消防隊撲滅。

2017, 3/21 台化公司聚苯乙烯廠（PABS）ABS 基粉超壓、閥蓋彈開、粉塵爆炸火災，濃煙冒出，無人傷亡。

2019, 4/7 台化公司芳香烴三廠，LPG 管線去丁烷塔破裂，無人傷亡。

(20)

1988 年 4 月 28 號，一架由夏威夷希洛飛往檀香山的 Aloha 航空 243 號班機，

在飛行途中其機體左前側一塊天花板突然破裂導致機艙瞬間失壓，駕駛艙後方到機翼部位的一大塊機艙天花板因而被撕裂而解體，如圖 2-6 所示。事故中有一機組人員被吸出艙外，其餘人員和乘客分別受到輕重傷。事後經美國國家運輸安全委員會(NTSB)調查證實，因為機艙天花板有些微裂縫，導致水分子滲透，產生機殼腐蝕與金屬疲勞[6]。

圖 2-6 Aloha 航空 243 號班機機體損壞圖[6]

從上述的例子可以知道，對於飛行安全而言，腐蝕是相當微小卻致命的存在，

甚至可能在肉眼無法察覺的地方，埋下重大事故發生的未爆彈。根據飛航安全調查委員會的台灣飛安統計[7]，於 2007 年至 2016 年間台灣有三件因為腐蝕而造成的飛安事故，如表 2-3 所示。

(21)

表 2-3 台灣飛安統計 2007-2016[7]

1. 事故直昇機因發動機失去動力迫降，其原因經檢查係壓縮器第 3 級轉子葉片斷落所致。其葉片斷落可能原因有二:(1) 轉子葉片之根部腐蝕孔引

發裂縫，該裂縫受高週負荷後持續延伸，至葉片根部過載而斷裂脫離；或 (2) 機匣覆層下方腐蝕，使塑膠覆材脫層並與轉子葉片尖端產生摩擦。

2. 壓縮器轉子葉片與機匣腐蝕之可能肇因，經判斷為於腐蝕環境下操作之發動機壓縮器維修失當。本型發動機維護手冊已明確警告:「腐蝕將使壓

縮器損壞，造成發動機失效」。 2014.12.18 1. 塑膠材質之廢水櫃出口管，因無法承受廢水系管路安裝產生之複式應力而斷裂。2. 廢水櫃出口管斷裂處滲漏之廢水長期於機腹內部低漥處匯集、蒸發，使氯離子濃度增加，造成蒙皮結構嚴重腐蝕，殘餘強度不勝航空器運作過程中產生之環狀應力，形成 30 吋(77 公分)之裂縫。 2007.09.20 1. 該機後紅邊旋翼減震器組件接頭破壞係因大氣腐蝕，其疲勞斷面逐漸擴展，致使組件接頭強度低於操作應力而斷裂。2. 該機飛行時間逾 600 小時未按適航指令 AD 91-03-01 定期執行週檢，顯示空勤總隊之適航查核失效。 2005.11.07 事故日期

凌天

航空中華內政部航空公司名稱

Bell-

206B3 B737-

800 B-234 機型

B-31019 B-16805 NA-

603 國籍登記號碼

無 CI7552 無航班號碼

Bell Boeing Boeing 航空器製造公司

礙掃

作業客運訓練航空器操作類型

0 N/A 7 乘客人數

2 N/A 3 組員人數

實質

損害實質損害實質損害航空器損害情形

2/輕傷 0/0 0/0 人員傷亡重傷/

死亡

15:25 N/A 12:30 起飛時間

彰化

市大

天宮

附近桃園機場台東豐年機場起飛機場

彰化

福興

鄉高

壓電塔日本佐賀台東豐年機場目的地機場

15:40 N/A 13:57 事故發生時間

礙掃

作業 N/A 關車飛航階段

彰化

福興

鄉高

壓電塔 N/A 台東豐年機場事故地點

(22)

以上例子皆反映出腐蝕造成的經濟損失與人命安全是不容忽視的，因此如何預防腐蝕是相當重要的課題。在工業應用中，最常用來防範腐蝕的措施為防蝕油漆的塗裝，藉由在材料外部塗製多層抗蝕塗層系統，塗層能隔絕結構物底材與外部環境的腐蝕因子接觸，阻止結構物發生腐蝕，然而塗層本身也可能因為腐蝕而造成劣化，因此針對塗層的劣化行為進行腐蝕監測即是本研究著重的重點。

2.3 ^{腐蝕的防治技術}

為了避免金屬與環境中的腐蝕因子交互作用而發生腐蝕，最直接的方法是將金屬與腐蝕環境隔絕，或是選用不易腐蝕的抗腐蝕材料。然而，腐蝕環境通常是相當嚴峻且無法避免的，抗腐蝕材料也因為製程及成份與一般鋼材不同，使得成本更高、而機械性質可能不如一般鋼材，當特定情況下不得不使用一般鋼材時，腐蝕的防治則顯得相當重要。一般腐蝕的防治方法分為兩大種類，包括電化學防蝕法與材料表面防蝕法，以下針對兩類方法進行介紹：

2.3.1 電化學防蝕法

電化學防蝕法又稱為陰極防蝕法，一般而言，金屬表面產生的局部電池反應是導致腐蝕的根本原因。若能有效縮小局部電池陽極與陰極之間的電位差，阻止電化學反應的發生，或是使被保護物處於陰極狀態，便可以達到防蝕的效果。陰極防蝕法是利用在電化學反應中陽極會發生腐蝕的原理，以人工的方式創造出一個設定好的環境，使需要受到保護的金屬底材端呈現陰極的狀態，則金屬在陰極區就不容易發生腐蝕行為。常見的陰極防蝕法可以分為兩種：犧牲陽極法(sacrificial anode) 與外加電流法(impressed current)[8]。

(23)

犧牲陽極法(Sacrificial anode)[9]

犧牲陽極法利用活性比受保護之金屬底材大很多的金屬或合金，將其固定或以電線連接於受保護之底材上作為陽極，形成一個電化學電池，強制使受保護的區域成為陰極，電子由陽極區之低電位金屬釋出，經由腐蝕環境流向陰極區之金屬。

換言之，犧牲陽極法是利用連接還原電位遠小於受保護金屬之金屬，讓需要被保護之金屬形成相對陰極，當受到腐蝕環境影響發生電化學反應時，由陽極之低還原電位金屬開始溶解，其作為犧牲陽極，進而使陰極處之金屬受到保護。圖 2-7 為犧牲陽極法示意圖，透過連接低還原電位金屬作為犧牲陽極，使被保護物受到陰極保護而不被腐蝕環境侵蝕而破壞。

圖 2-7 犧牲陽極法示意圖

(24)

外加電流法(Impressed current) [10, 11]

外加電流法原理與犧牲陽極法相似，目的都是利用改變環境使受保護之金屬成為陰極，而不受到腐蝕環境破壞。外加電流法使用的方法是以直流電源供應器與輔助電極(通常為鈍態金屬)將電子提供給陰極區受保護之金屬，使其成為電化學反應中之陰極區進而達到防蝕目的。電流經由直流電源之正端流經輔助陽極後，再自腐蝕環境流回到陰極區。圖 2-8 為外加電流法示意圖，透過連接鈍態金屬與直流電源供應器，並施予鈍態金屬直流電使其成為陽極區，並透過持續給予陽極區電流，

確保被保護物持續處於陰極的狀態，不受腐蝕環境腐蝕而遭受破壞。

圖 2-8 外加電流法示意圖

犧牲陽極法與外加電流法通常用於水中設施、船舶、海上結構、反應槽內部、

地下設施等。當金屬材料必須在腐蝕環境中使用，並且無法時時刻刻觀察金屬是否發生腐蝕的情況下，陰極防蝕法是最常被使用的防蝕方法。犧牲陽極法只要隔一段時間將作為陽極區之金屬塊更換即可；外加電流法則是持續給予鈍態金屬電流即

(25)

可達到防蝕作用，對於上述腐蝕條件下之金屬，可以達到相當有效之防蝕能力。表 2-4 為犧牲陽極法與外加電流法之特色與優點。

表 2-4 犧牲陽極法與外加電流法之特點

2.3.2 表面處理防蝕法[12]

表面處理防蝕法是一種被廣範應用在工業中防治腐蝕的方法，透過在金屬表面披覆保護層，以達到隔絕腐蝕因子的效果，依不同種類的塗層可以區分為金屬塗層與非金屬塗層，以下針對兩大類塗層進行介紹：

金屬塗層

各種金屬，如銅、鋁、鎳、鉻、銀等金屬材料，均可成為保護金屬材料的保護塗層，將其披覆在需保護之底材上，即達到抗腐蝕、耐磨耗等功能。依據金屬塗層的形式與披覆塗層的方法又可細分為五種：

犧牲陽極法外加電流法

1. 適用於不能使用電源的場所或移動之結構物。

2. 塗裝面或小規模分散的結構物等，成本較低。

3. 施工相對簡單，且幾乎不須監測。

4. 對鄰接的其他設施影響較少。

5. 不需要維持電源的費用。

1. 可大幅度調節適用電壓電流，適用於所有環境。

2. 腐蝕嚴苛或高電阻之環境需要較大防蝕電流之設施，以本方式較為經濟。

3. 電極設置空間小，可於狹窄場所使用。

4. 使用不溶性電池時裝置壽命較長。

(26)

(1) 熱噴塗層(Thermal Spray)[13]：熱噴塗材料經過熱源加熱至熔化或半熔化狀態，

用高壓氣流使其霧化並噴射於金屬材料上，霧化的熔融態粒子以高速打在金屬材料上，形成層狀結構並堆積集合成塗層。

(2) 熱浸鍍塗層(Hot Dip)[14]：將金屬材料浸入裝有熔融態金屬的浴槽內，使熔融金屬披覆於金屬材料上後取出，即可在金屬材料表面鍍一層熱浸鍍塗層。須注意的是金屬材料之熔點必須高於熱浸鍍金屬的熔點。常見熱浸鍍金屬有鋅、

錫、鉛、鋁等。

(3) 電沉積塗層(Zinc plating)[15]：又稱電鍍，利用電化學反應，將鍍層金屬置於陽極，被鍍金屬置於陰極，並置入含有鍍層成分的電解液中，並通入直流電，

如此一來，在陰極析出之鍍層金屬便會在被鍍金屬材料表面形成電鍍塗層。此方法之缺點是若電流分布不均則容易導致塗層厚度不均勻。

(4) 化學沉積塗層[16]：又稱化學鍍，操作時不須通入電流，而是添加還原劑於溶液中維持反應。此方法相對於電沉積塗層法可使得鍍層厚度較為均勻，品質較佳。經常應用於精密零件、深孔外表與內部的金屬鍍層。

(5) 氣相沉積塗層[17]：包括物理氣相沉積(Physical vapor deposition, PVD)與化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)，物理氣相沉積是指在真空及加溫至 200~500°C 的環境下，使鍍層材料汽化成原子、分子或是離子態，在工件表面沉積成塗層。化學氣相沉積則是指加熱到 1000°C 的真空環境下，混合氣體與金屬材料相互作用，使混合氣體中某種成份分解，並在工件表面形成金屬或化合物的塗層。

非金屬塗層

非金屬塗層包含有機塗層與無機塗層。有機塗層如油漆、環氧樹脂、聚胺脂等，

以高分子聚合物作為塗裝材料[18]；無機塗層如玻璃質琺瑯質、水泥塗裝、矽酸鹽塗層等[19]。有機塗層具有相當優異的抗蝕性，目前被廣為應用於日常生活中的各

(27)

式油漆幾乎都是以高分子有機塗層作為塗裝材料。有機塗層包含高分子聚合物、顏料、溶劑等組成，將塗料以滾塗、刷塗、噴塗的方式塗佈於金屬材料表面，待溶劑乾燥後形成有機塗層。無機塗層主要指矽酸鹽材料或礦物材料，在不同溫度條件下將無機塗層塗佈於金屬材料上，例如高溫熔融固化之瓷釉塗層，即為矽酸鹽瓷釉材料塗於金屬材料上並藉由高溫燒成來達到塗層塗裝效果；又如水泥、石灰等在常溫條件下以濕式塗佈於金屬材料上，與空氣反應乾燥後形成塗層。表 2-5 為商用塗層成分厚度表。

表 2-5 商用塗層成分厚度表[20]

Hemple 系統商用塗層

層數第一層第二層第三層

成分鋅粉+環氧樹脂玻璃鱗片+環氧樹脂聚胺脂

厚度 100μm 200μm 50μm

不論任何塗層，最主要的功用是將金屬材料與外界腐蝕因子隔絕，進而達到保護金屬材料的效果。為了有更多額外的效果，可能於塗層中添加各式物質[21]，例如鋅粉，同時藉由犧牲陽極與塗層保護的效果來提供金屬材料雙重保護。然而不論任何的塗裝塗層，皆有其壽命期限，塗層在腐蝕環境中亦會發生劣化行為，塗層的機械性質若不足便有可能使塗層遭受破壞。有鑑於離岸風機為了避免造成航行安

(28)

全，會選擇設置於遠離航道的區域，即是屬於較難到達的區域，而離岸風機屬於無人結構物，並不能夠很方便且定時的做結構腐蝕監控及防護。因此，離岸風機保護塗層除了需要具備良好的抗蝕性來保護金屬材料外，更需要有足夠的抗腐蝕性能來保護塗層本身的使用壽命。下一節將會介紹目前用來評估商用塗層使用壽命與檢測塗層是否遭受腐蝕因子攻擊而產生劣化的方法。

2.4 ^{塗層的腐蝕試驗技術}

影響塗層腐蝕的主要因素包含材料本身的特性及環境因子，前者包含材料的化學成分、塗裝製程等，後者則包含所有侵蝕性物種的變化。由於影響的因素很多，

因此腐蝕試驗便會依據使用環境、試驗場所、腐蝕型態或測試技術等，而有不同的做法及用途。常見的腐蝕試驗方法包含暴露試驗法(現地試驗法、鹽霧試驗法)及實驗室試驗法(如浸泡試驗法、電化學檢測)。以下針對幾種業界常用的腐蝕試驗方法進行說明：

2.4.1 現地試驗法[22]

評估塗層對於腐蝕環境抗腐蝕能力與使用壽命最直接的方法，便是將覆有塗層之試片放置於實際的腐蝕環境中，並藉由長期觀察試片的毀損劣化狀況進而評估此塗層對應於此腐蝕環境的特性。此方法之優點在於數據的可信度高，由於塗層腐蝕劣化狀況與劣化時間皆是放置於實際腐蝕環境中經過長時間觀察所獲得的結果，而非藉由模擬環境等方式來推測，因此數據能夠真實的呈現出該塗層於此特定地點的抗蝕能力。但因為需要長時間的觀察，此方法的時間成本相對較高，通常具有良好抗蝕性的商用塗層可能擁有在腐蝕環境中放置十年以上都不會毀損的抗蝕性，必須要等到塗層劣化才能確認此塗層的性能，若需要在短時間內就得到結果，

則此評估方法並無法很即時的提供資訊。

(29)

台灣為高溫、高濕、高鹽分的海島環境，造成公共工程結構物腐蝕嚴重。依照過往經驗顯示，引用國外大氣腐蝕數據進行腐蝕速率評估與防蝕設計，常有未達設計年限就已鏽蝕損壞的情形。2009 年起由交通部港灣研究中心繼續執行相關「大氣腐蝕因子調查與環境分類資訊系統」研究，並與中華民國防蝕工程學會等十個單位，結合產官學界共同推動為期十年之「金屬材料長期曝放試驗與資料庫建置計畫」

研究，期待藉由上述之研究成果能建置完成台灣大氣腐蝕環境分類，以做為新建與既有結構物耐久性、防蝕設計及維護管理之參考[23]。圖 2-9 為該研究中心於觀測地點所放置的板狀金屬現地試驗試樣。

圖 2-9 板狀金屬現地試驗[24]

2.4.2 ^{腐蝕環境浸泡試驗法}[25]

腐蝕環境浸泡法為實驗室常用的模擬腐蝕溶液的測試方法，將覆有塗層的金屬材料試片浸泡於模擬海水環境的 3.5wt%氯化鈉水溶液中，依據 ISO 12944-2 腐蝕環境分類[5]，海洋環境的等級為 C5-M 是最嚴苛的腐蝕環境等級，因此藉由浸

(30)

泡在模擬海水環境中經過長時間的觀察來評估塗層在腐蝕環境中的抗蝕能力。如此除了能加速塗層的劣化速度之外，若塗層在最嚴苛的模擬環境中具有良好的抗蝕能力，則根據此結果可以推估此塗層在其他腐蝕環境中亦具備良好的抗蝕性。雖然模擬嚴苛海水的腐蝕環境對比於現場環境測試方法可以大幅度縮小塗層劣解的時間，但是對於商用塗層而言，此方法依舊需要花費許多時間。以離岸風機塗層為例，離岸風機架設於海洋環境中，其保護塗層須具備至少十年抵抗海洋環境腐蝕的能力，若只以 3.5wt%氯化鈉模擬海洋環境的浸泡測試，仍然需要花費相當長的時間。對於抗蝕性較差的塗層如鍍鋅鋼板等，模擬海洋環境的浸泡實驗便足以使鍍鋅鋼板在短時間內產生劣化行為，因此腐蝕環境浸泡法較適合用於評估抗蝕性較低的塗層在腐蝕環境之劣化行為。

2.4.3 鹽霧試驗法[26-28]

腐蝕試驗是以人工的方式創造出一個嚴苛的腐蝕環境，用以模擬現實生活中高腐蝕環境對試片的損壞程度。過程中利用鹽霧試驗機對塗層噴灑鹽霧，並控制溫度、鹽霧濃度，創造出一個比海洋環境更為嚴苛的腐蝕環境，利用鹽霧試驗可以大幅度縮短塗層在腐蝕環境中產生劣化所需的時間。根據ASTM B117 之換算[29]，

1 小時的鹽霧測試，約等於 5 天的海洋環境天數，15 天的自然暴露環境天數；24 小時的鹽霧試驗則幾乎等於暴露於自然環境中一整年的時間。如此大幅度的縮短塗層產生劣化所需要花費的時間，其應用價值遠高於現地試驗法與腐蝕環境浸泡法，鹽霧試驗也是目前工業上最常使用來評估塗層優劣的方法。依據ASTMB117- 03 所訂定之規範，鹽霧試驗機使用腐蝕溶液之鹽水濃度為 5wt%，試片傾斜角度設定為30 度，飽和空氣溫度設定為 35 攝氏度進行鹽霧試驗。並根據 ASTM D610-08 規範量測腐蝕面積[30]，藉此評估各種塗層的腐蝕等級。鹽霧試驗儀器設備及試樣擺放如圖 2-10、圖 2-11 所示。腐蝕等級規範如表 2-6 所示

(31)

圖 2-10 鹽霧試驗機

圖 2-11 鹽霧試樣擺放示意圖

(32)

表 2-6 ASTM D610 腐蝕面積與分級[30]

Visual Examples

Rust Grade Percent of Surface Rusted Spot(s) General(G) Pinpoint(P)

10 Less than or equal to 0.01 percent None

9 Greater than 0.01 percent and up to 0.03 percent 9-S 9-G 9-P

0 Greater than 50.0 percent None

(33)

2.4.4 電化學分析法

電化學分析法相較於鹽霧試驗法，可以在更短的時間內得知塗層的抗蝕能力，

且電化學分析法可以藉由數據的方式來呈現結果，有了數據的佐證便能夠更有力的說明塗層的抗蝕能力，克服了鹽霧試驗法僅能夠透過目視來評估塗層抗蝕能力優劣的這個缺點，因此電化學分析法應用於塗層的腐蝕評估與檢測上更具有優勢。

電化學分析法包括：(1)開路電位法(Open-Circuit Potential, OCP)；(2)線性極化阻抗量測(Linear Polarization Resistance, LPR) ； (3) 交流阻抗頻譜法 (Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)。以下將分別進行介紹：

開路電位法(Open-Circuit Potential, OCP)

開路電位法是基於金屬或合金的開路電位與腐蝕狀態之間的關係，具有活性- 鈍化的金屬或合金系統可以透過開路電位的量測及監測來確定他們的腐蝕狀態。

此方法可以在不改變金屬表面狀態、不擾亂待測系統的條件下而獲得電位資訊，進而判斷系統目前是處於活化、鈍態或是已產生孔蝕的狀態。由開路電位可以得到兩種重要資訊：第一，觀察在試驗量測時間內試片的開路電位需要耗時多久才達到平衡，以此界定等待 OCP 所需之時間是否足夠；第二，可以得到材料表面腐蝕情況和表面形成鈍化膜的穩定情形，其電位越高表示其越不易腐蝕且代表有氧化膜覆蓋在表面。

線性極化阻抗量測(Linear Polarization Resistance, LPR)

線性極化阻抗量測法(簡稱線性極化法)是一種電化學快速量測金屬腐蝕速率的方法，通過量測腐蝕過程中表面極化電阻的變化來計算腐蝕速率。線性極化法是在1957 年由 Stern 等人所提出：

當電流流過電極時，如果單位時間內被移走的電子不能夠及時的被陽極反應補足，或陰極反應來不及消耗輸送過來的電子，則在電極表面會出現多餘的電荷累積，使得電極電位偏離平衡電位，這樣的現象我們稱作是極化(Polarization)，而

(34)

電位偏移量則稱作過電位(Overpotential)或是極化電位 ΔE。當極化電位 ΔE 很小時，

由Wagner 與 Traud 提出的混合電位理論所推導出來的腐蝕速率方程式：

!"

!# = 𝑅_& = ^'⁽^'⁾

*.,('₍.'₎)× ¹

2₎₃₄₄ 2-1 式

此為Stern-Geary 方程式[31]，它表示了金屬的腐蝕速率(icorr)與其 Rp成反比。

透過Rp的比較就可以判斷金屬在不同環境下的抗蝕能力。當ΔE 很小時(通常是在 50mV)，極化曲線會呈現線性關係，而此線的斜率即稱為是極化電阻 Rp。求得 Rp

後，由於ba與bc分別為陽極與陰極的塔弗(Tafel)斜率(ba=2.3RT/βnF)，一般在計算時為了節省時間會將ba與bc假設為0.1 V。如此一來 Stern-Geary 方程式可以再次簡化為：

𝑖₆₇₈₈ = 0.022 × ¹

;_< 2-2 式

從 2-2 式可以得知，若能夠利用線性極化法求出極化電阻 Rp，我們就可以快速推算出腐蝕電流值，也就是腐蝕速率(icorr)。進行線性極化法腐蝕監測時，給予待測試樣的極化程度很小，僅在±20 mV 以內，使得電極表面幾乎不會偏離其穩定狀態，再加上量測過程所需的時間很短，因此線性極化法很適合用於檢測人員在現場時的現地監測。

交流阻抗頻譜法(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)

交流阻抗頻譜法的原理，透過控制微小振幅的交流正弦波電位隨時間規律變化通過待測的電化學系統，並同時測量此系統對應的電流隨時間變化的關係，或是直接量測系統的交流阻抗值，進而分析電化學系統中的反應機構。若將 EIS 應用在塗層系統中，可以利用電子元件進行等效電路模擬，即可分別計算出塗層電阻值、

(35)

塗層電容值以及塗層下方金屬底材在腐蝕過程中的極化電阻、電雙層電容等重要的腐蝕動力學參數，這些數據都有助於了解塗層與金屬底材腐蝕反應的訊息。由於交流阻抗法是以施加小振幅的交流電位對塗層系統進行擾動，一方面可避免對系統產生過大的干擾，另一方面也使擾動系統與回饋訊號之間呈現線性關係。由於小振幅的擾動，交流阻抗法具有非破壞檢測的優點，加上可以獲得比其他電化學方法還要多的電極界面資訊，以及可以在較寬廣的頻率範圍內做量測，因此近年來交流阻抗頻譜法被廣泛應用在塗層劣化的研究中[32-40]。然而由於較大頻率範圍內的量測所需花的時間很長，導致很難達到即時檢測的效果，因此傳統的電化學儀器並不適合用於即時監測，再加上電化學儀器昂貴，同時必須搭配筆記型電腦進行數據處理，因此交流阻抗頻譜法較少應用於戶外的固定式現地量測。

腐蝕監測的目的在於即時了解結構物受腐蝕的狀態，並進而實現對腐蝕的控制與保護，因此腐蝕監測的方法應滿足下列幾項基本要求：(1)具有足夠的可靠度，

可進行長時間的監測，同時具有適當的精準度及量測再現性；(2)監測設備精簡且架設容易，同時無須檢測人員到現場進行操作；(3)監測設備具有足夠的靈敏度及反應速率，測量過程省時，以滿足自動預警及自動控制的要求；(4)操作及維護簡單。上述幾種常見的腐蝕量測技術雖然都符合具有足夠的可靠度、同時具有適當的精準度及量測再現性等良好性能的表現，然而大多腐蝕量測技術都只適用於實驗室研究，最主要的原因就在於這些腐蝕量測技術所需要利用到的設備多且複雜，例如常見的電化學交流阻抗量測，除了待測的試樣外，量測過程中還需要相當大體積的恆電位儀、電源供應器、參考電極、輔助電極及燒杯等一同架設才有辦法進行量測。因此若要將這些腐蝕量測技術應用在離岸風機上，如何克服眾多的量測儀器需求便是一個難題。目前這些腐蝕量測技術目前都須仰賴人力在現場執行，然而離岸風機屬於無人結構，同時離岸風力場都遠離航線，檢測及維修人員無法頻繁的到現場，因此如何賦予腐蝕監測遠端遙控及遠端傳輸的功能亦是一個重要的課題。

(36)

2.5 ^{塗層損傷監測儀} (Coating Health Monitor, CHM)[41, 42]

塗層損傷監測儀(Coating Health Monitor, CHM)，由美國 ElectraWatch 公司所研發之電化學塗層損傷監測儀，專門設計給美軍的地面車輛使用，用來監測車輛底盤的烤漆是否完整。外觀如圖 2-12 所示，長 8 公分、寬 8 公分、高 4 公分，與傳統實驗室用來進行電化學量測的儀器-恆電位儀相比，CHM 的體積縮小許多。CHM 內部構造如圖 2-13 所示，包含電路系統、電池座、電池，由電路系統將量測到的交流阻抗數據遠端傳送至電腦接收器，如圖 2-14 所示。CHM 可適用於監測戰車、

裝甲車、汽車等底盤塗層，當冬天遇上下雪，車輛底盤會長期暴露於潮濕的腐蝕環境中，因此底盤塗層的保護相當重要。傳統實驗室用來量測的電化學儀器體積大、

儀器架設複雜。CHM 體積小、架設簡單、量測迅速、定時監測、可遠端傳輸等優點，更能夠實際應用於生活中量測塗層的交流阻抗。

圖 2-12 CHM 外觀圖[20]

(37)

圖 2-13 CHM 內部構造圖[20]

圖 2-14 CHM 遠端傳輸接收器[20]

CHM 在交流阻抗的量測上與傳統恆電位儀不同的點在於，CHM 並非在選定的頻率範圍內進行交流阻抗量測，而是僅針對特定的特徵頻率進行量測，此特徵頻率分別為0.2Hz、0.5Hz、0.9Hz。選用此特徵頻率的原因為：一般量測塗層的交流阻抗時，當塗層因為腐蝕而開始產生劣化，在高頻部分的交流阻抗值並不會有明顯的改變，但在低頻部分則會有較為明顯的下降變化。圖 2-15 為 PU 塗漆塗佈於鍍鋅鋼板之試片浸泡於腐蝕環境中三週的交流阻抗圖，在高頻區域(10¹~10⁵Hz)之交流阻抗值在經過 21 天腐蝕溶液浸泡之後，並無明顯的變化現象；在低頻區域 (<10¹Hz)則可以明顯看到交流阻抗值因為塗層劣化而產生大幅度下降(2 個數量級)。

(38)

圖 2-15 PU 塗漆試片交流阻抗圖[20]

由上例可知，若低頻區域的交流阻抗值有大幅度下降的現象發生，便可推測此時的塗層可能在腐蝕環境中產生劣化行為而失去了保護效果，必須進行維謢處理否則可能導致底材受到腐蝕的破壞。低頻區域的交流阻抗值變化趨勢較為明顯，能夠作為判斷塗層狀態的依據，因此CHM 在交流阻抗的量測頻率即選用位於低頻區的0.2Hz、0.5Hz、0.9Hz。

塗層損傷監測儀(CHM)^性能驗證[20]

李忠縈"離岸風機防蝕塗層性質監測技術之開發及應用”文中提及，為了驗證 CHM 的實際量測性能和傳統恆電位儀性能是否相近，因此和台灣電力公司商借一台CHM 進行測試。文中對鍍鋅鋼板、PU 塗層和實際離岸風機塗層進行量測，並比較CHM 與恆電位儀的量測結果，以驗證 CHM 的性能是否足以應付離岸風機所使用的商用高規格塗層。

首先為商用鍍鋅鋼板之交流阻抗量測結果，一般而言鍍鋅鋼板由於抗蝕性差，

所以交流阻抗相對較低。量測結果如圖 2-16 所示，藍色及粉色曲線為傳統恆電位儀所量測之交流阻抗Bode-Magnitude 及 Bode-Phase 圖，量測頻率為 10^-2~10⁵Hz。

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對應的頻率位置上，實際量測值如表 2-7 所列。由圖 2-16 與表 2-7 可觀察到兩種儀器所量測到的塗層阻抗值相當接近，阻抗值約為10²~10³ ohm*cm²之間，塗層阻抗值隨著頻率變化而改變的趨勢相當一致。

圖 2-16 鍍鋅鋼板交流阻抗圖[20]

表 2-7 鍍鋅鋼板特徵頻率交流阻抗比較表[20]

單位：ohm*cm² 0.2 Hz 0.5 Hz 0.9 Hz

恆電位儀 394 317 276

CHM 380 280 238

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接著探討PU 塗層試片之交流阻抗量測結果，相對於鍍鋅鋼板而言，PU 塗層具有較高之抗蝕性與交流阻抗值。量測結果如圖 2-17 所示，實際量測數據如表 2-8 所列。由圖 2-17 與表 2-8 之結果顯示 CHM 不只在低交流阻抗部分之量測結果與恆電位儀相近，阻抗值約為10⁶~10⁷ ohm*cm²之間，較高交流阻抗部分之結果也與恆電位儀相差不多。

圖 2-17 PU 塗層交流阻抗圖[20]

表 2-8 PU 塗層特徵頻率交流阻抗比較表[20]

單位：ohm*cm² 0.2 Hz 0.5 Hz 0.9 Hz 恆電位儀 1.82*10⁶ 1.77*10⁶ 1.71*10⁶

CHM 1.6*10⁶ 1.2*10⁶ 1.15*10⁶

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除了以低抗蝕性的鍍鋅鋼板與PU 塗層之外，文中亦使用實際風機防蝕塗層試片進行測試。在上述的實驗結果中顯示，CHM 針對較低抗蝕性之鍍鋅鋼板與 PU 塗層之交流阻抗量測數據皆與恆電位儀所量測之數據相近且具有一致性。在確認較低抗蝕性塗層量測交流阻抗之結果後，將以具有較高抗蝕性之離岸風機塔柱上防蝕塗層進行高交流阻抗量測實驗。

高抗蝕性之離岸風機塗層量測結果如圖 2-18 所示，由恆電位儀所量測之 Bode 圖可觀察到相較於低抗蝕性的鍍鋅鋼板或PU 塗層而言，風機塗層在三個特徵頻率的交流阻抗值比鍍鋅鋼板或PU 塗層高出許多，約 10⁹ ohm*cm²。而CHM 量測到之數據如表 2-9 所示，由表中發現到 CHM 在三個特徵頻率的交流阻抗值皆為 5*10⁸ ohm*cm²，與恆電位儀量測到的阻抗值不符。

圖 2-18 離岸風機塗層交流阻抗圖[20]

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表 2-9 離岸風機塗層特徵頻率交流阻抗比較表[20]

單位：ohm*cm² 0.2 Hz 0.5 Hz 0.9 Hz 恆電位儀 3.4*10⁹ 1.6*10⁹ 0.97*10⁹

CHM 5*10⁸ 5*10⁸ 5*10⁸

根據離岸風機塗層的量測結果，CHM 在量測高阻抗的塗層時無法發揮正常功能，為了查明CHM 無法準確量測到離岸風機塗層的原因，在不架設任何量測試片時直接以CHM 進行空量測，並觀察沒有待測物時 CHM 會產生何種數據。結果如表 2-10 所示，直接使用 CHM 進行空量測時的結果皆為 5*10⁸ ohm*cm²，由此部分的實驗結果推測，前一部分的塗層阻抗值超過CHM 的量測極限，因此只能顯示最高的5*10⁸ ohm*cm²，或是意謂著CHM 實際上皆在進行空量測，並沒有量測到塗層的阻抗值。

表 2-10 CHM 空量測數據表[20]

單位：ohm*cm² 0.2 Hz 0.5 Hz 0.9 Hz CHM 空量測 5*10⁸ 5*10⁸ 5*10⁸

CHM 的設計目的是簡化傳統恆電位儀複雜的設備，達到好攜帶及好安裝等有利於實際應用的特點。然而，為了縮小體積勢必要對電路系統進行大幅度的簡化，

量測結果的準確性便無法與傳統恆電位儀完全相同，但CHM 的設置目的是為了能夠偵測到塗層劣化後阻抗值下降的趨勢，只要CHM 與恆電位儀量測結果的趨勢一致，則其量測到的數據有些微誤差仍是可以被接受的。要將CHM 應用在離岸風機上最大的問題，是CHM 的量測極限值不夠高，離岸風機商用塗層擁有高規格的抗蝕能力，阻抗值一般位於10⁹ ohm*cm²以上，而CHM 的量測極限為 5*10⁸ ohm*cm²，因此CHM 仍不適用於離岸風機的塗層腐蝕監測，如何建立一個能夠量測高阻抗的系統，以符合離岸風機塗層監測的需求，便成為一個重要的課題。

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2.6 ^{塗層阻抗監測儀} (Coating Impedance Detector, CID)

由於CHM 的量測極限仍不足以應付高規格的商用塗層，因此本團隊便開始進行適用於離岸風機高阻抗塗層的塗層阻抗監測儀(Coating Impedance Detector, CID) 之研發。目前本團隊共開發出兩個版本的CID，分別是第一代及第二代 CID，以下將分別進行介紹：

2.6.1 第一代塗層阻抗監測儀 (CID) [20, 43]

塗層阻抗監測儀是一利用焊接於電路板上之參考電阻(Reference Resistance )、

運算放大器(Operational Amplifier)等電子元件，透過電路規劃設計出一套能夠直接量測塗層交流阻抗之工具。CID 藉由一微小印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB) 為中心連接所有需要的外部儀器，電路板外觀如圖 2-19，PCB 板使用雙層 FR-4(玻璃布、環氧樹脂)製作，面積大小為 4*4cm²，成品厚度為1mm，使用 SMA 接頭連接示波器、波形產生器，以外接Pin 角連接電源供應器提供電路板±2.5V 的工作電壓。

圖 2-19 CID 電路板外觀及連接配置圖

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CHM 與恆電位儀量測塗層交流阻抗之方法，為利用二極式或三極式等架設方法，對塗層表面進行交流阻抗量測。工作電極與輔助電極使電路導通，參考電極作為開路電位量測之參考電位，便針對開路電位施加一微小交流電位擾動於待測系統，並量測系統的電流響應進而換算出塗層之交流阻抗值[44]。

CID 與 CHM 及恆電位儀不同的地方在於，CID 並不進行開路電位之量測，而是直接給予待測系統一微小交流電位，原理如圖 2-20，未知的待測塗層在電路上可看成一個等效塗層阻抗 ZC，當它和參考電阻Zref串聯時，根據電壓分配定則可以了解各負載分到的電壓與其阻抗成正比關係，因此CID 藉由量測 V1、V2 電壓值，並利用2-1 式來計算未知的待測塗層阻抗。

𝑉2 = 𝑉1 ×

^?⁾

?_4@A.?₎

2-1 式

圖 2-20 電壓分配定則

CID 的實驗架設全貌如圖 2-21 所示，我們將一個透過訊號產生器所產生之 500 mHz、10 mVpp峰對峰值正弦波輸入到電路板，將未知的待測塗層試樣之底材連接至低壓端，浸入測試溶液的碳棒連接至高壓端，藉此和電路板上已知的參考電

(45)

號，擷取到之波形數據將透過Matlab 進行傅立葉變換分析。由於 Zref 為已知，便可由2-2 式推算出待測物之阻抗 Zc值。

𝑍

₆

= 𝑍

_8CD

×

^E*

E1FE* 2-2 式

圖 2-21 CID 實驗架設全貌

非反向放大器電路如圖 2-22，訊號源 Vs由運算放大器(Operator Amplifier，OP) 之同相輸入端(+號端)輸入，因此輸入訊號和輸出訊號同相位，再藉由負回授 (Negative Feedback)的方式將 Vo連至OP 之負號(−)端，假設其為理想運算放大器，

則輸入阻抗為無限大(即 I- = 0 )，可透過虛短路的觀念得到 V + (= Vs)=V−，又引入克希荷夫截點電流守恆得知通過R1的電流I1和通過R2的電流I2存在ㄧ關係式I1 = I2 + 0，轉換成電壓形式則變成 ^E³_;^FE^G

H = _;^E^G

I+ 0，移項後可得到電壓放大率(Amplifier voltage, Av)。即可透過配置 R1和R2之值，調控放大器增益Av，如 2-3 式。

電壓放大率𝐴_L =^輸出電壓^E³

輸入電壓E_G = 1 +^;^H

;_I 2-3 式

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圖 2-22 非反向放大器電路圖

將非反向放大器電路演化，利用負回授將Vo連接OP 的倒相輸入端(−)端，但 V-端不接地，此種做法稱為單位增益緩衝器(Unity-Gain Buffer)，並將回授電阻變為零，使輸出電壓直接回授至倒相輸入端，而R2 被開路，回授量為 100%。

由於 CID 的電路是設計用以量測高阻抗之待測物，因為輸入到待測物的交流電位非常微小，在量測高阻抗物體時容易導致信號通過待測物的電流非常小而出現負載效應，為防止產生漏電流的情況，針對 CID 的電路設計進行改良，在 V1 和 V2 兩處各添加一顆 OP 作為緩衝器(buffer)。這一個電壓增益為 1 的 OP 可以確保接收到的微小訊號不會失真，使後端電路能準確擷取原始訊號，改良後之電路設計如圖 2-23 所示。