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，高溫、高溼與高鹽份的環境，加上空氣污染的結果，腐蝕環境嚴重。歷年來公共工程建設常引用國外大氣腐蝕數據進行腐蝕速率評估與防蝕設計，結果常有未及設計年限就已銹蝕損壞的情形，造成人民使用與生命安全的威脅。有鑑於此，本土化大氣腐蝕因子的調查與掌握，對金屬與鋼筋混凝土結構物耐久性防蝕設計的影響，有其重要性。自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，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，本研究彙集過去中央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鹽沉積速率數據，進行台灣本島大氣腐蝕環境分類。
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、空氣中的氯鹽沉積速率與二氧化硫濃度，各參數之資料來源如下：(1).濕潤時間：為1971至2000年間中央氣象局全島各氣象站之相對濕度統計值；(2).氯鹽沉積速率：為1987至1992年間分別由工業技術研究院、台灣大學、台灣電力公司或成功大學進行大氣暴露試驗時所測得之氯鹽沉積速率，(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。
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0 ℃，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。圖一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)的計算是以相對濕度大於80%的月數與720 hours/month之乘積表示。
圖一、台灣本島各地區相對濕度大於80%的月數
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，如圖二所示。
圖二、台灣地區氯鹽沉積速率
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SO42-會再和鐵循環作用，加速腐蝕反應。圖三為依據環保署於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/m3)之柱狀圖。
圖三、台灣地區SO2濃度
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，工業技術研究院與台灣大學分別於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。圖四為大氣腐蝕環境分類結果；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。
圖四、台灣大氣腐蝕環境分類- 以環境因子區分
熱浸鍍鋅服務壽命評估
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，如圖五所示，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。但以ISO 9223之環境腐蝕分類，如圖六所示，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。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」。
圖五、日本地區之熱浸鍍鋅耐用年限
圖六、鋅在ISO 9224 steady state 之耐用年限
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交通部運研所港灣技術研究中心委託「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)的沉積速率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，本研究亦針對碳鋼、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)碳鋼：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，取樣頻率為每季與每年一次，藉以探討季節、年期與區域性之大氣腐蝕因子與金屬腐蝕速率變化的關係，並完成台灣地區大氣腐蝕環境分類。
作者：羅俊雄
出處：工業材料雜誌253期
★詳全文：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6590