腐蝕監測整合技術及其應用價值：材料世界網

美國在2001年完成的最新版腐蝕調查報告中，工業界每年因為腐蝕問題而造成的直接損失高達2,760億美元，約為美國國內生產毛額（GDP）的3.1%，而間接損失金額保守估計約與直接損失金額相當，是故腐蝕造成之整體損失金額高達GDP之6%。除了工業設備損失外，材料腐蝕亦會造成人員安全和環境污染等重大危害事件，因此如何控制和降低腐蝕損失不僅成為一個重要的技術課題，也是一個不可輕忽的經濟議題。

台灣雖然未曾進行過類似的腐蝕損失調查，但是研究顯示台灣同時具備了海洋大氣環境和工業大氣環境兩種特性，兩者加總形成了大氣環境腐蝕性分類的最高等級嚴苛腐蝕環境，因此相信其所造成的腐蝕損失應達到台灣GDP的6%以上。

選擇並應用適合的腐蝕監測技術即是腐蝕防治對策的主要方案之一，除了得以達成降低腐蝕損失的效益之外，亦可以同步提升製程設備的可靠度，以及達成確保工業安全和維護環境保護等多重目標，不失為一個經濟有效的降低成本對策。

常見的腐蝕監測方法
腐蝕監測技術涵蓋有各式物理方式、電學方式、磁學方式、聲學方式、化學方式、電化學方式…等，在此僅就工業界常用的腐蝕監測方法做一簡述。

腐蝕試片法
各種腐蝕監測方法中最簡單、直接的就是將腐蝕試片（corrosion coupon）放入使用環境中，經過預設時間後取出評估，由試片之重量變化量及腐蝕形態來評估操作設備之腐蝕狀況。腐蝕試片法的主要缺點為測試耗時甚久，方可取得腐蝕速率和腐蝕型態等資訊。另一項缺點為只能得到測試期間的平均腐蝕速率，而無法獲得瞬間或暫態條件下的腐蝕速率，如圖一所示。但是在裝置他種腐蝕監測儀器的製程設備中，多半仍會採用腐蝕試片測試法作為參考和比對用。

圖一、即時腐蝕速率vs.平均腐蝕速率
資料來源：工業材料雜誌253期

壁厚量測法
應用超音波技術量測現有製程設備或管線之壁厚值，乃工廠慣用的設備狀況診斷和殘餘壽命預測方法。採用此法毋需在製程設備上增設測試儀器侵入點，但是需要建立一套完整的檢測紀錄資料庫以及檢測計畫，預先規劃出檢測方法、測厚點數量和分佈位置、定期檢查的時程和頻率，再由測厚數據估算出平均腐蝕速率，以及比對是否已接近設備需進行汰換的最小殘餘壁厚值。如需進行管線維護或更新，確認可使用的維修方法或替代方法，以及維修後對於現存維修的影響。

電阻量測法（ER腐蝕監測）
金屬材料若因腐蝕反應而肇致管壁减薄或產生局部缺陷，必引起此區域的電阻值隨之改變，因此藉由電阻值的變化量可以估計出腐蝕減薄量，進而計算出腐蝕速率，此種腐蝕監測技術稱之為電阻監測（electric resistance, ER）。圖二所示為以細長金屬線條作成環圈狀的各種型式電阻探頭，當電阻探頭暴露在腐蝕環境時，圈環的橫截面積因腐蝕作用而縮減，使得圈環的電阻值上升，用高精度電阻計可量到圈環的電阻值隨腐蝕而改變，經由適當的轉換公式即可由電阻值變化計算出腐蝕速率；由於金屬電阻值會受溫度影響，因此ER儀器多有自動溫度補償校正功能。

圖二、各式不同設計之ER腐蝕探頭，通常探頭前端之偵測元件外圍設有保護套管
資料來源：工業材料雜誌253期

電阻探頭的優點是可以應用在各種腐蝕性環境中，進行連續的現場偵測。但是電阻探頭在使用上有其限制，首先只適用於均勻腐蝕速率的量測，較不適合監測孔蝕或應力腐蝕等局部腐蝕現象。再者，若有導電性沈積物附著在探頭表面，將引起測量誤差。另外，電阻探頭無法瞬間偵測出腐蝕速率，其反應時間視環境腐蝕性和探頭靈敏度而異，一般而言遠較電化學監測方法為長。

電化學監測法
1. 線性極化阻抗（LPR腐蝕監測）
若金屬材料在水溶液環境中的電化學極化程度極小時，金屬表面因為極化而遭致破壞的程度將非常低，其電流與極化程度將呈線性關係，因此稱之為線性極化阻抗（linear polarization resistance, LPR）。進行LPR腐蝕監測時，通常極化程度很小，僅為±20 mV，電極表面狀態幾乎不偏離其恆穩狀態，因此LPR技術適合應用於長期且連續的腐蝕監測。但是LPR技術為一種電化學測量方法，因此存在具有適度電導性的電解質為必要條件，因此在高純度的去離子水環境中無法使用此種監測技術。

2. 電化學雜訊分析（electrochemical noise analysis, ECN）
利用三電極式腐蝕探頭進行ECN分析時，其中一個電極作用為參考電極，另外二個電極則作用為工作電極，並呈短路狀態，亦即金屬材料保持在自然腐蝕電位，並使電化學極化程度維持為零，利用零電阻安培計量測方法連續記錄二電極間流動的偶合電流量隨時間的變化情形。

ECN分析技術較適合於偵測金屬表面發生的鈍化膜崩潰和再生過程所釋放出來的電化學暫態訊號，所以可於孔蝕反應早期即偵檢出並比較不同材料之孔蝕腐蝕發生可能性。不過ECN分析需藉助精密且高速運算的電子儀器處理大量的腐蝕數據，因此操作和維護成本較高，亦較仰賴充份的技術知識進行數據解析。

化學分析法
由操作環境中定期取出水樣化驗，了解其中金屬離子濃度的變化，可以大略估計因為腐蝕造成的金屬損失量。鐵離子是常分析的金屬離子之一，定期分析可了解材料腐蝕的趨勢變化，然而進行此種監測法時要注意金屬離子是否有其他來源，或是有無沈澱物的產生，以避免得到錯誤的結果。

應用實例
欲維護工業冷卻水系統之熱交換設備和管線的冷卻功能和結構完整性，一般採用在冷卻水中添加脫氧劑、腐蝕抑制劑、防垢劑、殺菌劑等各種化學藥品的防蝕策略，以控制腐蝕速率在可接受範圍內。圖三所示者為碳鋼在冷卻水系統中之LPR腐蝕監測結果，由於其腐蝕速率始終維持在400~600 m/yr之較高範圍內，當碳鋼表面腐蝕生成物厚度逐漸增加後，其表面環境條件和腐蝕反應機構亦隨之改變，沈積物下局部腐蝕效應（under-deposit corrosion）和微生物腐蝕效應（microbial corrosion）之影響程度逐漸增加，因此偵測到的局部腐蝕指標也日趨明顯。另一方面，採取冷卻水樣和腐蝕生成物樣本進行微生物培養和計數結果亦証實了冷卻水系統中微生物活性頗高。以上腐蝕監測成果皆顯示出：此冷卻水系統之藥劑添加方案迫切需要進行適當調整，以降低碳鋼腐蝕速率，並且抑制微生物活性。

圖三、在冷卻水環境中應用LPR腐蝕監測的案例
資料來源：工業材料雜誌253期

腐蝕監測技術方法選用原則
腐蝕監測實際上是一種高度技術整合式的服務工作，而監測成效良窳實仰賴於從業人員是否充份掌握住材料特性、環境條件、製程參數、腐蝕機構等相關知識，反而腐蝕監測儀器和腐蝕探頭等硬體設施之資本投入所佔比例不大，主要經費應投入於腐蝕監測計畫之擬定、執行、數據分析及判讀。
在考慮選用何種腐蝕監測方法或技術時，應注意以下原則：
(1) 腐蝕監測原理需適用於現場系統的腐蝕環境特性。
(2) 監測獲致數據必須具有適當的準確性及再現性。
(3) 監測數據應以合適的方法或形式表示。
(4) 監測方法應儘量符合自動化程序，以減少數據擷取和解析的人力需求。

選用適合的腐蝕監測系統或設備，考慮要點應包含以下項目：
(1) 監測所需的時間長短，有些系統可在瞬間獲取資料，有些系統卻需長達數月之久。
(2) 監測設備必須良好可靠，尤其是在工業環境中使用時。
(3) 產生的資料型式，有些裝置乃偵測環境腐蝕性，有些是偵測腐蝕速率，有些則是鑑別腐蝕形態。
(4) 監測設備對系統或環境條件變化所需的反應時間。
(5) 監測點與系統的關係，有些需以探頭伸入系統內，有些則對系統本身進行監測。
(6) 適於監測的環境，有些監測設備可在任何環境中操作，有些只能在良好導電度溶液中使用。
(7) 可偵測的腐蝕形態，有些只能偵測均勻腐蝕，有些則適合局部腐蝕之監測。
(8) 數據解析的難易度，有些監測設備產生的資料必須具備腐蝕知識才能理解。
(9) 使用經驗的配合度對某些監測設備而言至為重要。

腐蝕監測技術可有效地提供現場設備在運轉條件下的腐蝕狀況和腐蝕速率，但是採行腐蝕監測前，必須充份了解其測試結果所代表的意義以及使用上的限制，以避免誤用監測結果。除此之外，適當的選用設備材料，以及有規劃的進行檢修仍是不可或缺的工作。