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生活環境中的腐蝕

鐵銹是鐵腐蝕的產物,鋼鐵生銹是自然現象,造成的生活不便、引起的環境污染、甚至對生命安全的威脅,無所不在,你知道腐蝕是怎麼一回事嗎?
 
 
 
腐蝕基本原理

在日常生活中,我們使用、接觸或依賴許多由不同金屬材料所製成的用品、工具或設施,在使用的環境中,這些材料可能會發生腐蝕而導致性質退化,造成生活上的不便,引起環境污染,甚至威脅生命安全。在許多腐蝕的現象中,鋼鐵材料的生銹就是我們最熟悉的腐蝕例子之一。金屬材料的腐蝕本質上是一種電化學反應的現象,只要在表面有電解質水溶液,就有發生腐蝕的機會。這電解質水溶液可能只是在潮濕的空氣中,在金屬表面上所形成的一層水膜而已。

以鐵為例,當它發生氧化反應(陽極反應),形成鐵離子溶解在水中,造成鐵金屬的損耗時,就是腐蝕。另外,溶解在水(或水膜)中的氧氣,在獲得鐵金屬氧化所釋出的電子後,發生還原反應(陰極反應),產生氫氧根離子。陽極反應所產生的鐵離子與陰極反應所產生的氫氧根離子,經擴散而結合生成氫氧化鐵,這就是熟知的鐵銹。

在酸性的水溶液中,則會發生氫離子還原而產生氫氣。在這種狀況下,雖然不一定會生成鐵銹,但是鐵金屬構件仍會發生厚度減薄甚至穿孔的現象。其他金屬與具有侵蝕性的環境接觸時,也會發生類似的腐蝕現象。

腐蝕調查報告

許多的研究顯示,國家的經濟發展與腐蝕有密切的關係,因此許多工業先進國家先後對腐蝕損失做了多次的調查與分析。腐蝕損失、經濟發展與環境變化間相互關係的調查與研究,是評估國力時的有意義手段。由於近年來工業型態的大幅變遷,以及環境保護意識抬頭,日本及美國在2001及2002年先後發表最新的腐蝕損失調查與分析報告。

美國腐蝕工程師協會在2002年的調查分析報告指出,美國每年因為腐蝕造成的直接經濟損失相當驚人,大約占其國內生產毛額的3.17%。日本腐蝕工程學會根據1997年的數據分析,腐蝕造成的直接損失也占國民生產總毛額的1.88%。從以上日本及美國的分析結果發現,兩國每年腐蝕總損失占其全國經濟產能的比率雖然有所不同,不過金額都相當龐大,造成的損失不容忽視。而在我們日常生活中,也隨時面對腐蝕的困擾,以下是一些常見的例子。

地下管線的腐蝕  在日常生活中,水和瓦斯已是不可或缺的必需品。自來水或自來瓦斯大部分是經由地下水管及瓦斯管,輸送到家庭中。埋在土中的這些管線,如果施工不良或沒有做妥善的防蝕措施,便可能發生腐蝕,使水、氣外洩。不僅使用者不便,也可能造成公共安全上的威脅。

近年來國內許多城市水荒嚴重,引起大家對於自來水管線腐蝕問題的關心。2002年美國腐蝕工程師協會所公布的調查資料顯示,美國飲用水輸水管線的「無費用水」估計約15%。在這些無費用水之中,部分是公共用水(如消防、清潔街道、公園行道樹澆灌等),以及偷水和蒸發的損失,其餘一半以上則是因為輸水管線腐蝕及系統老化而造成飲用水的流失。

為了減少因管線腐蝕而造成的飲用水流失,美國每年在更換腐蝕管線或防蝕措施上大約投入190億美元,但是更換的速度趕不及管線的老化,防蝕措施也無法全面落實,因此預估漏水率會逐漸增加。至於飲用水以外的輸水管線(如污水系統等),情況也類似。

根據報載,臺北市自來水的無費用水竟然高達40%,估計其中因為輸水管腐蝕造成的漏水率是很可觀的。大部分的輸水管線因為包埋在地下或建築物結構體中,容易被忽視。另一方面,對於腐蝕的漠視或不了解,也常使防蝕的工作執行得不澈底,因此管線腐蝕所造成的高漏水率是可以理解的。不只臺北市有這個問題,全國各都市鄉鎮及水利單位因為輸水管線的腐蝕所造成的水資源浪費,顯然也是不容忽視的。

輸水管有鑄鐵管、鋼管、鍍鋅鋼管、銅管、鉛管、水泥管、塑膠管等,其中金屬管所占的比率相當高。這些金屬管材料與管內的水或管外的土壤接觸,會發生不同型態的腐蝕,使管壁逐漸減薄、穿孔甚至破斷而造成漏水。不論是管內或管外腐蝕,局部穿孔所造成的洩漏現象,通常因為漏水量小,不易察覺,而容易被疏忽。但其實這種局部腐蝕造成的漏水,因為沒有及時修復,無時無刻地滲漏,其損失才是不容忽視的。

此外,都會區的輸水管線一方面因為年代久遠,更換率太低,漏水率會逐年加劇;另一方面近地表各種大型結構設施的興建,使得地下雜散電流不易控制,也會影響管線的腐蝕。因此都會區的輸水管線的腐蝕控制,是個複雜的工程。

輸水管線的洩漏因為不至於造成嚴重的工安或環境污染,所以腐蝕的問題也就不受注意。但是在水資源逐漸匱乏的時候,管線防蝕就必須加以重視。與大部分的防災措施一樣,輸水管線的防蝕措施包括預防與治療。在預防方面主要是針對新管線的安裝,須從設計、環境調查、材料選擇、施工、腐蝕防治等著手。在治療方面則是以既有管線的洩漏為對象,從全面性的腐蝕調查做起,根據調查結果採用適當的防蝕方法,或者是更換管線。

其中防蝕保護的方法,包括水質控制、管壁內襯或外襯處理、陰極防蝕、腐蝕抑制劑的使用、防蝕管理制度的建立等。適當的防蝕措施,不但可以增加管線使用的妥善率,也可以因壽命周期長而降低成本。最重要的是在水資源逐漸不敷使用的情況下,重視各種輸水系統的防蝕,可以促進水資源的維護。基於這種考量,輸水管線系統的腐蝕與防蝕,應該納入全國防災體系中。

除了自來水管之外,地下瓦斯管的腐蝕更不容忽視,一旦因為管線腐蝕造成瓦斯外洩,可能引起火災或爆炸,後果不堪設想。
 
電話線及電纜線的腐蝕 室內電話線的接頭若是裝在牆角或潮濕的位置,便容易受潮而發生腐蝕,並影響通話品質。在通話時出現雜音,檢查接頭若有腐蝕現象,則把銅導線上的銅綠(腐蝕產物)清除,或更換新的接線,通常可以立即改善通話品質。

高壓輸配電路系統的電纜軸心通常是由高強度鋼線組成,外圍再纏繞多條鋁金屬線。海邊地區的電纜線容易沉積鹽分,在相對濕度較高的情況下,會造成鋁線的腐蝕而發生電纜斷裂。 

冷氣機的腐蝕 許多冷氣機是以鋼架支撐懸掛於室外,這些鋼架若沒有施以防蝕處理,則由於積水及暴露在潮濕空氣中,容易發生銹蝕現象。如果疏於檢查,鋼架發生嚴重腐蝕造成冷氣機掉落的現象,時有所聞。定期檢查,或者使用固定且永久式支撐架,是避免發生意外的方法。

錢幣腐蝕 錢幣發生腐蝕會引起真偽的爭議、投幣式機器設施無法判讀等困擾,通常硬幣發生腐蝕與合金成分及加工技術有密切關係。

除了以上所介紹的幾個例子,在日常生活中,腐蝕的例子比比皆是,有許多被我們忽視,卻造成生活上的困擾與不便。

防蝕的方法

雖然工程上的防蝕技術是專業的知能,但是一般人仍然可以對生活周遭的腐蝕做適當的防蝕處理,譬如勤於拂拭、保持乾燥、定期檢查等就是防制腐蝕的功夫。至於全面性的防蝕對策,可從「非技術」與「技術」兩層面來考量。在非技術層面可以從以下幾方面著手,包括增進社會大眾認識腐蝕的重要性及腐蝕損失的可避免性;改變「腐蝕是無法避免」的錯誤印象;改變政策、法規、標準、以及管理規定,利用完善的「腐蝕管理」方法節省腐蝕損失,以及加強國民腐蝕與防蝕的教育與訓練。

在技術層面則可以考量以下要點,包括提升設計能力並改善腐蝕管理,提升壽命預測與效能評估的方法,以及重視研究、開發以提升防蝕技術水準。

腐蝕工藝

腐蝕通常給一般人負面的印象,但是把腐蝕當作一種工藝,在歷史上已經多有記載。把腐蝕的原理應用在工藝上稱為蝕刻,利用蝕刻的方法不僅在藝術創作方面有所發揮,在當代半導體產業製程上,金屬或非金屬蝕刻也是極為關鍵的技術。在微細加工方面,腐蝕的特性提供了另一種製作加工的選擇,並具有優勢。

利用腐蝕發色的方法,在金屬彩繪方面也有不少的作品。不銹鋼經過發色處理後,應用在結構物上可以改變視覺的效果,在大樓外牆帷幕及家用產品的應用上已有一些成功的例子。另外,藝術作品與材料技術互相輝映,從一個時代的藝術品所用的材料,可以反映當時的材料技術。耐蝕的不銹鋼是20世紀中期的新材料,在這之後才有以它為素材的藝術品。

材料的腐蝕是一種「進行式」,隨時與我們同在。日常生活中見到的腐蝕,許多是容易處理並可避免的。就像節約用電一樣,隨時關心腐蝕,多數人重視防蝕,就可以維護資源,減少損失,改善環境,保障安全,增進生活品質。而腐蝕的原理在材料工藝上的應用,更可以創造財富。
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