離岸水下基礎製造及防蝕工程

Chapter 1.　離岸結構介紹
1.1. 離岸結構簡介(Introduction to offshore structures)
隨著陸上能源和空間不斷地被開發，人們對能源和空間的渴望日益強烈，因此離岸結構便由此而生，該種結構具有特殊的經濟和技術特質。從經濟面上來看，由於受到能源的影響，能源供應商為了滿足市場的需求，確保有充足的能源可以供應，因此必須不斷地開發探勘資源。全世界各國持續積極的拓展資源，在石油、天然氣和風場的開發上，則從陸上不斷地往海洋進行發展，因此啟動了許多離岸結構工程。離岸結構物包括海上平台和海上風力渦輪機，而從技術層面上看，離岸結構是藉由海洋工程技術將一般鋼結構和海事結構設計與建造的混合體。
海洋結構(Marine structures)一般泛指遠離海岸線並位於海上的結構物或船舶。離岸結構(Offshore structures)則為放置在距海岸線較近距離水域中的結構。目前石油和天然氣的能源已逐漸探勘離海岸線非常遠的海洋中，而風場則大都規劃於近岸，然而近年來，風場亦逐步往更遠的海洋中開發。
在地球表面陸地的面積是十分有限的，海洋面積占總面積的70.92%，包括島嶼在內的陸地面積僅占地球表面積的29.08%，如圖1-1。很顯然的是海洋面積遠大於陸地的面積，許多研究人員認為，處於在陸地上的資源目前大部分都已經被發現了，而隨著人們對資源的需求增加，未來的資源將可能存在並被發現於深海地區、北極區域和世界其他難以到達的地區。因此則要進入海洋及更深的水域以尋找額外的能源資源供應，這時候就要以離岸結構來執行工程業務。
海洋的平均深度為4,000 m，最大超過10,000 m，比世界最高峰珠穆朗瑪峰從海平面計算起的距離高度8,850 m還要多，圖1-2繪出目前相關載具和生物到達已知海洋深度的對照圖。離岸結構從近海地區的海岸延伸到深海，目前已經在1,500 m水深進行了施工作業，在10,000 m以下進行了海底探勘作業。
因此，在正式於海洋中拓展額外的能源資源方案之前，則先要完成確認該區域的勘探工作。首先，地球物理學專家評估該地點區域的環境及地質構造，以確定它是否具有潛在的能源來進行開發，再藉由商業企劃案之評估確定在經濟上可行之後，後續才進行更進一步的勘探活動，來為所選定的能源開發案和未來準備生產的計畫進行成本、進度和財務等的評估。之後，比較各種方案以確定用最有利的方案來執行。
離岸能源開發時要規劃及評估的事務非常多，一般而言基本考慮的事項如下列：
－能源的特徵，如油、氣、水、電或其他能源等
－能源供應的穩定性
－海洋環境狀態
－該區域能源發展狀況
－須具經濟可行性
－具技術可行性
－具工程可行性
－法規及政治因素
－合作夥伴
－時程表
在國際的工程專案上，離岸結構與一般鋼結構工程的專案數量相比，離岸結構的專案數量遠低於一般鋼結構工程的數量，也因此目前全球也只有少數的工程公司專注投入於海洋工程的製造，這包括固定式離岸結構、浮動式離岸結構或其他類型的水下基礎設計及製造。但隨著對資源的需求增加，許多從事能源資源業務的跨國公司與來自世界各地的專業離岸工程製造商共同為拓展資源而投入水下基礎製造，因此對於合格離岸結構製造人員的需求也正迅速的增加。
本書分為以下幾個部分，涵蓋了基本的結構設計原則、金屬強度、疲勞和斷裂、銲接、防蝕、製造以及管理和規劃，提供了現有離岸結構所需的知識，讓讀者能了解離岸結構如何進行製造及相關的工程科學原理。
第1章　離岸結構介紹
根據水深要求、外部幾何形狀和安裝概念介紹了典型離岸結構的類型。
第2章　離岸結構設計概述
概述了施加在離岸結構的基本載荷及設計基礎原理。
第3章　離岸結構常用規範
給出離岸結構製造常使用參考之規範。
第4章　海洋環境的腐蝕
介紹海洋腐蝕環境和金屬腐蝕的原理。
第5章　結構金屬材料
海洋環境用鋼材特性及要求。
第6章　離岸結構的銲接
介紹離岸結構常用銲接製程、銲接母材與耗材、銲接參數應用環境用鋼、鋼材特性及要求。
第7章　離岸結構防蝕保護
離岸結構防蝕保護之方法、執行及防蝕原理。
第8章　建造離岸結構
簡述建造典型離岸結構的施工說明並透過品質管理來滿足製造上之可交付產品或服務的方法。
第9章　管理及規劃
概述離岸結構專案管理、供應鏈管理、工廠組織及規劃。

Chapter 1.　離岸結構介紹
1.1. 離岸結構簡介(Introduction to offshore structures)
隨著陸上能源和空間不斷地被開發，人們對能源和空間的渴望日益強烈，因此離岸結構便由此而生，該種結構具有特殊的經濟和技術特質。從經濟面上來看，由於受到能源的影響，能源供應商為了滿足市場的需求，確保有充足的能源可以供應，因此必須不斷地開發探勘資源。全世界各國持續積極的拓展資源，在石油、天然氣和風場的開發上，則從陸上不斷地往海洋進行發展，因此啟動了許多離岸結構工程。離岸結構物包括海上平台和海上風力渦輪機，而從技術層面上看，...

推薦序一
全球2002年已有約27 GW（相當於10個核四廠）的風力發電機組在運轉。根據全球風能協會(GWEC)於2022年4月初發布的「2022年全球風能報告」報告指出，2021年全球陸域及離岸風電新增裝置容量為93.6 GW，且使全球風力發電累計裝置容量達到837 GW，可見20年間年複合成長率為18.7%。值得關注的是離岸風電在2021年則創下歷史紀錄，新增裝置容量達到21.1 GW，相較於2020成長超過3倍。
我國自2016年開始將綠能科技列為「5+2」產業創新計畫之一，並積極推動太陽光電及風力發電，訂定2025年再生能源發電占比達20%的政策目標，計畫設置20 GW太陽光電發電（屋頂型8 GW、地面型12 GW），及6.9 GW的風力發電（陸域1.2 GW、離岸5.7 GW），依據臺灣氣象資料，在西海岸及南部墾丁地區，於海平面50公尺高度層，均可達到每秒6至7公尺以上的年平均風速，確實極具風力發電潛能。
我國風力發電技術目前仍需仰賴國外廠商，特別是離岸風電涉及的海事工程技術與經驗，這本書是作者將近年在臺灣在西部外海協同國外廠商布建我國離岸風電的實務技術整理並出版，目前臺灣在西部外海所布建的離岸風機皆為固定型，水深在50公尺以內，由書中可知：隨著先進海事工程技術發展，水下結構可深至1850公尺；同時對結構的構件介紹、構件等級，甚至可能發生結構失效均在書中開始的第一章即有完整說明。讀者對水下工程有初步概念後，接著需有對結構設計具評估能力，包含認識離岸結構所承受的各種重力及環境負載，特別是臺彎處於地震帶，結構受地震影響亦需考量，所以第二章詳述相關影響參數並根據設置地點海洋氣象資訊及海床數據，結合水工模型進行數值模擬與分析程序。設置離岸結構，包含材料、製作、銲接施工、組立、表面處理與塗裝、品管及安全均須依國際標準規範，各項工程均需取得認證方可進行，第三章則是國際規範分類及項目介紹。由於離岸的金屬結構體易受海洋環境腐蝕，對腐蝕成因及形式可參照第四章，借對腐蝕環境因子有所了解，方能進一步作防蝕設計。第五章的重點為結構金屬材料所需考量的強度、韌性、疲勞破壞及可銲接特性作介紹，對使用的鋼種等級及成分亦有圖表整理。離岸結構金屬件組立以銲接作業為主，攸關整體基礎工程後續維護與保養，第六章則針對銲接工法介紹，配合ASME及ISO對銲接姿勢構圖，可作為相關單位對銲接技術人才培訓實作項目，此外，如何減少接合處受銲接溫度影響所產生熱應力及裂紋發生，亦有現場實際經驗闡述！第七章為離岸結構的防蝕與塗裝保護，不僅強調標準塗裝作業及設施，亦對塗裝失效和缺陷可觀測到現象做分類，塗裝和陰極保護為常用之金屬防蝕工程手段，該章節也特別提出離岸結構陰極保護設計參數及計算。該書最後部分以建造離岸結構的作業程序及必要驗證作為離岸水下基礎製造技術的結尾，第八章所指出的計畫流程、結構分解、組立建構及專案品質等，皆需依據相關程序書進行，並彙出報告，為能有成功的執行方案，在第九章則詳述專案管理，並對應離岸水下基礎製造各項建立文件，有效率地執行與追蹤。
個人樂見這本書的出版，不僅是對作者長期投入離岸水下基礎製造的執著與熱忱感動，也所幸作者能無私分享國外廠商技術並出書傳承專業技術。相信藉由該書問市，正可加速我國極具未來發展潛力且有大商機的離岸風電技術落地。


艾和昌
國立高雄科技大學模具工程系教授
台灣太陽能及新能源學會理事長

推薦序一
全球2002年已有約27 GW（相當於10個核四廠）的風力發電機組在運轉。根據全球風能協會(GWEC)於2022年4月初發布的「2022年全球風能報告」報告指出，2021年全球陸域及離岸風電新增裝置容量為93.6 GW，且使全球風力發電累計裝置容量達到837 GW，可見20年間年複合成長率為18.7%。值得關注的是離岸風電在2021年則創下歷史紀錄，新增裝置容量達到21.1 GW，相較於2020成長超過3倍。
我國自2016年開始將綠能科技列為「5+2」產業創新計畫之一，並積極推動太陽光電及風力發電，訂定2025年再生能源發電占比達20%的政策目標，計畫設置20 GW太...

序　言
近年來，臺灣海峽上陸續可以看到近千支的海上風電群，然在這些海平面以下看不到的地方，卻有著臺灣打造的「鐵的骨架及鋼的堅持」的海洋水下結構，堅固地矗立於洶湧的海潮中確保海面上之風機為臺灣提供穩定之綠能發電。為配合能源轉型以及響應離岸水下結構國產化的產業提升，臺灣的開拓先驅們籌建了一群製造團隊。
工業的技術水準，是代表一個國家機械製造和科學技術的指標之一，政府近年力推國艦國造、國機國造及離岸水下基礎國產化等，讓臺灣的重工業有了嶄新的進展。離岸水下基礎製作有別於傳統鋼結構工程，由於離岸水下基礎處於在極端惡劣的海洋環境中，因此製造時必須考量銲接的熱應力、疲勞壽命、耐蝕性及高精度的組裝公差等。目前臺灣的離岸結構多用於臺灣海峽內風力發電的水下基礎，然而，由於臺灣海峽氣候及海流的嚴峻，因此風電開發商在設計臺灣的水下基礎結構上更加嚴謹，造成零組件上銲接或製造施工不易。
離岸水下基礎國產化的推動與執行並非一蹴可幾，因此臺灣的製造商於初期對於水下基礎製造展開一連串密集的技術及品質交流。由於離岸工程在銲接上的品質要求嚴格，並且在銲接技術難度高，所以在製造推動過程中，銲接的技術能力是臺灣廠商首先面臨的考驗。這些銲接技術人員，首先必須通過銲接資格認證，取得授權認可核發之證書後才可以正式執行銲接作業。另外，為提前找出製造上之瓶頸並提高生產效率，國內製造業者藉由模擬試製(Mockup) ，從品質管控規劃到實際製造監造，對生產製程能力、品質管制、人力和設備之盤點對於製作過程中之瓶頸，以人、機、料、法及環進行問題解析及對策探討。
離岸結構的營運最少超過二十年，其結構長期受到海洋環境所帶來的腐蝕，因此其防蝕保護格外重要。海洋工程的塗裝作業程序及施工作業條件相當嚴謹，依海事工程規範檢驗及監造人員必須擁有國際認證核可之證照，現場作業人員亦先須通過塗裝程序測試始得作業。目前國內可符合離岸構件塗裝的廠房及專業人員甚少，臺灣廠商為符合塗裝施工環境，對廠房及設備進行整改，以確保未來塗裝之品質。另外，為提高臺灣塗裝技術專業人力，國內廠商積極培訓所屬人員，建置出優質專業的塗裝團隊
由於海洋環境的複雜性，因此海洋工程的生產製造不同於陸上的鋼結構工程，本書透過海事工程規範運用於離岸結構，從原物料、生產製造到管理規劃，內容中提供了規範要求、製造和檢驗的說明，詳細描述了現代結構工程原理在離岸結構中的應用。
離岸水下基礎鋼結構對臺灣而言是全新的產業，一般業者從傳統產業要升級切入高技術密集、高附加價值產業，初期將遇到許多困難。另外，由於離岸水下基礎製造的人才具有高度的專業知識及技能，須長時間的培育及養成，非短期內可速成，因此在不同工程行業中亦是熱門炙手的人才。為厚實水下基礎技術基盤，教育及訓練是一切的根本，唯有不斷提升能力與專業，才能因應各項挑戰。知識即力量，內隱知識需要轉化成顯性知識，讓臺灣相關工程產業透過技術交流不斷修正知識並持續精進。本書提供在離岸結構工程領域上的廣泛介紹，讓讀者可以深入淺出地對整體離岸水下基礎結構有更全面性的了解，對於工程系所學生、海洋工程製造商、海事工程從業人員等將能從本書中受益。

序　言
近年來，臺灣海峽上陸續可以看到近千支的海上風電群，然在這些海平面以下看不到的地方，卻有著臺灣打造的「鐵的骨架及鋼的堅持」的海洋水下結構，堅固地矗立於洶湧的海潮中確保海面上之風機為臺灣提供穩定之綠能發電。為配合能源轉型以及響應離岸水下結構國產化的產業提升，臺灣的開拓先驅們籌建了一群製造團隊。
工業的技術水準，是代表一個國家機械製造和科學技術的指標之一，政府近年力推國艦國造、國機國造及離岸水下基礎國產化等，讓臺灣的重工業有了嶄新的進展。離岸水下基礎製作有別於傳統鋼結構工程，由於離岸水下基礎處...

目錄
Chapter 1.　離岸結構介紹
1.1. 離岸結構簡介(Introduction to offshore structures)
1.2. 離岸結構發展的歷史(History of offshore structures)
1.3. 典型的離岸結構類型(Types of offshore structures)
1.4. 離岸結構的構件(Components of offshore structure)
1.5. 離岸結構事故(Accident of offshore structure)
Chapter 2.　離岸結構設計概述
2.1. 離岸結構設計概述(Introduction to offshore structural design)
2.2. 海上結構的設計載荷(Design loads for offshore structure)
2.3. 重力載荷(Gravity loads)
2.4. 環境載荷(Environmental loads)
2.5. 載荷組合(Load combinations)
2.6. 抗衝擊結構框架(Impact resistant structures frames)
2.7. 全域載荷(Global load)
2.8. 設計參數和假設(Design parameters and assumptions)
2.9. 模擬(Simulation)
Chapter 3.　離岸結構規範
3.1. 標準與規範(Standard and rules)
3.2. ISO國際標準
3.3. EN歐盟標準
3.4. DNV
3.5. NORSOK
3.6. 離岸鋼結構製造參考之規範(Offshore industry standards)
Chapter 4.　海洋環境的腐蝕
4.1. 海洋環境腐蝕概述(Marine corrosion)
4.2. 金屬的腐蝕(Corrosion of metal)
4.3. 腐蝕的形式(Forms of corrosion)
Chapter 5.　結構金屬材料
5.1. 海洋環境用鋼結構(Steel structures for the marine environment)
5.2. 製造相關的鋼材特性(Steel material properties required for fabrication)
5.3. 鋼種等級及生產方式(Steel grades and process route)
5.4. 延脆轉移溫度(Ductile-brittle transition temperature)
5.5. 碳當量(Carbon equivalent values)
5.6. 裂紋頂端開口位移(Crack tip opening displacement, CTOD)
5.7. 應變時效(Strain age)
5.8. 鋼板交貨公差要求(Delivery tolerance requirements of steel plates)
Chapter 6.　離岸結構的銲接
6.1. 銲接製程(Welding processes)
6.2. 離岸結構常用銲接製程(Typical welding processes used in the offshore structure)
6.3. 銲接用鋼材群組分類(Material group classification of steels for weldings)
6.4. 銲接耗材(Welding consumables)
6.5. 銲接姿勢(Welding position)
6.6. 離岸結構中的常用接頭(Typical welded joints in offshore structure)
6.7. 銲接熔填量計算(Weld consumable calculation)
6.8. 熱影響區(Heat affected zone)
6.9. 熱影響區的開裂(Cracking in the heat affected zone)
6.10. 影響銲道性能的參數(Parameters affecting weld metal performance)
6.11. 殘餘應力(Residual stresses)
6.12. 銲接接頭的疲勞(Fatigue of welded joints)
6.13. 銲後熱處理(Post weld heat treatment)
6.14. 改善銲道疲勞的技術(Fatigue improvement techniques for welds)
6.15. 銲接程序(Welding procedure)
6.16. 常見的銲接缺陷(Common welding defects)
6.17. 銲道接受標準等級(Welds acceptance criteria)
Chapter 7.　離岸結構防蝕保護
7.1. 防蝕保護(Corrosion protection)
7.2. 塗裝(Coating)
7.3. 熱浸鍍鋅(Hot dip galvanizing)
7.4. 陰極保護(Cathodic protection)
Chapter 8.　建造離岸結構
8.1. 製造和建造簡介(Introduction to offshore structures fabrication and erection)
8.2. 製造方法說明書(Fabrication method statement)
8.3. 品質管理系統(Quality management system)
8.4. 維度控制(Dimensional control)
8.5. 製造公差要求(Fabrication tolerance requirements of offshore structure)
8.6. 組件的製造(Fabrication of the component)
8.7. 離岸結構建造(Offore structure erection methodology)
8.8. 物料、採購和儲放(Material, procurement, logistics and storage)
Chapter 9.　管理及規劃
9.1. 專案管理基礎(Fundamentals of project management)
9.2. 製造商資格認證(Manufacturer qualification certification)
9.3. 專案管理計畫書(Project management plan)
9.4. 生產規劃和管制(Production planning and control of the offshore structure)
9.5. 供應鏈管理基礎(Fundamentals of Supply chain management)
9.6. 技術人員訓練及認證(Training and certification)
9.7. 廠址及工廠布置規劃(Site plot and plant layout plan)
附錄1　DNV Maritime規範
附錄2　DNV Oil and Gas規範
附錄3　DNV Energy規範
附錄4　NORSOK規範索引

目錄
Chapter 1.　離岸結構介紹
1.1. 離岸結構簡介(Introduction to offshore structures)
1.2. 離岸結構發展的歷史(History of offshore structures)
1.3. 典型的離岸結構類型(Types of offshore structures)
1.4. 離岸結構的構件(Components of offshore structure)
1.5. 離岸結構事故(Accident of offshore structure)
Chapter 2.　離岸結構設計概述
2.1. 離岸結構設計概述(Introduction to offshore structural design)
2.2. 海上結構的設計載荷(Design loads for offshore structure)
2.3. 重力載荷(Gravity loads)
2.4. ...