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光伏支架的宿命: 腐蝕 | 腐蝕的基本理論

Data:2020-08-24

光伏支架系統常見的材料是鋼材，那么鋼鐵腐蝕就是支架設計時必須重點考慮的內容。這篇文章先從簡單的腐蝕原理入手，接下來的文章會分別從“大氣腐蝕”、“土壤腐蝕”和“接觸腐蝕”等幾部分和大家一起探討，并分析講解如何在設計階段考慮和避免腐蝕帶來的影響。

鋼鐵的宿命

由于鋼鐵的物理機械性能比較穩定，塑性好、強度高，所以在工業建筑中，鋼鐵是使用范圍最廣的金屬材料。但是鋼光伏支架在大自然中往往容易被腐蝕，輕者產生鐵銹影響美觀，重者破壞結構質量，導致建筑物的坍塌，造成事故。據說世界鋼材中的十分之一都因腐蝕而報廢，可見腐蝕是鋼鐵無法避開的永恒話題。

套用美劇《權力的游戲》里面經典的一句話就是:

“AllMen(Metal) Must Die”

鐵釘實驗

我們在高中學習氧化還原反應時，常常就以釘子的腐蝕來進行講解。這里小樹洞帶大家溫習下這部分知識點，以此來引出鋼鐵腐蝕的基本理論。

A組鐵釘: 添加水；含水和氧氣

B組鐵釘:添加水、氯化鈉；含水、氧氣、氯離子

C組鐵釘:添加加熱后的水、油；僅含水

D組鐵釘:添加氯化鈣；僅含氧氣

其中A組為參考組，其余各組實驗中分別含有水、氧氣、氯離子三種元素。以此來比較這三種元素對鐵釘的影響。

經過幾天的時間，實驗結果就很明顯了，其中只有A和B組的鐵釘生銹，并且B組鐵銹比A組嚴重。而C和D組卻沒有任何生銹的跡象。由此實驗可得以下幾點結論：

B組比較A組，說明氯離子加速了鐵的腐蝕。

C組比較A組，說明氧氣為腐蝕的必要條件。

D組比較A組，說明水為腐蝕的必要條件。

腐蝕機理

根據以上實驗，我們可以對腐蝕的原因進行一部分感性的認識，但是要真正理解腐蝕的機理就需要從理論上對其進行深入的研究。我們觀察發現，鋼鐵腐蝕后產生了一種新的物質，而這種產生新物種的變化都源自于某種化學反應。

鐵、氧氣、水，這三種元素結合在一起就形成了“原電池”，而這種腐蝕又稱為“電化學腐蝕”。其本質為氧化還原反應，而根本原因也就是我們常說的“電子遷移”。

當我們理解了氧化還原的理論后，就可以定量的來解釋腐蝕的機理：

鐵原子在氧氣的作用下，會失去電子產生氧化鐵。

水充當了反應過程中，電子遷移所必須的電解質。

大自然中的酸堿性物質，作為催化劑加速了反應。

?鐵的腐蝕圖例

鐵的腐蝕原理看似簡單，但是有時候由于大家沒有理解這個現象，反而造成了很多令人遺憾的事故，其中比較有名的就是“滄州鐵獅子”。

?滄州鐵獅子：又稱“鎮海吼”，建于后周廣順三年(公元935年)，距今已經有一千多年的歷史。上世紀50年代，根據蘇聯“專家”的建議，滄州文保所在鐵獅子上蓋了一個遮風擋雨的小亭子，希望減緩鐵獅子的進一步腐蝕，但是由于亭子阻礙了水蒸氣的快速蒸發，鐵獅子、水、氧氣在亭子里構成了“原電池”，反而加快了鐵獅子的腐蝕速度。小亭子在建造20年后，最終被拆除。

支架的腐蝕

對于光伏支架的設計，我們主要考慮來自三個方面的腐蝕影響，他們分別為：

?大氣腐蝕：裸露在大氣中的上部支架結構，會與空氣中的氧氣以及水進行相互作用而產生腐蝕，這種腐蝕是最常見，也是最容易被察覺的。

?土壤腐蝕：深埋在地下的鋼樁基礎，在土壤中各種物質的作用下，會進行更加復雜的化學反應，從而發生腐蝕。由于長期在土壤中，這種腐蝕很難被發現。

?接觸腐蝕：不同的金屬之間，由于電勢差的不同，會發生電子的得失，從而形成電化學腐蝕，這種腐蝕常常被設計師所忽視。

小樹洞在后面的系列里，會簡單講解下如何在設計初期時，定量的考慮和計算上面三種腐蝕情況。

防腐的方法

為了減緩甚至避免鋼材腐蝕，行業里常見的方法就是在鋼材表面上“鍍鋅”，鋅元素在25℃時的標準電勢為-0.76V，低于鐵的-0.45V，因此鋅的“活潑性”比鐵要強。鋅和鐵在潮濕的環境中就形成了“原電池”，同所有的電化學腐蝕原理一樣，這個原電池組合就是：

“犧牲陽極(鋅)，保護陰極(鐵)”

?各元素的標準電勢

排位越低，越容易失去電子

由于鋅和鐵形成的原電池效應，因此即使鍍鋅層在運輸或者安裝過程中產生的輕微損傷，也不會影響鍍鋅層的防腐蝕能力。當然，對于較深的損傷就要額外小心，對這些區域需要進行補鋅處理。

?鋅、鐵和氧氣在潮濕環境中形成的原電池

即使鍍鋅層受輕微劃傷

也不會影響其腐蝕能力

另外鋅與空氣和水反應，產生了一種新的產物：堿式碳酸鋅，這種物質表面致密，而且不容易溶解于水，可以很好的將空氣與鐵隔絕開來，這樣就又形成了一層“物理保護”，進一步的減緩了鋼材腐蝕。

常見的鍍鋅工藝有：熱鍍鋅、預鍍鋅、電鍍鋅(冷鍍鋅)。小樹洞這里對鍍鋅的方法和步驟就不進行過多的描述。當然，不管是哪種鍍鋅工藝，其鋅層本身也是由很多種不同物質構成，例如下圖的熱鍍鋅層：

此外，還有鍍鎂鋁鋅、VCI、環氧涂層以及沒有任何表面處理的耐候鋼等等防腐的工藝。

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