光伏電站螺旋地樁的腐蝕機理及防腐原理研究

杭州帷盛太陽能科技有限公司 ■ 徐樂 李慧 吳克明

一 引言

螺旋地樁作為地面光伏電站支撐系統的基礎結構，起承上啟下、至關重要的連接支撐作用，樁身材質采用Q235系列普通碳素鋼。由于螺旋地樁長期處于陰暗潮濕的地下環境，最易發生腐蝕，不僅會造成部分電站支撐系統的失穩或坍塌，甚至會影響到整個光伏電站的使用壽命，因此對螺旋地樁的腐蝕問題必須認真對待。研究表明，通過對樁身表面進行熱浸鍍鋅處理可有效防止腐蝕。青海德令哈10MW地面光伏電站如圖1所示，其基礎采用的就是熱浸鍍鋅螺旋地樁，有效地起到了承載結構與耐腐蝕功效。

二 螺旋地樁的腐蝕環境及腐蝕機理分析

1 螺旋地樁的腐蝕環境

根據腐蝕環境的不同，螺旋地樁的腐蝕主要分為大氣腐蝕和土壤腐蝕兩種。大氣腐蝕主要是螺旋地樁暴露在空氣的一部分受到的腐蝕；土壤腐蝕主要是螺旋地樁埋入地下部分受到的腐蝕(見圖2)。

2 螺旋地樁的腐蝕機理

螺旋地樁腐蝕有化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類型。

化學腐蝕：物質在非電化學作用下的腐蝕過程。對螺旋地樁來說，主要在干燥、高溫的空氣中的腐蝕或是暴露在重污染場所引起的腐蝕。但純化學腐蝕的情況很少，只有在特殊條件下發生。

電化學腐蝕：金屬和其他導體(金屬或非金屬)與電解質溶液接觸時會發生原電池反應，比較活潑的金屬失去電子而被氧化，由此導致金屬腐蝕的過程[1]。整個腐蝕包括陽極溶解氧化過程和發生析氫(或吸氧)腐蝕的陰極過程。

造成螺旋地樁電化學腐蝕主要是水和氧氣兩個因素。

(1) 大氣腐蝕：大氣成分中水和氧含量都相對較高。當暴露在空氣中的螺旋地樁與比其表面溫度高的空氣接觸時，空氣中的水蒸氣可在金屬表面凝結，即結露，這是地樁發生大氣腐蝕的基本原因[2]。引起腐蝕的原因主要為電化學腐蝕，且以吸氧腐蝕為主；在一些空氣極度干燥場所，還有化學腐蝕的存在，主要是金屬與空氣中的氧氣直接反應。

(2) 土壤腐蝕：土壤腐蝕是一種電化學腐蝕。土壤是一種復雜的多相結構，主要是由土壤顆粒、水、空氣等有機膠質混合顆粒和無機物所組成。土壤顆粒之間存在大量毛細管微孔或孔隙，空氣和水填充到這些孔隙中，常形成膠體體系，該體系是一種離子導體。所以當螺旋地樁與土壤接觸時，就形成了腐蝕原電池。大多數土壤是中性的，也有些土壤呈堿性，如砂質粘土和鹽堿土，pH值為7.5～9.5，所以螺旋地樁在土壤中的腐蝕以吸氧腐蝕為主，只有在強酸性土壤中，如酸性腐殖土和沼澤土，pH值在3～6，才會發生析氫腐蝕。

三 熱浸鍍鋅的防腐原理

衡量熱浸鍍鋅耐腐蝕性的關鍵指標是鋅層的厚度，一般認為兩者成正比關系。我國熱鍍鋅厚度的國家標準GB/T 13912—2002[3]見表1。

表1 未經離心處理的鍍層厚度

螺旋地樁的厚度一般為3～4mm，國家規范要求最小平均厚度為70μm，但本工廠要求的螺旋地樁的鍍層平均厚度要大于80μm。一般情況下，完全能夠保證25年的使用壽命。

熱浸鍍鋅對鋼鐵的防護作用表現如下：

(1) 鋅在潮濕的環境中，表面會形成一層電解質溶液薄膜，因此形成腐蝕原電池。其電化學反應式為：

空氣中的CO2與Zn(OH)2反應生成ZnCO3。當空氣干燥、鍍鋅層表面無水時，則生成ZnO。這樣在鋅的表面，就形成了由ZnO、Zn(OH)2、ZnCO3組成的銹層，這層產物對鋅層自身有保護作用，腐蝕速度會變慢。

(2) 在大氣或土壤中的鍍鋅螺旋地樁，其腐蝕情形可分為以下6種情況[4]：

① 當鍍鋅層完好時，螺旋地樁表面被鋅層完全覆蓋，鋅層腐蝕產生的銹層物質會減緩內部鋅層和樁身的腐蝕速度，見圖3a。

② 螺旋地樁的鍍鋅層由于腐蝕或磨損等原因，鍍鋅層中的鐵鋅合金部分暴露在腐蝕環境中，由于合金層與純鋅層的電極電位不同，電位較負的純鋅層優先被腐蝕，見圖3b。

③ 螺旋地樁的純鋅層逐漸消耗完畢，此時鋅鐵合金層完全暴露在外，但仍可緩減腐蝕速率，見圖3c。

④ 當螺旋地樁的鍍鋅層在打樁或安裝的過程中被磨損或者由于腐蝕原因，導致部分缺失，鍍鋅層、鋅鐵合金層就會隨著腐蝕的過程緩慢溶解，同時其腐蝕產物會抑制氧向金屬表面擴散，從而降低腐蝕速率，見圖3d。

⑤ 純鋅層被完全腐蝕，螺旋地樁部分裸露，電極電位較負的鋅鐵合金對樁身仍能提供電化學保護，見圖3e。

⑥ 當鋅鐵合金層被消耗完畢，螺旋地樁就會裸露在腐蝕環境中受腐蝕，見圖3f。

通過以上分析知，80μm的鍍鋅層要至少能保證25年的使用壽命，也就是說至少25年后，純鐵才會暴露在腐蝕環境中受腐蝕。

四 熱浸鍍鋅螺旋地樁實例防腐模型分析（西北地區）

圖4為內蒙古四子王旗施工地現場拔出的一根螺旋地樁，其樁身長1.6m，樁頭至1.4m處為埋入地下部分。從圖4可以看出，此地樁樁身螺紋區域鍍鋅層受到不同程度損壞，樁身上部鍍鋅層損傷較小，但整根樁身未受腐蝕。

圖4 施工地現場拔出的螺旋地樁

此螺旋樁的腐蝕環境模型見表2(表中區域特點根據地質報告及實地考察得出)。暴露在空氣中的螺旋地樁，由于鋅層未受損，基本的保護層完好，加之西北地區空氣中水分含量少，熱浸鍍鋅可有效防御大氣腐蝕；地表至地下0.5m區域，水和氧氣的含量均相對豐富，鋅層未受損，通過鋅層的犧牲保護原理，可有效抵抗土壤腐蝕；深入地下低于0.5m區域，土質相對密實，含氧量下降，含水量較小，電化學腐蝕速度慢，雖鍍鋅層在打樁時受到土壤和碎石的摩擦受損嚴重，通過以上鋅層防護原理可知，仍可有效抵抗腐蝕，此區域最不容易受到腐蝕。

表2 西北地區某工業地用螺旋腐蝕地樁腐蝕模型

五 結束語

通過以上分析可知，螺旋地樁基礎在選用前應對當地的地質、氣象報告進行分析，鋪設地點要遠離或避免強腐蝕性和重污染的場所，這樣一方面可降低鋅層的腐蝕速率，另一方面可避免樁身發生化學腐蝕，因為污染空氣中的SO2、Cl?等物質都會加劇鋅的腐蝕速度[5]；要盡量避開透氣性較強的風化石和砂石地帶，降低透氧率。

目前國內的大型地面光伏電站都設立在較為偏遠的西北地區，空氣污染不嚴重，大氣中SO2、Cl?含量很小，水分含量也很少，土壤中水分含量也較少，這種環境非常適合使用螺旋地樁。

螺旋地樁的防腐關系著大型地面光伏電站系統的正常運行，通過對螺旋地樁表面進行熱浸鍍鋅處理，可有效起到防腐功效。

[1] 何清秀, 李剛, 王帥. 埋地管道外防腐技術[J] . 科技與企業,2012, (4): 133.

[2] 唐政, 李碧君. 超高壓輸電線路桿塔接地裝置腐蝕分析 [J] . 重慶電力高等專科學校學報, 2011, (1): 72－74.

[3] GB/T 13912-2002, 金屬覆蓋層 鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術要求及試驗方法 [S] .

[4] 鐘輝. 熱浸鍍鋅鋼板腐蝕行為與鈍化試驗研究 [D] . 蘭州: 蘭州理工大學, 2011.

[5] 施彥彥, 張昭, 張鑒清, 等. 鋅及其合金的大氣腐蝕研究現狀[J] . 中國腐蝕與防護學報，2005, 25 (6): 373－379.