光伏電站螺旋地樁的腐蝕機(jī)理及防腐原理研究

杭州帷盛太陽(yáng)能科技有限公司 ■ 徐樂(lè) 李慧 吳克明

一 引言

螺旋地樁作為地面光伏電站支撐系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，起承上啟下、至關(guān)重要的連接支撐作用，樁身材質(zhì)采用Q235系列普通碳素鋼。由于螺旋地樁長(zhǎng)期處于陰暗潮濕的地下環(huán)境，最易發(fā)生腐蝕，不僅會(huì)造成部分電站支撐系統(tǒng)的失穩(wěn)或坍塌，甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)光伏電站的使用壽命，因此對(duì)螺旋地樁的腐蝕問(wèn)題必須認(rèn)真對(duì)待。研究表明，通過(guò)對(duì)樁身表面進(jìn)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(chǔ)采用的就是熱浸鍍鋅螺旋地樁，有效地起到了承載結(jié)構(gòu)與耐腐蝕功效。

二 螺旋地樁的腐蝕環(huán)境及腐蝕機(jī)理分析

1 螺旋地樁的腐蝕環(huán)境

根據(jù)腐蝕環(huán)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(jiàn)圖2)。

2 螺旋地樁的腐蝕機(jī)理

螺旋地樁腐蝕有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類(lèi)型。

化學(xué)腐蝕：物質(zhì)在非電化學(xué)作用下的腐蝕過(guò)程。對(duì)螺旋地樁來(lái)說(shuō)，主要在干燥、高溫的空氣中的腐蝕或是暴露在重污染場(chǎng)所引起的腐蝕。但純化學(xué)腐蝕的情況很少，只有在特殊條件下發(fā)生。

電化學(xué)腐蝕：金屬和其他導(dǎo)體(金屬或非金屬)與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)會(huì)發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子而被氧化，由此導(dǎo)致金屬腐蝕的過(guò)程[1]。整個(gè)腐蝕包括陽(yáng)極溶解氧化過(guò)程和發(fā)生析氫(或吸氧)腐蝕的陰極過(guò)程。

造成螺旋地樁電化學(xué)腐蝕主要是水和氧氣兩個(gè)因素。

(1) 大氣腐蝕：大氣成分中水和氧含量都相對(duì)較高。當(dāng)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(shí)，空氣中的水蒸氣可在金屬表面凝結(jié)，即結(jié)露，這是地樁發(fā)生大氣腐蝕的基本原因[2]。引起腐蝕的原因主要為電化學(xué)腐蝕，且以吸氧腐蝕為主；在一些空氣極度干燥場(chǎng)所，還有化學(xué)腐蝕的存在，主要是金屬與空氣中的氧氣直接反應(yīng)。

(2) 土壤腐蝕：土壤腐蝕是一種電化學(xué)腐蝕。土壤是一種復(fù)雜的多相結(jié)構(gòu)，主要是由土壤顆粒、水、空氣等有機(jī)膠質(zhì)混合顆粒和無(wú)機(jī)物所組成。土壤顆粒之間存在大量毛細(xì)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(dǎo)體。所以當(dāng)螺旋地樁與土壤接觸時(shí)，就形成了腐蝕原電池。大多數(shù)土壤是中性的，也有些土壤呈堿性，如砂質(zhì)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(qiáng)酸性土壤中，如酸性腐殖土和沼澤土，pH值在3～6，才會(huì)發(fā)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(guān)鍵指標(biāo)是鋅層的厚度，一般認(rèn)為兩者成正比關(guān)系。我國(guó)熱鍍鋅厚度的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13912—2002[3]見(jiàn)表1。

表1 未經(jīng)離心處理的鍍層厚度

螺旋地樁的厚度一般為3～4mm，國(guó)家規(guī)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(duì)鋼鐵的防護(hù)作用表現(xiàn)如下：

(1) 鋅在潮濕的環(huán)境中，表面會(huì)形成一層電解質(zhì)溶液薄膜，因此形成腐蝕原電池。其電化學(xué)反應(yīng)式為：

空氣中的CO2與Zn(OH)2反應(yīng)生成ZnCO3。當(dāng)空氣干燥、鍍鋅層表面無(wú)水時(shí)，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(chǎn)物對(duì)鋅層自身有保護(hù)作用，腐蝕速度會(huì)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(dāng)鍍鋅層完好時(shí)，螺旋地樁表面被鋅層完全覆蓋，鋅層腐蝕產(chǎn)生的銹層物質(zhì)會(huì)減緩內(nèi)部鋅層和樁身的腐蝕速度，見(jiàn)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(huán)境中，由于合金層與純鋅層的電極電位不同，電位較負(fù)的純鋅層優(yōu)先被腐蝕，見(jiàn)圖3b。

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

④ 當(dāng)螺旋地樁的鍍鋅層在打樁或安裝的過(guò)程中被磨損或者由于腐蝕原因，導(dǎo)致部分缺失，鍍鋅層、鋅鐵合金層就會(huì)隨著腐蝕的過(guò)程緩慢溶解，同時(shí)其腐蝕產(chǎn)物會(huì)抑制氧向金屬表面擴(kuò)散，從而降低腐蝕速率，見(jiàn)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(fù)的鋅鐵合金對(duì)樁身仍能提供電化學(xué)保護(hù)，見(jiàn)圖3e。

⑥ 當(dāng)鋅鐵合金層被消耗完畢，螺旋地樁就會(huì)裸露在腐蝕環(huán)境中受腐蝕，見(jiàn)圖3f。

通過(guò)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(shuō)至少25年后，純鐵才會(huì)暴露在腐蝕環(huán)境中受腐蝕。

四 熱浸鍍鋅螺旋地樁實(shí)例防腐模型分析（西北地區(qū)）

圖4為內(nèi)蒙古四子王旗施工地現(xiàn)場(chǎng)拔出的一根螺旋地樁，其樁身長(zhǎng)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(qū)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(xiàn)場(chǎng)拔出的螺旋地樁

此螺旋樁的腐蝕環(huán)境模型見(jiàn)表2(表中區(qū)域特點(diǎn)根據(jù)地質(zhì)報(bào)告及實(shí)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(hù)層完好，加之西北地區(qū)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(qū)域，水和氧氣的含量均相對(duì)豐富，鋅層未受損，通過(guò)鋅層的犧牲保護(hù)原理，可有效抵抗土壤腐蝕；深入地下低于0.5m區(qū)域，土質(zhì)相對(duì)密實(shí)，含氧量下降，含水量較小，電化學(xué)腐蝕速度慢，雖鍍鋅層在打樁時(shí)受到土壤和碎石的摩擦受損嚴(yán)重，通過(guò)以上鋅層防護(hù)原理可知，仍可有效抵抗腐蝕，此區(qū)域最不容易受到腐蝕。

表2 西北地區(qū)某工業(yè)地用螺旋腐蝕地樁腐蝕模型

五 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知，螺旋地樁基礎(chǔ)在選用前應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、氣象報(bào)告進(jìn)行分析，鋪設(shè)地點(diǎn)要遠(yuǎn)離或避免強(qiáng)腐蝕性和重污染的場(chǎng)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(fā)生化學(xué)腐蝕，因?yàn)槲廴究諝庵械腟O2、Cl?等物質(zhì)都會(huì)加劇鋅的腐蝕速度[5]；要盡量避開(kāi)透氣性較強(qiáng)的風(fēng)化石和砂石地帶，降低透氧率。

目前國(guó)內(nèi)的大型地面光伏電站都設(shè)立在較為偏遠(yuǎn)的西北地區(qū)，空氣污染不嚴(yán)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(huán)境非常適合使用螺旋地樁。

螺旋地樁的防腐關(guān)系著大型地面光伏電站系統(tǒng)的正常運(yùn)行，通過(guò)對(duì)螺旋地樁表面進(jìn)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(shù)[J] . 科技與企業(yè),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(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào), 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(shù)要求及試驗(yàn)方法 [S] .

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

[5] 施彥彥, 張昭, 張鑒清, 等. 鋅及其合金的大氣腐蝕研究現(xiàn)狀[J] . 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2005, 25 (6): 373－379.