耐候鋼應用于光伏支架的耐腐蝕優勢

何榮華，王夏秋

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

2022 年兩會，“碳達峰”“碳中和”被首次寫入政府工作報告，也進一步成為網絡熱詞走入公眾視野。隨著國家對低碳新能源的越發重視，光伏發電作為一種重要的可再生新能源，得到了市場的廣泛認可，需求量也在不斷提高。光伏發電不僅不產生碳排放和污染物，對環境污染小，而且太陽是一種無限能源，可以滿足人類能源的需求。隨之而來的便是市場對于光伏支架的需求。

1 氣候條件對光伏支架的耐腐蝕性的技術參數要求

1.1 云南氣候環境特點

云南省地處高原，山巒起伏，山地面積占全省總面積的94%。境內地形錯綜復雜，有眾多的山脈、河流和湖泊。具有兩大地貌類型，西部為橫斷山縱谷區，東部為廣袤的云南高原。云南省地勢北高南低，屬低緯高原季風氣候，四季溫差小，干濕季分明，立體氣候特征明顯。其主要表現為： ①氣候的區域差異和垂直變化十分明顯。②年溫差小，日溫差大。③降水充沛，干濕分明，分布不均。④交通條件較差，工程區范圍較大，各區域之間地形起伏變化較小，坡度一般為5°~20°不等，植被發育良好。⑤地層主要由基巖及小于5 m 的覆蓋層組成，場地類別為Ⅰ0 或Ⅰ1 類。根據《中國地震動參數區劃圖》，設計地震分組為第三組，場地地震動峰值加速度為0.30 g，基本地震基本烈度為Ⅳ度，反應譜特征周期為0.45 s。

1.2 對光伏支架耐腐蝕性的技術參數要求

本次分析，以滇東北會澤地區的地理環境氣候特點為背景，要求地區光伏支架必須具有非常好的耐候性，能在室外嚴酷的環境下長期穩定可靠地運行，滿足防腐、抗拔、抗壓、抗震等要求。金屬長期暴露在室外，經受風吹雨淋日曬，會對其造成多種多樣的破壞，其中最常見的就是腐蝕破壞，金屬腐蝕后將造成十分巨大的危害，不僅會降低光伏支架自身的價值和使用年限，而且還會造成資源浪費，所以耐腐蝕的工作就顯得十分重要。針對耐腐蝕這一特性，推出了熱鍍鋅作為光伏支架的主要材料，熱鍍鋅是將鋅錠高溫熔化，加入一些輔料，然后浸入工件中，即鍍一層鋅。熱鍍鋅加工是一種有效的金屬防腐的方法，但是熱鍍鋅的缺點也隨之而來，例如，鍍鋅層易脫落、施工時容易劃傷等。在熱鍍鋅的加工過程中容易對環境造成污染，整個鍍鋅過程是在高溫下進行的，助鍍劑中的NH4Cl 極易受熱分解與揮發, 產生大量的NH3、HCl 等剌激性氣體和NH4Cl濃煙,污染環境，高溫環境下，也極其容易產生鋅蒸汽、鋅粉塵，對操作人員造成危害。光伏支架在新型防腐鍍層發展方向的同時，按不銹鋼研發思路，研發出介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼產品——耐候鋼。這種支架材料強度高、重量輕，其鋼結構可實現輕化量25%~30%，而且支架安裝效率高，節省鋼材、便于安裝、生產、加工便利、免涂裝、免維護、經濟適用、綠色低碳環保，具有非常好的應用前景。

2 耐候鋼材料特性分析

2.1 耐候鋼耐腐蝕特點

耐候鋼，又叫做耐大氣腐蝕鋼，是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼，通過在鋼中加入少量Cu、P、Cr、Ni 等合金元素，使鋼鐵材料表面在大氣環境下生成一層致密、具有保護性的銹層，阻止大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入，減緩了銹蝕向鋼鐵材料縱深發展，從而提高耐大氣腐蝕能力。

耐候鋼光伏支架采用熱軋工藝制作，免鍍鋅，免涂裝，使用過程中表面形成的銹層具有保護基體的作用，支架25 年腐蝕減薄量僅為0.1 mm 左右（項目地域不同略有差異）。

支架使用初期表面顏色會隨時間發生變化。初始顏色為灰色，自然條件下，在空氣中水分或雨水作用下表面發生局部銹蝕，銹蝕產物為棕黃色，呈不均勻分布。隨時間延長，銹蝕面積逐漸擴大并且趨于均勻分布，顏色向棕紅色轉變，銹層穩定后呈丹霞色。

表面顏色達到穩定丹霞色所需時間與所在地點空氣濕度或降水情況有關。空氣濕度越低，降雨越少，所需時間越長。支架表面出現銹蝕對使用性能沒有影響。

2.2 耐候鋼耐腐蝕性能對比

光伏支架材料的高強度輕量化、新型防腐鍍層和自耐腐三個發展方向，在當前低碳環保、技術創新和產業轉型升級等政策影響下，越來越多的光伏支架生產企業經過材料特點比較和綜合成本考慮，放棄了原有的熱鍍鋅生產工藝，采購更加低碳環保的新型材料進行光伏支架生產。

表1 不同材料特點比較

由上表可以看出，綠色耐候鋼具有更大的輕量化優勢和低碳環保優勢，在市場價格合理的情況下，擁有更為理想的經濟性優勢。

在C3 環境下，采用熱浸鋅支架，鍍鋅量：雙面500 g/m2，防腐年限25 年，在C3 環境下，采用鍍鋅鋁鎂鋅鍍鋅層在150 g/m2，可滿足25 年的防腐要求。在C3 環境下，采用耐候鋼，可保證25 年均勻腐蝕減薄量不超過0.2 mm。因此在相同的環境下，材料防腐性能滿足規范及設計要求。

2.3 光伏支架耐候鋼腐蝕量預測

按照GB/T 19292-2018《金屬和金屬的腐蝕性大氣腐蝕性》，大氣腐蝕性分類是根據標準試樣第一年腐蝕速率的測定值進行腐蝕性評估。對應于每個腐蝕性等級的標準金屬第一年的腐蝕速率見表2。

表2 不同腐蝕性等級標準金屬暴曬第一年的腐蝕速率表

Q235 鋼在項目所在地的腐蝕速率按照腐蝕等級預測方法--基于環境因素和鋼化學成分的預測方法進行預測。

該方法主要是腐蝕損失隨時間變化的對數曲線外推法。用公式（1）表示。

式中：C—腐蝕損失；t—時間；A，B—常量；

A是t=1 時的腐蝕損失；B是logC隨logt變化的斜率。

依據公式（2）和公式（3），系數A和B被計算為環境因素和合金元素影響的線性組合。

式中：

A和B為公式1 定義的腐蝕損失指數函數的常數，A0 和B0 為表3 中給出的常數；Ai和Bi為表3中給出的環境因素或合金元素的常數；Xi為各環境因素參數和合金元素的組成。

表3 基于環境因素參數和鋼成分計算速率常數A、B 的常數和系數

參照此方法，結合項目所在地的大氣環境參數，結合Q235 鋼的化學成分，可以獲得Q235 鋼在項目所在地的第一年平均腐蝕速度預測值為：12 μm/a。參照 GB/T 19292-2018《金屬和金屬的腐蝕性 大氣腐蝕性》和表1 可以判斷：云南光伏發電項目所在地腐蝕性等級屬于C2 等級。

3 結語

通過以云南省會澤地區地理氣候環境特點為光伏電站支架設計應用背景，可以看出高強度的綠色耐候鋼為主材的支架選材經濟最優。其生產和使用過程中免涂裝、免維護，能夠有效降低后期維護成本。特別是綠色耐候鋼，不存在支架連接點防腐和后期維護問題，相比熱鍍鋅和鍍鋅鋁鎂材料的光伏支架后期維護成本更低。總之，耐候鋼支架是設計上投入了大量的技術力量、選材上經過精心對比，加工工藝經過反復推敲，才最終得到的耐腐蝕性能好、強度高、重量輕、安裝效率高、加工周期短、性能經得住考驗的低碳環保型光伏支架。