光伏支架用微型鋼樁的防腐措施及其適用性綜述

蘇芳眉，謝小松

(上海電氣電站工程公司，上海 201100)

0 引言

在地面光伏電站建設中，由于此類項目具有施工周期短、施工流程簡單等特點，綜合考慮地質條件和成本因素，通常優先采用微型鋼樁基礎。光伏支架用微型鋼樁一般采用薄壁型鋼，厚度在3 mm 左右就能滿足光伏支架的承載力要求，但若微型鋼樁稍遭受腐蝕將會大幅影響光伏支架的結構安全性。因此，做好防腐工作是保證光伏支架結構達到設計壽命至關重要的一環。

目前針對光伏支架結構防腐的研究主要集中在其上部結構，而該部分的腐蝕環境為大氣，其與光伏支架下部結構的微型鋼樁所處的土壤環境不同，因此適用的防腐措施也不同。另外，針對地下鋼樁防腐措施的研究主要為壁厚在9 mm 以上、直徑不小于300 mm、長度不小于6 m 的普通鋼樁，且集中在海洋工程中[1-2]，而光伏支架的鋼樁基礎一般壁厚在3 mm 左右、直徑不超過300 mm、長度在3 m 左右，相對而言，屬于微型鋼樁。由于普通鋼樁的單樁用鋼量大，防腐措施對其單樁成本的影響有限；但微型鋼樁的單樁用鋼量小，防腐措施對其單樁成本的影響較大。再加上光伏電站通常需要大量的樁，對整個光伏發電項目而言，防腐措施還需要慎重考慮成本因素，因此，一些適用于普通鋼樁的防腐措施并不能直接套用在光伏支架用微型鋼樁上。需要說明的是，由于鋼樁通常露出地面一定高度作為接頭，與光伏支架上部結構連接，因此實際工程中，針對光伏支架用微型鋼樁防腐措施的研究應綜合考慮其在大氣環境和土壤環境中的腐蝕情況，取二者的最大值作為安全的防腐措施。

本文基于鋼樁的腐蝕機理及國內外關于土壤環境對鋼結構的腐蝕等級評價，對鋼樁在土壤環境中的防腐措施及其原理進行綜述和分析，并提出適用于光伏支架用微型鋼樁的防腐措施。

1 鋼樁的腐蝕機理及國內外關于土壤環境對鋼結構的腐蝕等級評價

1.1 鋼樁的腐蝕機理

天然的鐵礦石是鐵的氧化物，在冶煉過程中，消耗大量的能量后，亞鐵離子(Fe2+)獲得電子被還原成可鍛造、可彎折拉伸、可焊接的金屬鐵。

鋼樁的腐蝕過程主要是金屬鐵的氧化。鐵在環境中水和氧氣的共同作用下會形成原電池，作為正極的鐵單質失去電子，變成Fe2+；鐵單質被氧化后，生成氧化鐵(Fe2O3)，在正極形成空隙，此為鐵單質電化學腐蝕的過程。另外，環境中的酸堿物質作為催化劑參與該反應，將加快腐蝕的進程。鐵單質電化學腐蝕的化學反應方程式如式(1)所示，過程示意圖如圖1 所示。

圖1 鐵單質電化學腐蝕過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrochemical corrosion process of elemental iron

氧氣和水等可以穿過表面疏松多孔的氧化鐵，持續與鐵單質發生反應，直至鐵被完全腐蝕。而土壤中存在著液體(水)、固體(土顆粒、有機質)、氣體(空氣、可燃氣等)三相物質，因此會呈現較為復雜的腐蝕過程。通常，鐵的腐蝕速率會隨著環境中濕度、溫度、氧氣濃度、化學鹽濃度等的增加而增大。

1.2 國內關于土壤環境對鋼結構的腐蝕等級評價

根據GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》[3]的要求，可以根據氯離子(Cl-)濃度、視電阻率、pH 值、氧化還原電位、極化電流密度、質量損失等指標來評價土壤環境的腐蝕等級。其中，土壤環境對鋼結構的腐蝕等級評價如表1 所示。通過查表，可以確定土壤環境對鋼結構的腐蝕等級；另外，土壤環境對鋼結構的腐蝕等級評價取各指標中腐蝕等級最高者。

表1 GB 50021—2001 中土壤環境對鋼結構的腐蝕等級評價Table 1 Evaluation of corrosion grade of soil environment on steel structures in GB 50021-2001

1.3 國外關于土壤環境對鋼結構的腐蝕等級評價

美國水行業協會(American Water Works Association，AWWA)發布了ANSI/AWWA C105/A21.5—2010《Polyethylene encasement for ductileiron pipe systems》[4]，通過對土壤電阻率(基于飽和土樣)、pH 值、氧化還原電位、硫化物含量、濕度和排水條件等各項指標分別進行評分并求和的方式，根據求出的總分數確定土壤環境對鋼結構的腐蝕等級，具體如表2 所示。表中：求和后的總分數越高，表示土壤環境對鋼結構的腐蝕性越強，總分數大于等于10 分表明土壤對鋼結構存在腐蝕，需要采取防腐措施；對于異常嚴苛的環境條件和更多的措施描述，請參考ANSI/AWWA C105/A21.5—2010 中第A.3 部分。

德國標準DIN50929-3《Corrosion of metals——corrosion likelihood of metallic materials when subject to corrosion from the outside——part 3：buried and underwater pipelines and structural components》同樣是采用綜合打分法，評價指標包括土壤類型、土壤電阻率、含水量、pH 值、緩沖容量、硫化物濃度、水溶液中中性鹽濃度、硫酸鹽濃度、地下水情況、水平土壤均一性、垂直土壤均一性、結構的電位、土壤的電位等，具體內容在此不做贅述。

2 鋼樁的防腐措施及針對光伏支架用微型鋼樁的適用性

從前文鋼樁的腐蝕機理分析可以得出，控制鋼樁在土壤環境中的腐蝕可以從陰極保護、屏蔽絕緣、鈍化基材幾個方面考慮。常見的防腐措施包括：腐蝕裕量法、耐候鋼法、油漆涂層法、陰極保護法、熱浸鍍鋅法、鍍鋅鋁鎂法、復合防腐系統，下文對這幾種防腐措施進行詳細分析。

2.1 腐蝕裕量法

腐蝕裕量法為根據鋼樁的腐蝕速率，計算在鋼樁使用壽命期內預期損耗的鋼材厚度，然后再加上根據受力計算得到的鋼材厚度，最終得到鋼樁所用鋼材的總設計厚度。這種方法雖然不能防腐，但能應對腐蝕帶來的不良后果。

關于鋼材在土壤環境中的腐蝕速率有許多實驗研究，其中大多數研究都是基于Romanoff[5]針對地下鋼樁腐蝕進行的現場試驗結果。根據英國標準協會(BSI)發布的BS EN 1993-5：2007《Eurocode 3——design of steel structures——part 5：piling》[6]的規定，在土壤環境中鋼結構的腐蝕速率為每年12～30 μm。以使用壽命期為20 年的光伏電站為例，根據腐蝕的預期損耗，光伏支架用微型鋼樁應增加的厚度為0.6～1.5 mm，考慮1.5 倍安全系數，設計的腐蝕余量厚度為0.9～2.3 mm。

腐蝕裕量法的優點是不用考慮鋼樁在施工過程中的磨損，加工過程簡單，且便于運輸。但由于土壤中很多成分是未測明的，這種方法存在一定的風險。為了保證安全，在設計時通常選擇留出更多的裕量，導致成本會增加更多。另外，這種方法建立在假定腐蝕是均勻發生的，忽略了腐蝕坑(即在某處腐蝕較深，形成坑狀)的存在。由于光伏支架用微型鋼樁的壁厚較薄，厚度的細微變化對結構的力學性能影響很大，腐蝕坑的存在可能對光伏支架的結構安全造成威脅。因為光伏發電項目中光伏支架用微型鋼樁的鋼材用量大，所以其成本對光伏發電項目的成本影響較大，隨著鋼材價格上漲，采用腐蝕裕量法不具有經濟性。

2.2 耐候鋼法

耐候鋼即為耐大氣腐蝕鋼，是由普通碳素鋼添加銅、鎳等合金元素制成的低合金鋼。在合適的環境中，通過與空氣、雨水等作用，耐候鋼鋼材表面會形成致密的氧化保護膜，阻止腐蝕進一步發生。耐候鋼在大氣環境中的抗腐蝕能力是普通碳素鋼的2～8 倍。性能相近的耐候鋼與普通鋼材相比，耐候鋼的價格要高出約60%，雖然初期成本高，但無后期維護成本，對于設計使用壽命長的鋼結構而言，能節省總投資。目前，耐候鋼廣泛應用于暴露在大氣環境中的橋梁、軌道、鉆井平臺等。

耐候鋼在干濕交替的環境中表現最佳，但對于長期潮濕或長期干燥的環境，耐候鋼的致密氧化保護膜無法形成，最終會發生與普通碳素鋼一樣的腐蝕過程[7]。也就是說，在水下或較干燥的土壤環境中，耐候鋼并不適用。因此，普通的耐候鋼并不適用于地下樁基工程，即不適合作為光伏支架用微型鋼樁的鋼材。曾有企業于2013 年推出耐候鋼光伏支架樁基產品，但并未獲得推廣應用和市場認可。

2.3 油漆涂層法

油漆涂層法主要是通過涂覆的方式用油漆對材料本身進行封閉，可提供的防腐強度根據涂層厚度和性能有所差別。一般底漆、中間漆在工廠完成加工，面漆在施工現場進行涂覆，而現場作業時對溫度、濕度等環境條件要求較高，受天氣條件的限制大。油漆涂層的附著力差，不及熱浸鍍鋅層的1/10，也不耐刻劃、刮擦；在鋼樁貫入施工過程中，油漆涂層容易脫落。另外，由于老化、脫落現象，油漆涂層每隔12～15年需要重新涂刷，因此，不適合作為單一的防腐措施應用于樁基工程的入土部分。目前，油漆涂層法較多應用于海洋樁基工程的水下部分，但不包括入土部分[2]。

2.4 陰極保護法

陰極保護法是電化學保護技術的一種，其原理是向被腐蝕金屬結構物表面施加一個外加電流，被保護結構物成為陰極，從而使金屬腐蝕發生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發生。作為犧牲陽極的材料主要有鎂、鋁、鋅3 種金屬材料，其中，常用的是鎂，其是3 種金屬中最活潑的，通常應用于電阻率較大的土壤環境或水下環境中；而鋁、鋅通常應用于電阻率小的海水環境或含鹽量較高的水下環境中，這是因為如果正負極之間的電位差太大，受保護的陰極表面將變得易碎或使防護涂層脫落。

作為一種防腐措施，陰極保護法能應對各種惡劣環境的挑戰，可有效防止鋼樁腐蝕。實際應用中，有的采用鋅鎂套件直接固定在鋼樁的樁頭，有的通過電纜與犧牲的陽極連接。根據李孝瑩等[8]的研究結果，每根光伏支架的鋼樁需配4 kg 的鎂塊。鋅、鎂價格為鋼鐵價格的3～4 倍左右，且由于地面光伏電站中光伏支架用微型鋼樁樁基的數量多，防腐措施采用陰極保護法將導致施工工序增加并帶來較大的成本增加。

2.5 熱浸鍍鋅法

熱浸鍍鋅法是目前光伏支架用微型鋼樁最廣泛采用的一種防腐措施，是通過將金屬浸入熔融鋅浴中，在鋼或鐵上鍍1 層鋅的過程。鍍鋅層氧化后會形成1 層鈍化保護膜，阻止腐蝕進一步發生。熱浸鍍鋅工序在工廠完成鍍制，從而使現場施工更便捷。

純鋅本身的硬度為70DPN，鐵單質的硬度為159DPN，但是鍍鋅層在氧化后生成的鈍化保護膜為3 層結構的鋅鐵合金，表層的合金硬度達到250DPN，能抵抗貫樁過程的磨損。另外，即使發生磨損，由于鋅金屬本身比鐵更活潑，可以當作被犧牲的陽極，為鋼樁提供陰極保護。鍍鋅層越厚，鍍鋅鋼材的抗腐蝕能力越強，鍍鋅層厚度最厚可達125 μm。但是，當鍍鋅層厚度超過80 μm 時，對于薄壁型鋼樁而言，熱浸鍍鋅所花費的成本會大幅提高，且近幾年熱浸鍍鋅法的成本一直在上漲。因此，在鋼樁會被嚴重腐蝕的地區，不適合采用單一的熱鍍鋅薄壁型鋼樁。

目前若無特別說明，光伏支架用微型鋼樁的鍍鋅層厚度在行業內一般采用65 μm，有的光伏發電項目為了節省成本，鍍鋅層厚度甚至會采用45 μm。而如何確定合適的鍍鋅層厚度，是使光伏支架用微型鋼樁獲得合理經濟的防腐手段的關鍵一環。

目前，針對大氣環境中鋼結構的鍍鋅層厚度與環境腐蝕等級之間關系的研究已經較為成熟，國際標準ISO 9223：2012《Corrosion of metals and alloys——corrosivity of atmospheres——classification，determination and estimation》[9]，以及參考國際標準ISO 14713：1999《Protection against corrosion of iron and steel in structures——zinc and aluminium coatings——guidelines》[10](該標準現已更新為新版本)編寫的國標GB/T 19355.1—2016《鋅覆蓋層 鋼鐵結構防腐蝕的指南和建議 第1 部分：設計與防腐蝕的基本原則》[11]均對大氣環境下鍍鋅層的腐蝕速率給出了詳細的計算指導和參考范圍，若獲得足夠的大氣數據，通過這些規范可以確定鍍鋅層的厚度。

但目前對于土壤環境中的鍍鋅層腐蝕與環境腐蝕等級的關系，尚未有規范做出明確說明，這是因為土壤環境十分復雜，做出確切計算非常困難。影響鍍鋅層腐蝕的因素有很多，例如土層透氣性、粒徑、pH 值、含水率、土層溫度、土壤電阻率等，以上因素對腐蝕速率的影響方式為：

1)土層透氣性越好，腐蝕性越弱，這是因為透氣性良好的土壤，浸潤或受潮后更容易蒸發變干燥，會降低腐蝕速率。

2)粒徑較大的沙性土比粘性土具有更好的透氣性。一般而言，透氣性好的土壤常呈紅色、黃色或棕色，這是由于土壤的透氣性良好，氧化鐵離子的含量更高所導致；而透氣性差的土壤通常呈灰色，具有更高的腐蝕性。

3) pH值對鍍鋅層腐蝕速率的影響十分明顯，偏中性的土層通常具有較低的腐蝕性，而酸堿性較大的土層的腐蝕性較大。

4)土層中的水分使土壤成為電解質，從而促進電化學腐蝕。土層含水率增大，電解質溶液增多，腐蝕速度增大。當含水率達到一定程度時，由于土壤中的可溶鹽已充分溶解，腐蝕速度不再有較大改變。

5)一般而言，土層溫度越低，土層的電阻率越高，而電阻率高的土層具有較低的腐蝕速率，但土壤電阻率作為單一變量與腐蝕強度之間并不存在確切聯系。

對于鋼結構的鍍鋅層厚度，國內一般參考GB/T 13912—2020《金屬覆蓋層 鋼鐵制件熱浸鍍鋅層 技術要求及試驗方法》[12]，可根據鋼材厚度確定鍍鋅層的最小厚度，但該標準并未反映出土壤環境的腐蝕差異性。該標準是參考國際標準BS EN ISO 1461—2009《Hot dip galvanized coatings on fabricated iron and steel articles——specifications and test methods》[13]編寫的。

針對如何根據土壤環境腐蝕等級確定鍍鋅層厚度，為了指導工程應用，通過大量的研究，美國鍍鋅協會(American Galvanizers Association，AGA)基于國家波紋鋼管協會 (National Corrugated Steel Pipe Association，NCSPA)和美國鋼鐵產業協會 (American Iron and Steel Instituted，AISI)的研究成果進行總結[14]，提出了通過含水率、氯離子濃度、pH 值，再結合鋼樁設計壽命，以查圖的方式確定鍍鋅層厚度的方法。在實際應用過程中，首先通過氯離子濃度的高低(以20 PPM 為界)確定鍍鋅層在土壤環境中的服務年限，確定選用圖2 還是圖3；然后通過含水率(以17.5%為界)或者pH 值(以7.0為界)確定應查詢的數據圖；最后根據設計服務年限、pH 值、含水率，通過查圖的方式，確定合適的鍍鋅層厚度。需要說明的是，當數值落在邊界點(例如氯離子濃度為20 PPM，或含水率為17.5%，或pH 值為7.0)時，可同時查詢分界點左右的兩張圖，然后取最大鍍鋅層厚度。

圖2 高氯離子濃度 (＞20 PPM)的情況下鍍鋅層在土壤環境中的服務年限Fig.2 Service life of galvanized layer in soil environment under high chloride ion concentration (＞20 PPM)

圖3 低氯離子濃度 (＜20 PPM)的情況下鍍鋅層在土壤環境中的服務年限Fig.3 Service life of galvanized layer in soil environment under low chloride ion concentration (＜20 PPM)

以某光伏電站為例進行分析計算。該光伏電站的設計使用壽命期為30 年；光伏場地土壤中的氯離子濃度為2.5～8.8 PPM，pH 值介于7.5～8.6，含水率為2%～21%；光伏支架用微型鋼樁采用厚度為3.5 mm 的薄壁型鋼。選擇最不利情況進行分析，條件簡化為：氯離子濃度為8.8 PPM、pH 值為7.5、含水率為21%，即為氯離子濃度低、高pH 值的情況，確定應對應查詢圖3a，可得到鍍鋅層厚度應為1.2 mil(即30 μm)，結果如圖4所示。另外，根據GB/T 13912—2020，在鋼結構厚度大于3 mm 且小于6 mm 的情況下，鍍鋅層平均最小厚度為70 μm。綜上所述，在該光伏電站地層條件下，光伏支架用微型鋼樁的鍍鋅層厚度應為70 μm。

圖4 某光伏電站中光伏支架用微型鋼樁的鍍鋅層厚度計算取值Fig.4 Calculation of galvanized layer thickness for micro steel piles for PV brackets in a certain PV power station

2.6 鍍鋅鋁鎂法

鍍鋅鋁鎂鋼板是新型高耐腐蝕性鍍膜鋼板，其鋅鋁鎂鍍層的成分以鋅為主，由鋅、含量為1.5%～11.0%的鋁、含量為1.5%～3.0%的鎂及微量的硅組成(不同廠家的比例稍有區別)。由于這些添加元素的復合效果，發生氧化反應時，生成的銹層在鋅鋁鎂鍍層的表面形成致密封閉層，阻止水分和空氣滲入，阻止腐蝕繼續發生，從而達到防腐蝕的作用。鋅鋁鎂鍍層在厚度相同的情況下，其抗腐蝕能力是熱浸鍍鋅法制備的鍍鋅層的10 倍以上，鋅鋁鎂鍍層表面硬度是熱浸鍍鋅法制備的鍍鋅層的2 倍以上。此外，鋅鋁鎂鍍層的初期腐蝕產物可溶解于水，會流動并覆蓋裸露的基層，在切割斷面上蔓延擴展，覆蓋在已有的紅銹之上，待水分干燥后就形成了密致的保護皮膜，因此具有自我愈合能力。切割斷面部分的耐腐蝕自我愈合能力是鍍鋅鋁鎂鋼板的最大特點，其解決了普通鍍層鋼板無法有效保護剪切斷口、漏鍍點、鍍層破損等位置的缺點。

鍍鋅鋁鎂最早于1985 年，由日本鋼鐵研究中心研發；目前市場上歐美、日韓已形成商業化規模生產，廣泛應用于建材、家電、汽車等行業，并分別申請了大量的專利，雙面鋅鋁鎂鍍層鋼板的鍍層的單位重量普遍在60～450 g/m2，折算后單面鋅鋁鎂鍍層的厚度在5～35 μm 之間。2000年后，中國鋼廠開始研發自主技術，并在2014年開始產業化生產。由于環保問題，熱浸鍍鋅法的成本越來越高，現在鍍鋅鋁鎂法的價格已與熱浸鍍鋅法的價格基本接近，在光伏支架方面的應用越來越廣泛。但由于其在光伏支架樁基方面的應用先例并不多，因此該材料在地下環境中的應用尚需市場的長期驗證。另外，由于鋅鋁鎂鍍層中含鎂元素，在電焊時鎂會產生爆裂火花，因此采用該材料時作業人員應注意防護。

鍍鋅鋁鎂是目前具有廣闊應用前景的新材料，近兩三年來，國內多家鋼廠上線了鍍鋅鋁鎂鋼板生產線，且鍍鋅鋁鎂鋼板越來越多地被應用于光伏市場上。目前已形成批量生產的企業包括河鋼集團唐鋼公司、首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司和酒泉鋼鐵(集團)有限責任公司(下文簡稱為“酒鋼”)，但產品質量有待改進，與國外先進企業的產品尚有一定差距[15]。2021 年，酒鋼開發的超厚鍍鋅鋁鎂產品應用于沿海地區的水面光伏支架[16]，鋅鋁鎂鍍層厚度達450 g/m2(約為167 μm)。

日本、美國，以及歐洲都發布了鍍鋅鋁鎂的產品標準[17]，近兩年，中國由鞍鋼集團有限公司等企業主導編寫了相關的產品標準[18]。但目前市場尚無關于鍍鋅鋁鎂的應用標準。根據一些實驗的研究結果[19]，不同配方、工藝生產的鍍鋅鋁鎂產品的防腐性能差別巨大，同一鍍層厚度的耐腐蝕年限是普通鍍鋅產品的2～20 倍，因此無法像熱浸鍍鋅法一樣，給出具有普適意義的鋅鋁鎂鍍層厚度取值參考。另外，目前針對鍍鋅鋁鎂鋼樁防腐性能的研究均是采用鹽霧試驗，模擬大氣環境下其腐蝕行為，而針對地下環境的腐蝕研究尚未見報道。以上均對鍍鋅鋁鎂鋼樁的應用造成一定阻礙。

2.7 復合防腐系統

當環境十分惡劣，以上單一的防腐措施均無法滿足防腐要求時，可以通過采用2 種或以上的防腐措施組合的方式對鋼結構進行保護，這種防腐措施組合方式稱為復合防腐系統。露出土層之外的鋼結構常見的防腐措施組合方式為“熱浸鍍鋅法+油漆涂層法”。由于比較新的鍍鋅件的表面非常光滑，大多數涂料噴涂都容易脫落掉漆，與基材結合不牢固，因此鍍鋅件必須使用專用的油漆才能保證附著力。但由于油漆涂層法并不適用于土下樁基工程，因此該復合防腐系統不能應用于光伏支架用微型鋼樁的樁基。目前在鋼樁工程中，應用較多的復合防腐系統為“熱浸鍍鋅法+陰極保護法”[8]。

3 結論

本文基于鋼樁的腐蝕機理及國內外關于土壤環境對鋼結構的腐蝕等級評價，對鋼樁在土壤環境中的防腐措施進行了分析，并提出了適用于光伏支架用微型鋼樁的防腐措施，得出以下結論：

1) 目前在光伏支架用微型鋼樁上應用較廣的防腐措施是熱浸鍍鋅法，但該方法僅適用于一般腐蝕環境；

2) 鍍鋅鋁鎂鋼樁適用于腐蝕性強的環境，但需要加大鍍鋅鋁鎂鋼樁在土壤環境的應用研究力度，并制定可指導工程應用的設計規范；

3) 在極端情況下，光伏支架用微型鋼樁的防腐措施還可采用陰極保護法、復合防腐系統，可滿足光伏支架用微型鋼樁20～30 年的使用壽命要求。