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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(tǒng)常見的材料是鋼材，那么鋼鐵腐蝕就是支架設(shè)計時必須重點考慮的內(nèi)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(shè)計階段考慮和避免腐蝕帶來的影響。
 
光伏支架的宿命: 腐蝕 | 腐蝕的基本理論
鋼鐵的宿命
 
由于鋼鐵的物理機械性能比較穩(wěn)定，塑性好、強度高，所以在工業(yè)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(chǎn)生鐵銹影響美觀，重者破壞結(jié)構(gòu)質(zhì)量，導(dǎo)致建筑物的坍塌，造成事故。據(jù)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(quán)力的游戲》里面經(jīng)典的一句話就是:
 
“AllMen(Metal) Must Die”
 
鐵釘實驗
 
我們在高中學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)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(xí)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?shù)挠绊憽?br />  

 
經(jīng)過幾天的時間，實驗結(jié)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(yán)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(jié)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(jù)以上實驗，我們可以對腐蝕的原因進行一部分感性的認(rèn)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(fā)現(xiàn)，鋼鐵腐蝕后產(chǎn)生了一種新的物質(zhì)，而這種產(chǎn)生新物種的變化都源自于某種化學(xué)反應(yīng)。
 
鐵、氧氣、水，這三種元素結(jié)合在一起就形成了“原電池”，而這種腐蝕又稱為“電化學(xué)腐蝕”。其本質(zhì)為氧化還原反應(yīng)，而根本原因也就是我們常說的“電子遷移”。
 

 
當(dāng)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(chǎn)生氧化鐵。
 
水充當(dāng)了反應(yīng)過程中，電子遷移所必須的電解質(zhì)。
 
大自然中的酸堿性物質(zhì)，作為催化劑加速了反應(yīng)。
 

 
?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(xiàn)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(zhèn)海吼”，建于后周廣順三年(公元935年)，距今已經(jīng)有一千多年的歷史。上世紀(jì)50年代，根據(jù)蘇聯(lián)“專家”的建議，滄州文保所在鐵獅子上蓋了一個遮風(fēng)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(fā)，鐵獅子、水、氧氣在亭子里構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)，會與空氣中的氧氣以及水進行相互作用而產(chǎn)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(chǔ)，在土壤中各種物質(zhì)的作用下，會進行更加復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，從而發(fā)生腐蝕。由于長期在土壤中，這種腐蝕很難被發(fā)現(xiàn)。
 
?接觸腐蝕：不同的金屬之間，由于電勢差的不同，會發(fā)生電子的得失，從而形成電化學(xué)腐蝕，這種腐蝕常常被設(shè)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(shè)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(yè)里常見的方法就是在鋼材表面上“鍍鋅”，鋅元素在25℃時的標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境中就形成了“原電池”，同所有的電化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)，因此即使鍍鋅層在運輸或者安裝過程中產(chǎn)生的輕微損傷，也不會影響鍍鋅層的防腐蝕能力。當(dāng)然，對于較深的損傷就要額外小心，對這些區(qū)域需要進行補鋅處理。
 

 
?鋅、鐵和氧氣在潮濕環(huán)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(yīng)，產(chǎn)生了一種新的產(chǎn)物：堿式碳酸鋅，這種物質(zhì)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(yù)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(dāng)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(zhì)構(gòu)成，例如下圖的熱鍍鋅層：
 

 
此外，還有鍍鎂鋁鋅、VCI、環(huán)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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