光伏支架的宿命: 腐蚀 | 腐蚀的基本理论

    光伏支架系统常见的材料是钢材，那么钢铁腐蚀就是支架设计时必须重点考虑的内容。这篇文章先从简单的腐蚀原理入手，接下来的文章会分别从“大气腐蚀”、“土壤腐蚀”和“接触腐蚀”等几部分和大家一起探讨，并分析讲解如何在设计阶段考虑和避免腐蚀带来的影响。

    钢铁的宿命

    由于钢铁的物理机械性能比较稳定，塑性好、强度高，所以在工业建筑中，钢铁是使用范围最广的金属材料。但是钢光伏支架在大自然中往往容易被腐蚀，轻者产生铁锈影响美观，重者破坏结构质量，导致建筑物的坍塌，造成事故。据说世界钢材中的十分之一都因腐蚀而报废，可见腐蚀是钢铁无法避开的永恒话题。

    套用美剧《权力的游戏》里面经典的一句话就是:

    “AllMen(Metal) Must Die”

    铁钉实验

    我们在高中学习氧化还原反应时，常常就以钉子的腐蚀来进行讲解。这里小树洞带大家温习下这部分知识点，以此来引出钢铁腐蚀的基本理论。

    A组铁钉: 添加水；含水和氧气

    B组铁钉:添加水、氯化钠；含水、氧气、氯离子

    C组铁钉:添加加热后的水、油；仅含水

    D组铁钉:添加氯化钙；仅含氧气

    其中A组为参考组，其余各组实验中分别含有水、氧气、氯离子三种元素。以此来比较这三种元素对铁钉的影响。

    经过几天的时间，实验结果就很明显了，其中只有A和B组的铁钉生锈，并且B组铁锈比A组严重。而C和D组却没有任何生锈的迹象。由此实验可得以下几点结论：

    B组比较A组，说明氯离子加速了铁的腐蚀。

    C组比较A组，说明氧气为腐蚀的必要条件。

    D组比较A组，说明水为腐蚀的必要条件。

    腐蚀机理

    根据以上实验，我们可以对腐蚀的原因进行一部分感性的认识，但是要真正理解腐蚀的机理就需要从理论上对其进行深入的研究。我们观察发现，钢铁腐蚀后产生了一种新的物质，而这种产生新物种的变化都源自于某种化学反应。

    铁、氧气、水，这三种元素结合在一起就形成了“原电池”，而这种腐蚀又称为“电化学腐蚀”。其本质为氧化还原反应，而根本原因也就是我们常说的“电子迁移”。

    当我们理解了氧化还原的理论后，就可以定量的来解释腐蚀的机理：

    铁原子在氧气的作用下，会失去电子产生氧化铁。

    水充当了反应过程中，电子迁移所必须的电解质。

    大自然中的酸碱性物质，作为催化剂加速了反应。

    ▵铁的腐蚀图例

    铁的腐蚀原理看似简单，但是有时候由于大家没有理解这个现象，反而造成了很多令人遗憾的事故，其中比较有名的就是“沧州铁狮子”。

    ▵沧州铁狮子：又称“镇海吼”，建于后周广顺三年(公元935年)，距今已经有一千多年的历史。上世纪50年代，根据苏联“专家”的建议，沧州文保所在铁狮子上盖了一个遮风挡雨的小亭子，希望减缓铁狮子的进一步腐蚀，但是由于亭子阻碍了水蒸气的快速蒸发，铁狮子、水、氧气在亭子里构成了“原电池”，反而加快了铁狮子的腐蚀速度。小亭子在建造20年后，最终被拆除。

    支架的腐蚀

    对于光伏支架的设计，我们主要考虑来自三个方面的腐蚀影响，他们分别为：

    ▵大气腐蚀：裸露在大气中的上部支架结构，会与空气中的氧气以及水进行相互作用而产生腐蚀，这种腐蚀是最常见，也是最容易被察觉的。

    ▵土壤腐蚀：深埋在地下的钢桩基础，在土壤中各种物质的作用下，会进行更加复杂的化学反应，从而发生腐蚀。由于长期在土壤中，这种腐蚀很难被发现。

    ▵接触腐蚀：不同的金属之间，由于电势差的不同，会发生电子的得失，从而形成电化学腐蚀，这种腐蚀常常被设计师所忽视。

    小树洞在后面的系列里，会简单讲解下如何在设计初期时，定量的考虑和计算上面三种腐蚀情况。

    防腐的方法

   为了减缓甚至避免钢材腐蚀，行业里常见的方法就是在钢材表面上“镀锌”，锌元素在25℃时的标准电势为-0.76V，低于铁的-0.45V，因此锌的“活泼性”比铁要强。锌和铁在潮湿的环境中就形成了“原电池”，同所有的电化学腐蚀原理一样，这个原电池组合就是：

  “牺牲阳极(锌)，保护阴极(铁)”

    ▵各元素的标准电势

    排位越低，越容易失去电子

    由于锌和铁形成的原电池效应，因此即使镀锌层在运输或者安装过程中产生的轻微损伤，也不会影响镀锌层的防腐蚀能力。当然，对于较深的损伤就要额外小心，对这些区域需要进行补锌处理。

   ▵锌、铁和氧气在潮湿环境中形成的原电池

   即使镀锌层受轻微划伤

   也不会影响其腐蚀能力

    另外锌与空气和水反应，产生了一种新的产物：碱式碳酸锌，这种物质表面致密，而且不容易溶解于水，可以很好的将空气与铁隔绝开来，这样就又形成了一层“物理保护”，进一步的减缓了钢材腐蚀。

    常见的镀锌工艺有：热镀锌、预镀锌、电镀锌(冷镀锌)。小树洞这里对镀锌的方法和步骤就不进行过多的描述。当然，不管是哪种镀锌工艺，其锌层本身也是由很多种不同物质构成，例如下图的热镀锌层：

    此外，还有镀镁铝锌、VCI、环氧涂层以及没有任何表面处理的耐候钢等等防腐的工艺。