不同鍍層在中東海灣地區(qū)光伏電站鋼樁基防腐中的試驗(yàn)研究

謝小松，曲 鵬，殷黎明

(1.上海電氣集團(tuán)股份有限公司，上海 201199；2.重慶大學(xué)，重慶 400044；3.中基為(重慶)新材料技術(shù)研究院有限公司，重慶 402760)

0 引言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。中東海灣地區(qū)年水平面太陽總輻照量等級為A 級，非常適合發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)。但該地區(qū)常年高溫多濕，土壤呈中、重度鹽堿化，富含氯離子及硫酸根離子，且濕度大、導(dǎo)電率強(qiáng)，屬土壤重度腐蝕地區(qū)，其土壤條件極易對光伏支架樁基造成腐蝕。光伏支架樁基是將光伏組件及支架的荷載傳遞到地基的受力構(gòu)件，其直接影響到光伏組件的案例及支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。對于大型地面光伏電站，光伏支架樁基數(shù)量達(dá)幾萬根至幾十萬根，且其案例、穩(wěn)定性直接與地形、地質(zhì)條件等有關(guān)。因此，本文針對該地區(qū)光伏電站中光伏支架樁基采用鋼制材料(下文簡稱為“鋼樁基”)時，其表面鍍層的防腐工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究。

以迪拜某光熱-光伏電站為例，其光熱、光伏裝機(jī)容量分別為700 和250 MW，電站位于阿拉伯海灣的南岸，此地是面向波斯灣的一片平坦沙漠之地，為亞熱帶氣候，分為冬夏兩季，氣候溫暖濕潤，被譽(yù)作“沙漠中的綠洲”。電站所在地高溫多濕，夏季最高氣溫可達(dá)50 ℃，即使完全不下雨的天氣，也常觀測到100%的濕度。地形地貌為沙丘和戈壁，站址區(qū)內(nèi)大部分地段(約占總面積的70%)地形較為平坦，部分地段(約占總面積的30%)分布有高低起伏的流動性沙丘，相對高差較大。該地區(qū)為典型的濱海鹽堿土質(zhì)，土壤的平均含水率為25.8%、平均密度為2.6 g/cm3、硫酸鹽平均濃度為4.92 g/L、氯化物平均濃度為4.74 g/L，土壤平均pH 值為9.5，土壤電阻率為20.5～4001.2 Ω·m，屬于重腐蝕土壤環(huán)境[1-2]。

本電站中光伏支架樁基為鋼樁基，材料采用的是H 型和C 型Q235 鋼，其表面鍍層防腐工藝擬采用熱浸鍍鋅或鍍鎂鋁鋅方案[3]。光伏支架鋼樁基的腐蝕環(huán)境示意圖如圖1 所示。

圖1 光伏支架鋼樁基的腐蝕環(huán)境示意圖Fig.1 Schematic diagram of corrosion environment for PV bracket steel pile foundation

電站所在地的土壤地質(zhì)條件具有導(dǎo)電率、氯離子和硫酸根離子均高的特性，鋼樁基在土壤中主要受電化學(xué)腐蝕破壞，其電化學(xué)腐蝕原理如圖2 所示。在堿性電解質(zhì)環(huán)境中，鋼樁基作為陰極發(fā)生析氧反應(yīng)后易發(fā)生腐蝕。腐蝕結(jié)果將影響樁基最終的承載力[4]，為了能更好評估鋼樁基在貫入過程中對其鍍層的影響，應(yīng)加強(qiáng)對其物理力學(xué)性能的研究；同時，應(yīng)重視樁基在該類土壤環(huán)境中的腐蝕問題，以保障其在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)為光伏支架提供有效的荷載支撐。

圖2 鋼樁電化學(xué)腐蝕原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of electro-chemical corrosion principle of steel pile foundation

針對電站土壤特征及環(huán)境腐蝕因子，以分別采用熱浸鍍鋅(HDG)和鍍鎂鋁鋅(AZM)兩種工藝的鋼板作為試驗(yàn)樣板，并進(jìn)行物理力學(xué)、電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，旨在分析不同的鍍層防護(hù)方式在該腐蝕環(huán)境中的防腐效果。本研究對鹽堿地等土壤高腐蝕地區(qū)的光伏電站建設(shè)、光伏支架樁基的設(shè)計(jì)具有十分重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)樣板制作及方案

HDG 是將經(jīng)過預(yù)處理的鋼構(gòu)件充分浸入熔融的鋅液(溫度約438～448 ℃)中鋅浴，使鋼表面和鋅液之間發(fā)生冶金反應(yīng)，通過形成的鋅鐵合金或鐵鋅混合物使鋅涂層結(jié)合于鋼表面，凝固后形成鋅或鋅鐵合金鍍層的工藝[5]。

AZM 中合金化合物的主要功能是抑制合金元素形成支晶，降低鋅層表面張力，減少晶界腐蝕情況；此外AZM 鍍層還可以有效降低合金的熔點(diǎn)，增強(qiáng)鍍鋅過程中液態(tài)鋅的流動性，提高材料的耐腐蝕能力[6]。鋅加入鎂后，耐腐蝕性能有所改善，少量的鎂能增加鋅鋁合金鍍層的耐腐蝕性，抑制合金的晶界腐蝕，消除合金中雜質(zhì)的不良影響。隨著鎂含量的增加，鍍層腐蝕產(chǎn)物中的非晶態(tài)物質(zhì)含量逐漸增多，而這種非晶態(tài)物質(zhì)的電阻率較大，使腐蝕電極反應(yīng)受到一定抑制，表現(xiàn)出較好的抗腐蝕性能[7]。

AZM 和HDG 試驗(yàn)樣板的鍍層平均厚度均為25 μm，二者的試驗(yàn)樣板照片如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)樣板照片F(xiàn)ig.3 Photos of test sample plates

試驗(yàn)對兩種樣板分別進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)掃描、X 射線衍射儀(XRD)分析、維氏硬度測試、耐磨性測試及電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表1 所示。

表1 樣板試驗(yàn)方案Table 1 Test schemes of sample plates

2 SEM 掃描及XRD 分析

對AZM 和HDG 樣板進(jìn)行SEM 掃描及XRD 分析，結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 樣板的SEM 掃描照片F(xiàn)ig.4 SEM scanning photos of templates

圖5 樣板的XRD 分析結(jié)果Fig.5 XRD analysis results of sample plates

從圖4、圖5 可以看出，HDG 樣板的晶體結(jié)構(gòu)主要以Zn 及AlZn 合金組成，各種晶相分布較均勻。而AZM 樣板含有MgZn2及AlMg 合金，且其SEM 掃描照片中也顯示出多種合金呈共晶分布狀態(tài)。鋁是熱浸鍍鋅中非常關(guān)鍵的金屬元素，鋅鍋中鋁含量決定了鍍層各晶相的結(jié)構(gòu)及鋅鍋鍍鋅品質(zhì)[8]，因此AZM 鍍層有較強(qiáng)的耐氯、耐堿腐蝕能力。

3 維氏硬度及耐磨性能測試分析

對兩種樣板分別進(jìn)行維氏硬度及耐磨性能測試分析，測試照片如圖6、圖7 所示，測試結(jié)果數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 兩種樣板的維氏硬度和耐磨性能測試結(jié)果數(shù)據(jù)Table 2 Test results of Vickers hardness and wear resistance of two sample plate

圖6 兩種樣板的維氏硬度測試照片F(xiàn)ig.6 Test photos of Vickers hardness of two sample plates

圖7 兩種樣板的耐磨性能測試照片F(xiàn)ig.7 Test photos of wear resistance of two sample plates

由表2 可知，AZM 樣板的平均維氏硬度及耐磨性能均優(yōu)于HDG 樣板，因此AZM 鍍層的物理力學(xué)性能、耐磨性能更優(yōu)。

4 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)

光伏支架鋼樁基在高鹽、高導(dǎo)電土壤中的腐蝕類型主要為電化學(xué)腐蝕，由于材質(zhì)不同等原因?qū)е落摌痘a(chǎn)生電位差，電解質(zhì)溶液形成電流回路，進(jìn)而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕[9-11]。電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)采用的是Princeton P4000 電化學(xué)工作站，采用三電極體系，電化學(xué)工作站和三電極試驗(yàn)艙的實(shí)物圖如圖8 所示，測試樣板作為工作電極，參比電極為Ag/AgCl電極，對電極為Pt 電極。試驗(yàn)環(huán)境模擬項(xiàng)目場地條件，具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如表3 所示。

表3 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)條件Table 3 Electro-chemical corrosion test conditions

圖8 電化學(xué)工作站和三電極試驗(yàn)艙實(shí)物圖Fig.8 Photos of electro-chemical workstation and three electrode test chamber

依據(jù)試驗(yàn)條件，對以上4 種參數(shù)設(shè)計(jì)三水平正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)表如表4 所示。

表4 正交試驗(yàn)表Table 4 Orthogonal experimental table

利用Princeton P4000 電化學(xué)工作站測試得到兩種板的塔菲爾(Tafel)極化曲線，腐蝕體系的極化過程中電極表面的狀態(tài)會不斷變化，這導(dǎo)致了Tafel極化曲線在測試時很難達(dá)到完全穩(wěn)定的狀態(tài)，通常以很慢的速度進(jìn)行電位掃描[12]。試驗(yàn)電位掃描范圍為開路電位(OCP) 0.5 V，掃描速度為0.01 V/s，測得對應(yīng)的腐蝕電流密度i，根據(jù)測試得到的自然腐蝕電位Ec、腐蝕電流密度繪制得到Tafel極化曲線[13]。依據(jù)法拉第定律，即可計(jì)算求得兩種樣板的金屬腐蝕速率Vp。金屬耐蝕性等級的劃分依據(jù)金屬耐蝕性分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分[14]。兩種樣板的電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果分別如表5、表6 所示。

表5 HDG 樣板的電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Electro-chemical corrosion test results of HDG sample plates

表6 AZM 樣板的電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Electro-chemical corrosion test results of AZM sample plates

由表5、表6 可知：相同試驗(yàn)條件下AZM樣板的腐蝕電位低于HDG 樣板的，腐蝕電流AZM 樣板低于HDG 樣板。說明AZM 鍍層的防電化學(xué)腐蝕效果優(yōu)于HDG 鍍層。

5 結(jié)論

光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，中東海灣地區(qū)的鹽堿地尤其適合發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，場地具有高鹽、高導(dǎo)電腐蝕特征。在該地區(qū)發(fā)展光伏電站，尤其要關(guān)注光伏支架鋼樁的長期耐腐蝕性能。AZM 鍍層和HDG 鍍層是常用的防腐方式，本文通過SEM 掃描及XRD 分析其微觀結(jié)構(gòu)特征、通過維氏硬度分析、耐磨性能測試，分析了其物理力學(xué)性能；通過電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)論證了兩種不同鍍層的耐蝕性能。得到如下結(jié)論：

1) AZM 鍍層由于合有MgZn2及AlMg 合金的成分，較HDG 鍍層具有較強(qiáng)的耐氯（鹽、汗跡、海水、海風(fēng)、土壤等中的氯）和耐堿腐蝕能力；

2) AZM 鍍層的物理力學(xué)性能、維氏硬度、耐磨性能更優(yōu)于HDG 鍍層，能更好地滿足機(jī)械施工的要求；

3) AZM 鍍層的耐電化學(xué)腐蝕性能在同樣的腐蝕環(huán)境中明顯優(yōu)于HDG 鍍層。

因此，在中東海灣地區(qū)的光伏支架鋼樁其中，AZM 鍍層較HDG 鍍層更適合作為主要的防腐方式。