光伏支架系統(tǒng)常見(jiàn)的材料是鋼材，那么鋼鐵腐蝕就是支架設(shè)計(jì)時(shí)必須重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。這篇文章先從簡(jiǎn)單的腐蝕原理入手，接下來(lái)的文章會(huì)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(jì)階段考慮和避免腐蝕帶來(lái)的影響。

    鋼鐵的宿命

    由于鋼鐵的物理機(jī)械性能比較穩(wěn)定，塑性好、強(qiáng)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(shuō)世界鋼材中的十分之一都因腐蝕而報(bào)廢，可見(jiàn)腐蝕是鋼鐵無(wú)法避開(kāi)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(shí)驗(yàn)

    我們?cè)诟咧袑W(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)時(shí)，常常就以釘子的腐蝕來(lái)進(jìn)行講解。這里小樹(shù)洞帶大家溫習(xí)下這部分知識(shí)點(diǎn)，以此來(lái)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(shí)驗(yàn)中分別含有水、氧氣、氯離子三種元素。以此來(lái)比較這三種元素對(duì)鐵釘?shù)挠绊憽?

    經(jīng)過(guò)幾天的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)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(méi)有任何生銹的跡象。由此實(shí)驗(yàn)可得以下幾點(diǎn)結(jié)論：

    B組比較A組，說(shuō)明氯離子加速了鐵的腐蝕。

    C組比較A組，說(shuō)明氧氣為腐蝕的必要條件。

    D組比較A組，說(shuō)明水為腐蝕的必要條件。

    腐蝕機(jī)理

    根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，我們可以對(duì)腐蝕的原因進(jìn)行一部分感性的認(rèn)識(shí)，但是要真正理解腐蝕的機(jī)理就需要從理論上對(duì)其進(jìn)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(shuō)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(lái)解釋腐蝕的機(jī)理：

    鐵原子在氧氣的作用下，會(huì)失去電子產(chǎn)生氧化鐵。

    水充當(dāng)了反應(yīng)過(guò)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(jiǎn)單，但是有時(shí)候由于大家沒(méi)有理解這個(gè)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(gè)遮風(fēng)擋雨的小亭子，希望減緩鐵獅子的進(jìn)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(duì)于光伏支架的設(shè)計(jì)，我們主要考慮來(lái)自三個(gè)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(huì)與空氣中的氧氣以及水進(jìn)行相互作用而產(chǎn)生腐蝕，這種腐蝕是最常見(jiàn)，也是最容易被察覺(jué)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(huì)進(jìn)行更加復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，從而發(fā)生腐蝕。由于長(zhǎng)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(shì)差的不同，會(huì)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(jì)師所忽視。

    小樹(shù)洞在后面的系列里，會(huì)簡(jiǎn)單講解下如何在設(shè)計(jì)初期時(shí)，定量的考慮和計(jì)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(jiàn)的方法就是在鋼材表面上“鍍鋅”，鋅元素在25℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)為-0.76V，低于鐵的-0.45V，因此鋅的“活潑性”比鐵要強(qiáng)。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(gè)原電池組合就是：

  “犧牲陽(yáng)極(鋅)，保護(hù)陰極(鐵)”

    ?各元素的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)

    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(yùn)輸或者安裝過(guò)程中產(chǎn)生的輕微損傷，也不會(huì)影響鍍鋅層的防腐蝕能力。當(dāng)然，對(duì)于較深的損傷就要額外小心，對(duì)這些區(qū)域需要進(jìn)行補(bǔ)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(huì)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(kāi)來(lái)，這樣就又形成了一層“物理保護(hù)”，進(jìn)一步的減緩了鋼材腐蝕。

    常見(jiàn)的鍍鋅工藝有：熱鍍鋅、預(yù)鍍鋅、電鍍鋅(冷鍍鋅)。小樹(shù)洞這里對(duì)鍍鋅的方法和步驟就不進(jìn)行過(guò)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(méi)有任何表面處理的耐候鋼等等防腐的工藝。