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光伏支架的宿命: 腐蚀 | 腐蚀的基本理论

光伏零部件  来源:小树洞谈光伏支架  作者:John Smart  2020/8/24 9:10:24  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:引导语

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。

(来源:微信公众号“小树洞谈光伏支架”ID:SolarMountingSystem)

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。但是钢制材料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。

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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。

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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”。

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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。

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▵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)”

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▵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。

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▵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:

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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。


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