沿海灘涂地面光伏項(xiàng)目的腐蝕因素分析及防腐策略

引言

據(jù)沿海11個(gè)省市自治區(qū)海岸帶調(diào)查資料,我國(guó)大陸海岸線長(zhǎng)1.8萬(wàn)km,共有灘涂資源面積217.09萬(wàn)hm2,利用其發(fā)展地面光伏發(fā)電具有良好的前景。圖1為華能威海海埠光伏發(fā)電有限公司位于威海海邊的20Mw灘涂電站。

圖1山東威海海埠光伏電站

1腐蝕因素分析

1.1地面光伏項(xiàng)目的主要構(gòu)成

沿海地面光伏電站一般由管樁及支架、組件矩陣、光伏場(chǎng)用逆變器和變壓器、升壓站等組成。其中光伏廠區(qū)的光伏陣列基礎(chǔ)、集中式逆變器和變壓器的平臺(tái)基礎(chǔ)一般使用空心預(yù)制管樁,其入土深度根據(jù)勘察和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)而定:支架系統(tǒng)的材料多為鍍鋅碳鋼:逆變器和變壓器的外殼多采用冷軋鋼板、鍍鋅板等材質(zhì),表面需要經(jīng)過靜電噴塑等加工:集電線路的直流電纜大多放入冷軋板材料制作的橋架中:交流電纜多使用直埋形式。

1.2腐蝕媒介

沿海灘涂光伏電站的腐蝕媒介主要是土壤和海洋大氣環(huán)境。

1.2.1土壤

灘涂土壤中含有大量的鹽類及氯離子,它們會(huì)破壞金屬的鈍化層,導(dǎo)致金屬嚴(yán)重腐蝕。土壤中的鹽類以Cl-為主,溶液濃度增加會(huì)增強(qiáng)金屬的導(dǎo)電性和陽(yáng)極反應(yīng),加大腐蝕性。但鹽濃度增大的同時(shí)會(huì)促使溶解氧濃度下降,因此鹽濃度達(dá)到一定值時(shí)則腐蝕速度下降。預(yù)制管樁入土段的腐蝕因素包括：

（1）硫酸鹽腐蝕。土壤中的硫酸鹽與混凝土的氫氧化鈣等發(fā)生反應(yīng),生成石膏、硫鋁酸鈣等,其體積的膨脹使混凝土變得易碎。具體分析如下：

1)石膏結(jié)晶。海水so42-可以通過毛細(xì)通道與混凝土中的Ca)oH)2發(fā)生反應(yīng)生成生石膏,即二水石膏。隨后二水石膏與混凝土中的水化鋁酸鈣反應(yīng),生成高硫型水化硫鋁酸鈣。高硫型水化硫鋁酸鈣晶體中存在不少的結(jié)晶水,其體積的膨脹使得固相體積增大,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂。

2)鎂鹽結(jié)晶。海水普遍存在硫酸鎂。Mg2+、so42-與混凝土中的Ca)oH)2會(huì)發(fā)生反應(yīng),生成的Mg)oH)2沒有膠結(jié)能力,影響混凝土的膠凝過程。同時(shí)上述反應(yīng)還降低了混凝土中的堿含量,導(dǎo)致水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物分解生成水化硅酸鎂及石膏。而水化硅酸鎂具有黏性差、強(qiáng)度低的特點(diǎn),同時(shí)石膏和鈣礬石晶體的生成會(huì)引起混凝土的體積膨脹。兩者會(huì)使得混凝土的表面結(jié)構(gòu)容易開裂,導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度和耐久性能惡化。

（2）電化學(xué)腐蝕。土壤中富含的氯離子通過混凝土中的毛細(xì)通道及微裂縫到達(dá)鋼筋表面,破壞鋼筋表層的氧化鐵保護(hù)層,隨后的電化學(xué)腐蝕及其帶來的內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層出現(xiàn)開裂。

作為電解質(zhì)溶液,海水成分復(fù)雜,并溶有腐蝕去極化劑的氧。表面成分不均勻的碳鋼浸在海水中,致使海水界面上的電極電位分布出現(xiàn)微觀上的不均勻,由此碳鋼表面形成無數(shù)個(gè)腐蝕微電池,出現(xiàn)陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū):

電極電位較低的區(qū)域陽(yáng)極區(qū):Fe一Fe2++2e-。

電極電位較高的區(qū)域—陰極區(qū):1/202+H20+2e-一20H-。

此外,碳鋼還存在宏電池腐蝕現(xiàn)象,主要原因與海水中碳鋼的表面溫度、氧含量和受應(yīng)力不同有關(guān)。

1.2.2海洋大氣環(huán)境

鹽霧、濕度、溫度是海洋大氣環(huán)境影響金屬腐蝕的主要因素。根據(jù)1s09223:2012標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)大部分沿海地區(qū)的大氣腐蝕等級(jí)為C3級(jí)或C4級(jí),在極個(gè)別海岸地區(qū)可達(dá)到C5級(jí)。鹽霧的組成成分與海水相似,主要為懸浮在大氣中的氣溶液狀氯化鈉)NaC1)。

鹽霧會(huì)使露出地面的預(yù)制管樁產(chǎn)生風(fēng)化現(xiàn)象?；炷帘韺拥柠}溶液結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力會(huì)引發(fā)混凝土的表面剝落,同時(shí)滲透進(jìn)入混凝土的鹽分會(huì)銹蝕混凝土中的鋼筋。另外,鹽霧還會(huì)腐蝕預(yù)制管樁上部的鍍鋅支架系統(tǒng)、變壓器和逆變器的外殼等金屬。

2防腐策略

針對(duì)腐蝕的部位及其制成材料的不同,需要采取不同的防腐策略。

2.1預(yù)制管樁

針對(duì)預(yù)制管樁,需要使用高性能混凝土提高管樁的抗氯離子滲透能力、抗?jié)B性能、耐久性等?；炷恋目孤入x子滲透性與孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān),因此可通過合理選用原材料、提升混凝土密實(shí)度、加入添加料、增加保護(hù)層厚度、使用防腐阻銹劑、采用涂層鋼筋等方法改善混凝土的孔結(jié)構(gòu),詳述如下:

(1)摻入引氣劑。引氣劑可以使混凝土拌合物在拌和過程中引入空氣,形成大量微小、封閉而穩(wěn)定的氣泡。

優(yōu)質(zhì)引氣劑引入的大量分布均勻的圓形微細(xì)氣孔,可以改善混凝土的坍落度、流動(dòng)性和可塑性:減少有害孔,切斷腐蝕介質(zhì)侵入混凝土的通路:減少混凝土泌水和離析,提高混凝土的均質(zhì)性:降低熱擴(kuò)散及傳導(dǎo)系數(shù),提高混凝土體積穩(wěn)定性和耐候性,延長(zhǎng)管樁使用壽命。聚竣酸系減水劑在生產(chǎn)中需要先用消泡劑來消泡,然后摻入引氣劑以引入大量微氣泡,其分布均勻、穩(wěn)定而封閉。

松香類的廉價(jià)低質(zhì)引氣劑在國(guó)內(nèi)使用較廣,但它會(huì)在混凝土管中形成較大氣泡,進(jìn)而生成聯(lián)通性的大氣泡,因此對(duì)提高抗?jié)B透性能幫助不大。

(2)合理選擇水泥和骨料材料。沒有經(jīng)過整形的粗集料棱角和針片狀顆粒含量過多,會(huì)使混凝土中氣泡難以排出,導(dǎo)致滯留氣泡過多。對(duì)細(xì)集料顆粒而言,天然砂資源越來越少,如果采用沒有充分整形的人工砂或混合砂替代,因其顆粒形狀較差,氣泡難以排出,管樁表面收水時(shí)會(huì)造成較多的砂眼。因此,粗集料應(yīng)選用不大于20mm級(jí)配良好的碎石,且要進(jìn)行壓碎指標(biāo)和巖石立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。細(xì)骨料應(yīng)采用中砂,其細(xì)度模數(shù)宜大于2.6,含泥量不應(yīng)大于1.0%,不允許有泥塊。

(3)使用粉煤灰。把優(yōu)質(zhì)粉煤灰融合到混凝土中,能夠增強(qiáng)其抗?jié)B能力、抗硫酸鹽腐蝕性和抗鎂鹽腐蝕性等性能。適量粉煤灰的作用具體表現(xiàn)在改善混凝土拌合料黏聚性和保水性,減少坍落度的經(jīng)時(shí)損失:減少水化放熱量,因此施工時(shí)混凝土的溫升較小,可明顯減少溫度裂縫:由于二次水化作用,混凝土的密實(shí)度得以提高,界面結(jié)構(gòu)得到改善:二次反應(yīng)使得易受腐蝕的氫氧化鈣數(shù)量降低:吸附水泥中的堿,并與堿發(fā)生反應(yīng)而消耗其堿類數(shù)量。粉煤灰的添加量與混凝土的抗?jié)B性能密切相關(guān),一般以20%為宜。

(4)增加保護(hù)層厚度。研究表明,混凝土保護(hù)層的厚度、裂縫寬度和鋼筋銹蝕之間相互影響。增加保護(hù)層厚度,減少裂縫寬度,可以降低鋼筋的銹蝕率[4]。

(5)控制混凝土配合比。關(guān)于砂率,如果粗集料與細(xì)集料的比例偏高,則細(xì)集料及膠凝材料難以填充粗集料之間的空隙:如果粗集料與細(xì)集料的比例偏低,則混凝土黏稠會(huì)導(dǎo)致氣泡難以排出。外加劑摻量需要合理控制,如果減水劑的摻量不合適,產(chǎn)生要求氣泡的條件將隨之改變:同時(shí)要防止過振,否則微氣泡會(huì)連通起來形成大的氣泡增大通路。對(duì)于水灰比,如果水灰比過小,混凝土料黏稠,則離心成型時(shí)氣泡將難以排出:如果水灰比過大,則多余水分會(huì)形成自由水,進(jìn)而轉(zhuǎn)換成多余的氣泡。攪拌時(shí)間參數(shù)要合理選定,在水灰比較低、用水量較少的情況下,如果攪拌時(shí)間不足導(dǎo)致攪拌不勻,則外加劑多的地方氣泡多,外加劑少的地方坍落度小。

(6)通過試驗(yàn)確定離心成型工藝的合理參數(shù)。離心成型是確保管樁混凝土達(dá)到良好密實(shí)度的關(guān)鍵工序,離心加速度、離心時(shí)間與離心后混凝土的密度緊密相關(guān)。如果控制不當(dāng),管樁離心后雖然內(nèi)壁比較光滑、外觀美觀,但土分層較明顯,密實(shí)度不均。因此應(yīng)通過試驗(yàn),確認(rèn)合理的離心時(shí)間和離心加速度。

2.2支架

目前國(guó)內(nèi)地面電站的支架材料大都選用o235鋼材,使用熱鍍鋅工藝加工防腐。針對(duì)沿海的特殊環(huán)境,需要采取多種措施提高金屬的防腐蝕性能。

2.2.1增加鍍鋅厚度

一般來說鍍層越厚,全部腐蝕所需的時(shí)間越長(zhǎng),結(jié)合沿海環(huán)境及經(jīng)濟(jì)性,建議熱鍍鋅厚度增加至85um以上。

鋅液溫度、浸鋅時(shí)間、工件表面清潔度會(huì)影響鍍鋅厚度。當(dāng)鋅液溫度低于430℃時(shí),鋅鐵的擴(kuò)散速度不足,難以生成足夠的鐵鋅合金層厚度:當(dāng)溫度高于465℃時(shí),鋅鐵擴(kuò)散速度加快,鋅層厚度快速增加,但當(dāng)溫度再升高,鋅液濃度下降,鋅層厚度會(huì)再次變薄。一般情況下,鍍件厚度越大,浸鋅時(shí)間越長(zhǎng):但浸鋅時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)使鋅層變脆。另外,表面光潔度高的工件鋅層相對(duì)較薄,建議在合適的鋅液溫度下,適當(dāng)延長(zhǎng)浸鋅時(shí)間來增加鋅層厚度。

2.2.2提高鍍鋅工藝水平

熱浸鋅鋼件表面缺陷會(huì)影響其抗?jié)B透能力,鍍鋅原材料的表面夾渣、劃傷、裂紋等以及鍍鋅過程中的鋅液成分、溫度等工藝因素均和鍍鋅層質(zhì)量緊密相關(guān)。加工中需要關(guān)注的關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)如下:

(1)原料缺陷的處理。受制于鋼廠加工工藝及運(yùn)輸中的保護(hù)不足,鋼材表面普遍存在裂紋、結(jié)疤、皺皮等缺陷。熱浸鋅前應(yīng)對(duì)表面裂紋、皺皮、結(jié)疤、麻面進(jìn)行打磨和補(bǔ)焊。

(2)漏鍍的處理。漏鍍是較為嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷。在施工現(xiàn)場(chǎng),針對(duì)單個(gè)面積小于l0cm2的裸露斑點(diǎn),可以采用熱噴涂鋅、涂敷富鋅涂料方法修復(fù)。

(3)原材料表面的潔凈度。如果工件表面存在油污、漆斑等,在鍍鋅進(jìn)料前可采取專用除油劑、涂抹堿液、火燒等方法進(jìn)行處理。酸洗不完全而殘留的銹斑,可以采取延長(zhǎng)酸洗時(shí)間來解決:對(duì)銹蝕層較厚的工件,可以用機(jī)械鏟除方法進(jìn)行預(yù)處理[5]。

(4)助鍍劑的使用。支架鍍鋅使用的助鍍劑是氯化鋅、氯化銨按照比例配制的水溶液,用于將工件表面與空氣隔開,防止經(jīng)堿洗脫脂、酸洗除銹后的潔凈鋼基表面發(fā)生氧化。需要注意助鍍劑要定期化驗(yàn),確保其鐵含量控制在7g/L以下,酸含量控制在4g/L以下,溶液的pH值控制在4~6。

2.2.3作為替代方案的鍍鋅鋁鎂防腐工藝

在傳統(tǒng)純鋅鍍層(GI)中添加一定量的鋁和鎂,形成如圖2所示的鋅鋁鎂鍍層(ZM)。

林源等人研究了熱鍍Zn-A1-Mg層的防腐機(jī)理[6]。鋅鋁鎂鍍層主要由純Zn相、Zn-MgZn2二元共晶相和Zn-A1-MgZn2三元共晶相組成,鍍層截面由枝晶狀組織和合金層組成,枝晶狀組織分布于鍍層的整個(gè)截面上。鍍層中A1、Mg及MgZn2相的存在可以在鍍層表面形成穩(wěn)定的化合物,降低Zn的溶解速度,避免腐蝕的發(fā)生:共晶相可以使Mg元素在鍍層中均勻分布,促使致密的堿式碳酸鋅等腐蝕產(chǎn)物的生成,從而抑制陰極反應(yīng),增強(qiáng)熱鍍Zn-A1-Mg層的耐蝕性。

與常規(guī)鍍鋅產(chǎn)品相比,鋅鋁鎂鍍層能實(shí)現(xiàn)更出色的耐腐蝕性,如圖3所示。即使需要切割構(gòu)件,其斷面鍍層也能形成由氫氧化鋅、堿性氯化鋅及氫氧化鎂等組成的致密保護(hù)膜來抑制腐蝕。由于熱鍍鋅鋁鎂構(gòu)件的耐蝕能力達(dá)到普通熱鍍鋅的10~20倍和切割斷面的自我愈合能力,熱鍍鋅鋁鎂合金鍍層板制成的構(gòu)件服役壽命將會(huì)很長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)如寶鋼等,會(huì)向用戶出具30年工件不穿孔的質(zhì)保承諾書。

2.2.4斷面的處理

使用熱鍍鋅或鍍鋅鋁鎂工藝的構(gòu)件,當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)需要焊接、開孔、切割斷面等再加工時(shí),建議進(jìn)行銹蝕清理和噴鋅及補(bǔ)漆處理。一般先用醇溶性無機(jī)富鋅底漆打底及調(diào)平:中間層使用環(huán)氧云鐵漆封閉以杜絕空氣侵入底漆:丙烯酸聚氨酯面漆可以保證涂裝質(zhì)量,并能保護(hù)中間漆。

2.2.5陰極保護(hù)措施的使用

對(duì)于鹽堿腐蝕嚴(yán)重的部位,可采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)措施。

2.3埋地電纜

建議使用防海水耐腐蝕電纜或者增設(shè)套管隔絕土壤的氯離子侵蝕。

2.4變壓器和逆變器

變壓器和逆變器的外殼一般選用鍍鋅鋼板制成,可以通過下列措施提高防腐性能:

(1)選用耐腐蝕性能更好的鋁合金。侯健等人的研究表明A1-Mg系鋁合金在海洋大氣中的腐蝕率較低,5A02、5A03鋁合金在青島海洋大氣中暴露1年的平均腐蝕率為0.32~0.85am/m,暴露8年的腐蝕率a0.<am/m。另外,A1-Mg系鋁合金還具有較好的耐點(diǎn)蝕性能,5A02、5A03鋁合金在暴露8年后點(diǎn)蝕深度小于0.3mm,顯示出良好的耐蝕性[7]。

(2)采用酸洗磷化處理,以便在鋼板表面形成致密的耐腐蝕氧化膜[8],可以有效隔絕空氣、水分等腐蝕物質(zhì)。

2.5接地系統(tǒng)

常規(guī)的接地系統(tǒng)主要由鍍鋅扁鐵焊接而成,材料多選擇0235鋼材。研究表明,鍍鋅層呈現(xiàn)較高的腐蝕活性,在高鹽堿環(huán)境下對(duì)鋼不具有保護(hù)作用,因此不推薦使用。替代的材料包括:

(1)銅覆鋼材料。銅的平均腐蝕率明顯好于鍍鋅鋼,其耐腐蝕性可較熱鍍鋅鋼提高5~10倍,使用壽命更長(zhǎng)。在40年設(shè)計(jì)壽命條件下,使用銅覆鋼材料的全壽命周期投資成本要大幅度低于純銅。

(2)不銹鋼材料。研究表明,不銹鋼材料在海洋環(huán)境下腐蝕率小,具有良好的抗腐蝕性能。周波研究發(fā)現(xiàn),在配方為20%Cr、6%Mo、18%Ni、4%Mn、0.5%si、0.5%V,其余為鐵時(shí),不銹鋼具有優(yōu)良的耐海水腐蝕性能。在1050℃保溫0.5h,后油淬,實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化,816℃保溫0.5h調(diào)整處理,然后在α相和g相過渡區(qū)進(jìn)行時(shí)效處理,試驗(yàn)鋼的耐蝕效果最佳。國(guó)外學(xué)者還分析了ss30<和ss316不銹鋼在空氣、土壤、海洋潮上帶等環(huán)境下的腐蝕率,試驗(yàn)表明不銹鋼在三種條件下均表現(xiàn)出良好的防腐蝕性能[11],具體數(shù)據(jù)如圖4所示。

3結(jié)語(yǔ)

針對(duì)沿海灘涂地面光伏電站的金屬設(shè)備和材料受到海洋大氣、土壤中的海水溶液侵蝕容易發(fā)生腐蝕生銹的情況,本文結(jié)合光伏電站的現(xiàn)場(chǎng)情況,提出了光伏主要設(shè)備和材料抗腐蝕的具體措施,可為設(shè)備和材料采購(gòu)及施工提供參考。