作者:John Smart
2020/8/24 9:10:24 我要投稿北極星太陽能光伏網訊:引導語
光伏支架系統常見的材料是鋼材，那麼鋼鐵腐蝕就是支架設計時必須重點考慮的內容。這篇文章先從簡單的腐蝕原理入手，接下來的文章會分別從「大氣腐蝕」、「土壤腐蝕」和「接觸腐蝕」等幾部分和大家一起探討，並分析講解如何在設計階段考慮和避免腐蝕帶來的影響。
（來源：微信公眾號「小樹洞談光伏支架」ID：SolarMountingSystem）
鋼鐵的宿命
由於鋼鐵的物理機械性能比較穩定，塑性好、強度高，所以在工業建築中，鋼鐵是使用範圍最廣的金屬材料。但是鋼製材料在大自然中往往容易被腐蝕，輕者產生鐵鏽影響美觀，重者破壞結構質量，導致建築物的坍塌，造成事故。據說世界鋼材中的十分之一都因腐蝕而報廢，可見腐蝕是鋼鐵無法避開的永恆話題。
套用美劇《權力的遊戲》裡面經典的一句話就是:
「AllMen(Metal) Must Die」
鐵釘實驗
我們在高中學習氧化還原反應時，常常就以釘子的腐蝕來進行講解。這裡小樹洞帶大家溫習下這部分知識點，以此來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:添加加熱後的水、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，其餘各組實驗中分別含有水、氧氣、氯離子三種元素。以此來比較這三種元素對鐵釘的影響。
經過幾天的時間，實驗結果就很明顯了，其中只有A和B組的鐵釘生鏽，並且B組鐵鏽比A組嚴重。而C和D組卻沒有任何生鏽的跡象。由此實驗可得以下幾點結論：
B組比較A組，說明氯離子加速了鐵的腐蝕。
C組比較A組，說明氧氣為腐蝕的必要條件。
D組比較A組，說明水為腐蝕的必要條件。
腐蝕機理
根據以上實驗，我們可以對腐蝕的原因進行一部分感性的認識，但是要真正理解腐蝕的機理就需要從理論上對其進行深入的研究。我們觀察發現，鋼鐵腐蝕後產生了一種新的物質，而這種產生新物種的變化都源自於某種化學反應。
鐵、氧氣、水，這三種元素結合在一起就形成了「原電池」，而這種腐蝕又稱為「電化學腐蝕」。其本質為氧化還原反應，而根本原因也就是我們常說的「電子遷移」。
當我們理解了氧化還原的理論後，就可以定量的來解釋腐蝕的機理：
鐵原子在氧氣的作用下，會失去電子產生氧化鐵。
水充當了反應過程中，電子遷移所必須的電解質。
大自然中的酸鹼性物質，作為催化劑加速了反應。
▵鐵的腐蝕圖例
鐵的腐蝕原理看似簡單，但是有時候由於大家沒有理解這個現象，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「鎮海吼」，建於後周廣順三年(公元935年)，距今已經有一千多年的歷史。上世紀50年代，根據蘇聯「專家」的建議，滄州文保所在鐵獅子上蓋了一個遮風擋雨的小亭子，希望減緩鐵獅子的進一步腐蝕，但是由於亭子阻礙了水蒸氣的快速蒸發，鐵獅子、水、氧氣在亭子裡構成了「原電池」，反而加快了鐵獅子的腐蝕速度。小亭子在建造20年後，最終被拆除。
支架的腐蝕
對於光伏支架的設計，我們主要考慮來自三個方面的腐蝕影響，他們分別為：
▵大氣腐蝕：裸露在大氣中的上部支架結構，會與空氣中的氧氣以及水進行相互作用而產生腐蝕，這種腐蝕是最常見，也是最容易被察覺的。
▵土壤腐蝕：深埋在地下的鋼樁基礎，在土壤中各種物質的作用下，會進行更加複雜的化學反應，從而發生腐蝕。由於長期在土壤中，這種腐蝕很難被發現。
▵接觸腐蝕：不同的金屬之間，由於電勢差的不同，會發生電子的得失，從而形成電化學腐蝕，這種腐蝕常常被設計師所忽視。
小樹洞在後面的系列裡，會簡單講解下如何在設計初期時，定量的考慮和計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，行業裡常見的方法就是在鋼材表面上「鍍鋅」，鋅元素在25℃時的標準電勢為-0.76V，低於鐵的-0.45V，因此鋅的「活潑性」比鐵要強。鋅和鐵在潮溼的環境中就形成了「原電池」，同所有的電化學腐蝕原理一樣，這個原電池組合就是：
「犧牲陽極(鋅)，保護陰極(鐵)」
▵各元素的標準電勢
排位越低，越容易失去電子
由於鋅和鐵形成的原電池效應，因此即使鍍鋅層在運輸或者安裝過程中產生的輕微損傷，也不會影響鍍鋅層的防腐蝕能力。當然，對於較深的損傷就要額外小心，對這些區域需要進行補鋅處理。
▵鋅、鐵和氧氣在潮溼環境中形成的原電池
即使鍍鋅層受輕微劃傷
也不會影響其腐蝕能力
另外鋅與空氣和水反應，產生了一種新的產物：鹼式碳酸鋅，這種物質表面緻密，而且不容易溶解於水，可以很好的將空氣與鐵隔絕開來，這樣就又形成了一層「物理保護」，進一步的減緩了鋼材腐蝕。
常見的鍍鋅工藝有：熱鍍鋅、預鍍鋅、電鍍鋅(冷鍍鋅)。小樹洞這裡對鍍鋅的方法和步驟就不進行過多的描述。當然，不管是哪種鍍鋅工藝，其鋅層本身也是由很多種不同物質構成，例如下圖的熱鍍鋅層：
此外，還有鍍鎂鋁鋅、VCI、環氧塗層以及沒有任何表面處理的耐候鋼等等防腐的工藝。
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