沿海環(huán)境中光伏鋼結(jié)構(gòu)支架的常用防腐蝕技術(shù)

談 誠,許一川,任劍鋒,姜 濤,李文戈

(1. 國網(wǎng)常州供電公司,常州 213000; 2. 江蘇瑞圣電力科技有限公司,常州 215128;3. 上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海 201306)

光伏發(fā)電具有顯著經(jīng)濟效益,且高效環(huán)保,是最優(yōu)質(zhì)的綠色能源之一。近年來,在“雙碳”背景的推動下,光伏產(chǎn)業(yè)得到了大幅發(fā)展。相關(guān)資料顯示,我國大陸海岸線長1.8萬km,近?？偯娣e約470萬km2,其中可利用海域超300萬km2,理論上可發(fā)展近700 GW海上光伏,對于發(fā)展沿海光伏產(chǎn)業(yè),這是得天獨厚的天然條件[1]。發(fā)展沿海光伏產(chǎn)業(yè)有利于填補分布式光伏,從而實現(xiàn)沿海地區(qū)的自產(chǎn)自銷。現(xiàn)如今,沿海光伏產(chǎn)業(yè)已成為沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)快速崛起的新型經(jīng)濟力量,對能源結(jié)構(gòu)(與海洋養(yǎng)殖業(yè)、風電等相結(jié)合)、環(huán)境等起到了至關(guān)重要的作用[2-3]。海洋光伏相較陸上光伏,具有天然的環(huán)境優(yōu)勢,水面開闊沒有遮擋物,日照較長且利用充分,可顯著提升發(fā)電量,目前水上光伏的發(fā)電量較陸地光伏提高了5%～10%[4]。然而,沿海高鹽高濕、海水浸泡以及海浪飛濺等環(huán)境工況使得光伏支架遭受著嚴重腐蝕[5-6]。陸地大氣環(huán)境中的氯化鈉含量約為0.8 mg/m3,而海洋環(huán)境中的鹽濃度為12.4～60 mg/m3,在如此高含鹽霧環(huán)境中,金屬的腐蝕速率大幅提高,約為內(nèi)陸大氣環(huán)境中的4～5倍[7]。ISO 12944-2017標準中將海洋環(huán)境的腐蝕等級歸為了C5-M(很高),因此,研究沿海光伏支架的防腐蝕技術(shù)具有現(xiàn)實的經(jīng)濟意義。

光伏支架作為光伏電站重要的組成部分,用于保護光伏組件承受30 a的光照、腐蝕、大風等破壞[8]。支架的選擇以及后期維護直接影響著光伏組件的安全運行及經(jīng)濟性。目前,主流的光伏支架有鋁合金支架和鋼結(jié)構(gòu)支架,兩者各有優(yōu)劣點。鋁合金支架表面會形成一層致密的保護膜,具有優(yōu)異的耐蝕性,但造價高昂且強度較低;鋼結(jié)構(gòu)支架則與之相反。針對沿海的復(fù)雜環(huán)境,高強度且價格低的鋼結(jié)構(gòu)支架的使用率更高,提高鋼結(jié)構(gòu)支架的防腐蝕性能有利于提升光伏設(shè)備的長效安全運行[9-10]?，F(xiàn)階段,鋼結(jié)構(gòu)支架的防腐蝕方式主要有基材的改性以及表面防腐涂層的構(gòu)建,基于此,筆者系統(tǒng)介紹了沿海支架的腐蝕機理,總結(jié)了相關(guān)沿海支架的防腐蝕方式。

1 沿海鋼結(jié)構(gòu)光伏支架的腐蝕機理

沿海光伏鋼結(jié)構(gòu)支架銹蝕的基本原理主要為金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用和電化學(xué)作用[11-12]。引起鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的介質(zhì)很多,如濕熱的空氣、工業(yè)廢氣、有氧環(huán)境等,鋼結(jié)構(gòu)在濕熱及有氧環(huán)境中會加速發(fā)生電化學(xué)腐蝕,從而造成材料失效。鋼結(jié)構(gòu)支架在沿海自然暴露下通常可發(fā)生如下反應(yīng),見式(1)～(7)。

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鐵離子和羥基離子反應(yīng)會生成不穩(wěn)定的氫氧化鐵,最終氧化成為鐵銹。沿海鋼結(jié)構(gòu)支架主要以大氣腐蝕和水腐蝕為主,空氣中的氧氣、SO2、Cl-等腐蝕介質(zhì)會加速鋼結(jié)構(gòu)的氧化還原反應(yīng),為鋼鐵的腐蝕提供一條“高速公路”。同時,金屬表面在潮濕的大氣中會吸附一層很薄的濕氣層即水膜,當水膜厚度為20～30個分子層時,就會成為電化學(xué)腐蝕所必需的電解液膜,不可避免會發(fā)生化學(xué)腐蝕或電化學(xué)腐蝕。水中的氫離子是很好的去極化劑,可以促進腐蝕材料陰極電子的轉(zhuǎn)移;而當二氧化碳、二氧化硫以及氯離子等溶于水后會進一步促使水的pH下降從而促進光伏支架的腐蝕。鋼鐵腐蝕產(chǎn)生的鐵銹是一種疏松多孔的結(jié)構(gòu),其中還有許多微裂紋將孔隙互相聯(lián)通。這樣,鐵銹就像海綿一樣,可以繼續(xù)吸收空氣中的水分,讓鋼鐵進一步銹蝕,直至完全銹穿。

2 沿海光伏支架的防腐蝕方式

2.1 鋼結(jié)構(gòu)支架的改性

耐候鋼是通過添加耐蝕合金元素,如 Cr、Cu、Ni 等來提高耐蝕性的,合金添加量(質(zhì)量分數(shù))一般為1%～5 %[13-15]。耐候鋼中的耐候元素Nb、Mo、P、Ti等在合金化的作用下會產(chǎn)生緩蝕作用,耐候鋼表面的保護層即銹層會隨環(huán)境的影響緩慢增長再生,耐候鋼的防腐蝕過程如下:銹蝕初期,因合金化程度較高,耐候鋼比普通碳鋼更易發(fā)生銹蝕,但由于耐候鋼的內(nèi)部晶格更加復(fù)雜,在表面疏松鐵銹之下還有一層暗黑色致密的納米顆粒α-FeOOH銹層。致密銹層中其他金屬原子取代了部分鐵原子,使銹層具有了陽離子選擇性,抑制了具有腐蝕性的陰離子透過,α-FeOOH銹層致密緊貼鋼材生長,有效切斷了腐蝕介質(zhì)的路徑,見圖1。耐候鋼還具有良好的耐大氣腐蝕性能,雖然其前期投資成本略高于普通碳鋼,但后期維護費用相對較低。在海洋大氣環(huán)境或大氣污染較嚴重的區(qū)域,耐候鋼一般還需涂覆防腐蝕涂層以進一步提高耐腐蝕能力[16-18]。

圖1 耐候鋼的防銹蝕過程Fig. 1 Rust prevention process of weathering steel

2.2 鋼結(jié)構(gòu)支架防腐蝕涂層的構(gòu)建

2.2.1 冷熱鍍鋅鍍層

熱浸鍍鋅主要是采用熔融鋅在鋼質(zhì)構(gòu)件表面形成一層冶金結(jié)合的鋅鐵合金,一般要求熱浸鋅層表面應(yīng)均勻,不得有影響安裝的鋅瘤,沿海地區(qū)服役結(jié)構(gòu)件表面熱浸鋅層厚度一般不得低于85 μm[19-20]。然而,傳統(tǒng)熱浸鍍鋅層面臨著諸多問題,如組織均勻性差,鍍層厚度高,耐蝕性不理想等。向鋅熔池中添加合金添加劑、稀土元素等可改善鍍鋅層的組織均勻性,提高鍍層的質(zhì)量并增強其耐蝕性。XU等[21]發(fā)現(xiàn)向鋅液中加入Ni可以提高鋅液的流動性與鍍層的耐蝕性,增強鍍層與基體的潤濕性,并抑制Sandelin效應(yīng)。解凱[22]研究發(fā)現(xiàn)添加適量Mn可以提高鋅液流動性,抑制Fe-Zn反應(yīng)及Sandelin效應(yīng),這是因為加入Mn元素阻礙了Fe原子和Zn原子的擴散,使得δ相和ζ相均勻致密,從而提高了鍍層的耐蝕性。FAN等[23]在熱鍍鋅工藝中將鑭和鈰加入到熔池中,微觀結(jié)構(gòu)顯示鑭和鈰的混合物是以(La,Ce)Zn13的形式存在于鍍層表面的,這有效降低了鍍層厚度并加速了鋅枝晶的生長。Zn-0.1La-0.1Ce涂層的腐蝕電流密度比純Zn涂層低63%,這一現(xiàn)象可以解釋為La/Ce混合物抑制了Zn5(OH)8Cl2H2O向Zn5(CO3)2(OH)6或ZnO的轉(zhuǎn)化,縮短了紅銹出現(xiàn)的時間,從而增強了腐蝕產(chǎn)物的穩(wěn)定性,延緩了鍍鋅層的氧化和腐蝕過程,提高了耐蝕性。

電鍍鋅也叫冷鍍鋅,將經(jīng)過除油、酸洗的工件放入鋅鹽溶液中,連接電解設(shè)備的負極;工件對面放置鋅板,連接電解設(shè)備的正極,接通電源,隨著電流從正極向負極的定向移動,工件表面會形成均勻、致密、結(jié)合良好的鋅層[24-25]。電鍍鋅層可以作為犧牲陽極,為基底提供持久有效的電化學(xué)保護[26]。范永哲等[27]通過極化曲線研究了電流密度對鍍層耐蝕性的影響,結(jié)果表明:隨著電流密度的升高,鍍層的腐蝕電位升高,腐蝕速率下降,耐蝕性增強。此外,鍍液體系,如鍍液成分,溫度、pH等也是影響鍍鋅質(zhì)量的重要因素之一。目前,單純電鍍鋅層的耐蝕性遠遠不能滿足沿海惡劣環(huán)境的需求,而電鍍鋅-鋁、鋅-鋁-鎂、鋅-鎳等合金鍍層更有利于提高鋼結(jié)構(gòu)耐蝕性。由于鋅和鐵形成的原電池效應(yīng),鍍鋅層即使在運輸或安裝過程中產(chǎn)生輕微損傷,也不會影響其防腐蝕能力,其防腐蝕機理如圖2所示。此外,鋅與空氣和水反應(yīng),會產(chǎn)生堿式碳酸鋅,這種物質(zhì)表面致密,而且不易溶于水,可以很好地隔絕空氣與基體,進一步減緩鋼材腐蝕。

圖2 鍍鋅層的防腐蝕過程Fig. 2 Corrosion prevention process of zinc coating

2.2.2 熱噴涂涂層

熱噴涂是工業(yè)上獲得金屬或陶瓷涂層的最經(jīng)濟可行的工藝之一。大氣等離子噴涂(APS)技術(shù)使用高溫等離子體作為加熱源,由于制備周期短、涂層厚度控制強和加工靈活等受到廣泛關(guān)注[28-29]。與其他工藝相比,APS技術(shù)可以有效避免溶劑或高溫蒸汽對環(huán)境的污染。ZHONG等[29]采用APS技術(shù)在120 A噴涂電流下獲得了表面粗糙度低、缺陷濃度低、結(jié)合強度高的鋅鍍層。在NaCl溶液中長期浸泡后,鍍鋅層表面逐漸出現(xiàn)不均勻的多邊形ZnO顆粒,經(jīng)過3 000 h浸泡后,仍表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性,這證明APS工藝是一種可行的鍍鋅方法。OLADIJO等[30]利用等離子噴涂技術(shù)在低碳鋼表面成功沉積了不同成分比的鋅錫鍍層試樣,結(jié)果表明在1 mol/L硫酸溶液中,Zn-Sn 25/75、Zn-Sn 75/25和Zn-Sn 50/50鍍層的耐蝕性很好,且在3.65% NaCl溶液中,Zn-Sn 50/50鍍層的耐蝕性最高。此外,與基體相比,鋅錫鍍層的硬度有所提高。

2.2.3 防腐蝕涂層

涂覆防腐蝕涂料的防護周期相對較短,但具有施工方便、適應(yīng)性廣,不受工件形狀約束,而且成本較低等優(yōu)點,是一種具有普適性、經(jīng)濟性以及高效性的防腐蝕措施。其原理是使用絕緣性的高分子涂層將鋼結(jié)構(gòu)與腐蝕介質(zhì)分隔開,以此消除腐蝕原電池的必要條件,起到防腐蝕的作用[31-32]。在沿海環(huán)境中,富鋅涂料是最為常見的傳統(tǒng)防腐蝕涂料。張志偉等[33]測試了4種水性無機富鋅涂料的耐蝕性和各項性能,結(jié)果顯示:當涂層中鋅的質(zhì)量分數(shù)為 81.7%、石墨烯納米材料的質(zhì)量分數(shù)為0.8%時,涂層附著力、鉛筆硬度和柔韌性明顯提高,涂層外觀和成膜性更加完善,耐蝕性也大幅提升。YANG等[34]制備了富鋅粉末涂料,結(jié)果顯示鋅的質(zhì)量分數(shù)為80%的富鋅涂層的耐蝕性明顯高于低鋅含量涂層,且與低鋅含量涂層相比,該涂層還表現(xiàn)出犧牲陽極的效果,這會對鋅腐蝕產(chǎn)物起到阻斷作用。富鋅涂層一般要求鋅粉的添加量較大,但隨著低碳經(jīng)濟與防腐蝕要求的逐步提高,一些更具環(huán)保性的防腐蝕涂料逐漸出現(xiàn),如水性防腐蝕涂料等。ZHANG等[35]采用逐層施工法制備了聚四氟乙烯/二甲基硅氧烷/環(huán)氧樹脂(PTFE/PDMS/EP)疏水防管道涂料,結(jié)果表明,PTFE/PDMS/EP涂層的水接觸角達到141°,防護效率為98.62%。浸泡7 d后,腐蝕過程仍停留在初始階段。

3 結(jié)論

沿海光伏電站的支架結(jié)構(gòu)長期處于高鹽、高濕的海洋大氣環(huán)境中,其防腐蝕方式主要有基體金屬的改性(如使用耐候鋼),防腐蝕涂層的構(gòu)建(如冷熱鍍鋅、熱噴涂以及防腐蝕涂料等)。這些防腐蝕方式各有特點,其中,冷熱鍍鋅和熱噴涂均具有較長的防護周期,但冷鍍鋅鍍液存在較大的環(huán)境污染,熱鍍鋅和熱噴涂設(shè)備投資大且存在一定的安全問題;涂覆防腐蝕涂料雖然防腐蝕周期短,但施工方便、適應(yīng)性廣,不受工件形狀約束,而且成本較低,是一種具有普適性、經(jīng)濟性且高效性的防腐蝕措施。通過改性耐候鋼與環(huán)保防腐蝕涂料相結(jié)合的協(xié)同作用可以進一步提高沿海光伏支架的耐蝕性。