光伏支架的宿命: 腐蝕 | 腐蝕的基本理論

    光伏（fú）支架係（xì）統（tǒng）常見的材料是鋼材，那麽鋼（gāng）鐵腐蝕就是支架設計時必須重點考慮的（de）內（nèi）容。這（zhè）篇文章先從簡（jiǎn）單的腐蝕（shí）原理入手，接（jiē）下來（lái）的文章會分別從“大（dà）氣腐蝕”、“土壤腐蝕”和（hé）“接觸腐蝕”等幾部分和（hé）大（dà）家一起探討，並分（fèn）析講解如何在設計階段考慮和避（bì）免腐蝕帶來（lái）的影響。

    鋼鐵的宿命

    由（yóu）於鋼鐵的物理（lǐ）機械性（xìng）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。但是鋼光伏支架在大自然中往往（wǎng）容易被腐蝕，輕者產生鐵鏽影響美觀，重者（zhě）破壞結構（gòu）質量，導致建築物的坍塌，造成事故（gù）。據說世界鋼（gāng）材（cái）中的十分之一都因腐蝕而報廢，可見腐蝕是鋼鐵（tiě）無法避開的永恒話題。

    套用美劇《權力的遊戲》裏麵經典的一句話就是:

    “AllMen(Metal) Must Die”

    鐵釘實驗

    我（wǒ）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。這裏小樹洞帶大家溫（wēn）習（xí）下這部分知識點，以（yǐ）此來引出鋼鐵腐蝕的基（jī）本（běn）理論。

    A組鐵釘: 添加水；含水和氧氣

    B組（zǔ）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（huà）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（lí）子三種元素。以此來比較（jiào）這三種元素對鐵釘的影響。

    經過幾天的時（shí）間，實驗結果就很明顯了，其中隻有A和B組（zǔ）的鐵釘生鏽，並且B組（zǔ）鐵鏽比A組嚴重。而C和D組卻沒有任何（hé）生（shēng）鏽的跡象。由此實驗可（kě）得以下幾點結（jié）論：

    B組比較A組，說明（míng）氯離子加速了鐵的腐蝕。

    C組比較A組，說明氧（yǎng）氣為腐蝕的（de）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，茄子视频懂你更多（men）可以對腐蝕的原因進行一部分感性的認識，但是要真（zhēn）正理解（jiě）腐（fǔ）蝕的機理就需要從理論上對其（qí）進行深入的研究。茄子视频懂你更多觀察發現，鋼鐵腐蝕後產生了一（yī）種新（xīn）的物質，而這（zhè）種產生新物種的變化都源自於某種化學（xué）反應（yīng）。

    鐵、氧氣、水，這三種元素結合在一起就形成了“原電（diàn）池”，而這（zhè）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（yīn）也就是茄子视频懂你更多常說的“電子遷移”。

    當我（wǒ）們理解（jiě）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（dāng）了反應（yīng）過（guò）程中，電（diàn）子遷移所必須的（de）電解質。

    大自（zì）然（rán）中的酸堿（jiǎn）性物質，作（zuò）為催（cuī）化劑加速了反應。

    ▵鐵的腐蝕圖例

    鐵的腐（fǔ）蝕原理（lǐ）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（zǐ）：又稱（chēng）“鎮海吼”，建於後周廣順三年(公元935年)，距今已經有（yǒu）一千多（duō）年的曆（lì）史。上世紀50年代，根據蘇聯“專家”的（de）建議（yì），滄州（zhōu）文保所在鐵獅子上蓋了一個遮風擋雨（yǔ）的小（xiǎo）亭子，希（xī）望減緩鐵獅子的進（jìn）一步腐蝕，但是由於亭子阻礙了水蒸（zhēng）氣的快速蒸發，鐵獅子、水、氧氣在亭（tíng）子裏構成了“原電池”，反而加快了鐵獅子的腐蝕速（sù）度。小亭子在建造（zào）20年（nián）後（hòu），最終被拆除。

    支（zhī）架的腐蝕

    對於光伏支架的設計，茄子视频懂你更多主要考（kǎo）慮來自三個方麵的腐蝕影響，他（tā）們分（fèn）別為：

    ▵大氣腐蝕：裸露在大氣中的上部支架（jià）結構，會與空氣中的氧氣以及水進（jìn）行相互作用而產生腐蝕，這種腐蝕是最常見，也是最容易（yì）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（wù）質的作用下，會進行更加複雜的化學反應，從（cóng）而發生腐（fǔ）蝕（shí）。由（yóu）於長期在土壤中，這種腐蝕很（hěn）難被發現。

    ▵接觸腐蝕：不同的金屬（shǔ）之間，由於電勢差的不同，會發生電子的得失，從（cóng）而形成電（diàn）化學腐蝕，這種腐蝕常（cháng）常被設（shè）計師所忽視。

    小樹（shù）洞在（zài）後麵的係列裏，會簡單講（jiǎng）解下如何在（zài）設計初期時，定量的考慮和計算上麵三種腐蝕情況。

    防腐的（de）方法

   為了減緩甚至（zhì）避免鋼材（cái）腐蝕，行業裏常見（jiàn）的方法就是在鋼材表麵上“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（de）“活潑（pō）性”比鐵要（yào）強。鋅和鐵在潮濕的環境中就形成了“原電池”，同所有的（de）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（yuán）素的標準電（diàn）勢

    排位越低，越容（róng）易失去電子

    由於鋅和鐵（tiě）形成的原電池效（xiào）應，因此即使鍍鋅層在運輸或者安裝過程中產生（shēng）的輕微損（sǔn）傷，也不會影響鍍鋅層的防（fáng）腐蝕（shí）能力。當然，對於較深的損（sǔn）傷就要（yào）額（é）外（wài）小（xiǎo）心，對（duì）這些（xiē）區域需要（yào）進行補鋅處理。

   ▵鋅、鐵和氧氣在潮濕環（huán）境中形成的（de）原電池（chí）

   即使鍍鋅層受輕微劃傷（shāng）

   也不會影響（xiǎng）其腐蝕（shí）能力

    另外鋅與空氣和水反應，產生了一種新的產物：堿式碳酸鋅，這種物質表（biǎo）麵致（zhì）密，而（ér）且不（bú）容易溶解於水，可（kě）以很好的將空氣與鐵隔絕（jué）開來（lái），這樣就又形成了一層“物理保護”，進一步的減（jiǎn）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)。小樹洞這裏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（yì），其鋅層本身也是由很多種不同物質構成（chéng），例如（rú）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（hé）表麵處理的（de）耐候鋼等等防腐的工藝。