引言

據(jù)沿海11個省市自治區(qū)海岸帶調(diào)查資料,我國大陸海岸線長1.8萬km,共有灘涂資源面積217.09萬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基礎(chǔ)一般使用空心預制管樁,其入土深度根據(jù)勘察和設(shè)計數(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,它們會破壞金屬的鈍化層,導致金屬嚴重腐蝕。土壤中的鹽類以Cl-為主,溶液濃度增加會增強金屬的導電性和陽極反應,加大腐蝕性。但鹽濃度增大的同時會促使溶解氧濃度下降,因此鹽濃度達到一定值時則腐蝕速度下降。預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,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-可以通過毛細通道與混凝土中的Ca)oH)2發(fā)生反應生成生石膏,即二水石膏。隨后二水石膏與混凝土中的水化鋁酸鈣反應,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會發(fā)生反應,生成的Mg)oH)2沒有膠結(jié)能力,影響混凝土的膠凝過程。同時上述反應還降低了混凝土中的堿含量,導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、強度低的特點,同時石膏和鈣礬石晶體的生成會引起混凝土的體積膨脹。兩者會使得混凝土的表面結(jié)構(gòu)容易開裂,導致混凝土的強度和耐久性能惡化。

（2）電化學腐蝕。土壤中富含的氯離子通過混凝土中的毛細通道及微裂縫到達鋼筋表面,破壞鋼筋表層的氧化鐵保護層,隨后的電化學腐蝕及其帶來的內(nèi)應力會導致混凝土保護層出現(xiàn)開裂。

作為電解質(zhì)溶液,海水成分復雜,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)個腐蝕微電池,出現(xiàn)陰極區(qū)和陽極區(qū):

電極電位較低的區(qū)域陽極區(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標準,我國大部分沿海地區(qū)的大氣腐蝕等級為C3級或C4級,在極個別海岸地區(qū)可達到C5級。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)。

鹽霧會使露出地面的預制管樁產(chǎn)生風化現(xiàn)象?；炷帘韺拥柠}溶液結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹應力會引發(fā)混凝土的表面剝落,同時滲透進入混凝土的鹽分會銹蝕混凝土中的鋼筋。另外,鹽霧還會腐蝕預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預制管樁

針對預制管樁,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、提升混凝土密實度、加入添加料、增加保護層厚度、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氣孔,可以改善混凝土的坍落度、流動性和可塑性: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:降低熱擴散及傳導系數(shù),提高混凝土體積穩(wěn)定性和耐候性,延長管樁使用壽命。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。

松香類的廉價低質(zhì)引氣劑在國內(nèi)使用較廣,但它會在混凝土管中形成較大氣泡,進而生成聯(lián)通性的大氣泡,因此對提高抗?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,會使混凝土中氣泡難以排出,導致滯留氣泡過多。對細集料顆粒而言,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,管樁表面收水時會造成較多的砂眼。因此,粗集料應選用不大于20mm級配良好的碎石,且要進行壓碎指標和巖石立方體抗壓強度試驗。細骨料應采用中砂,其細度模數(shù)宜大于2.6,含泥量不應大于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)時損失:減少水化放熱量,因此施工時混凝土的溫升較小,可明顯減少溫度裂縫:由于二次水化作用,混凝土的密實度得以提高,界面結(jié)構(gòu)得到改善:二次反應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)增加保護層厚度。研究表明,混凝土保護層的厚度、裂縫寬度和鋼筋銹蝕之間相互影響。增加保護層厚度,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,如果粗集料與細集料的比例偏高,則細集料及膠凝材料難以填充粗集料之間的空隙:如果粗集料與細集料的比例偏低,則混凝土黏稠會導致氣泡難以排出。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:同時要防止過振,否則微氣泡會連通起來形成大的氣泡增大通路。對于水灰比,如果水灰比過小,混凝土料黏稠,則離心成型時氣泡將難以排出:如果水灰比過大,則多余水分會形成自由水,進而轉(zhuǎn)換成多余的氣泡。攪拌時間參數(shù)要合理選定,在水灰比較低、用水量較少的情況下,如果攪拌時間不足導致攪拌不勻,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到良好密實度的關(guān)鍵工序,離心加速度、離心時間與離心后混凝土的密度緊密相關(guān)。如果控制不當,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,密實度不均。因此應通過試驗,確認合理的離心時間和離心加速度。

2.2支架

目前國內(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,全部腐蝕所需的時間越長,結(jié)合沿海環(huán)境及經(jīng)濟性,建議熱鍍鋅厚度增加至85um以上。

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

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)量控制點如下:

(1)原料缺陷的處理。受制于鋼廠加工工藝及運輸中的保護不足,鋼材表面普遍存在裂紋、結(jié)疤、皺皮等缺陷。熱浸鋅前應對表面裂紋、皺皮、結(jié)疤、麻面進行打磨和補焊。

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

(3)原材料表面的潔凈度。如果工件表面存在油污、漆斑等,在鍍鋅進料前可采取專用除油劑、涂抹堿液、火燒等方法進行處理。酸洗不完全而殘留的銹斑,可以采取延長酸洗時間來解決:對銹蝕層較厚的工件,可以用機械鏟除方法進行預處理[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,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,增強熱鍍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膜來抑制腐蝕。由于熱鍍鋅鋁鎂構(gòu)件的耐蝕能力達到普通熱鍍鋅的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)件服役壽命將會很長。國內(nèi)如寶鋼等,會向用戶出具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,當施工現(xiàn)場需要焊接、開孔、切割斷面等再加工時,建議進行銹蝕清理和噴鋅及補漆處理。一般先用醇溶性無機富鋅底漆打底及調(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,并能保護中間漆。

2.2.5陰極保護措施的使用

對于鹽堿腐蝕嚴重的部位,可采用犧牲陽極的陰極保護措施。

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蝕性能,5A02、5A03鋁合金在暴露8年后點蝕深度小于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)境下對鋼不具有保護作用,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。在40年設(shè)計壽命條件下,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,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,實現(xiàn)固溶強化,816℃保溫0.5h調(diào)整處理,然后在α相和g相過渡區(qū)進行時效處理,試驗鋼的耐蝕效果最佳。國外學者還分析了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

針對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)備和材料采購及施工提供參考。