光伏支架的宿命: 腐蚀 | 一口气读懂“大气腐蚀”

光伏支架的宿命: 腐蚀 | 一口气读懂“大气腐蚀”

来源:小树洞谈光伏支架

引导语


上一篇讲了腐蚀的机理,其中“大气腐蚀”是最显而易见的一种腐蚀现象。如何计算和分析大气腐蚀呢,我们从以下几个点来层层剖析。


目录:

1. 热镀锌厚度设计

2. 大气腐蚀等级,首年腐蚀速率

3. 多年腐蚀速率计算

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文章内为了表示方便

以下标准都采用其编号进行叙述


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1.热镀锌厚度设计

对于热镀锌厚度的设计方法,目前经常采用的就是ISO1461以及ASTM A123。由于镀锌附着力与钢材基材厚度有一定的关系,越薄的钢材越难镀上锌。因此在ISO1461和ASTM A123这两个规范中,列举了不同钢材厚度的“参考”镀锌厚度。


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▵Table 3, ISO1461

不同厚度基材下的镀锌厚度要求


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▵Table 1, ASTM A123

不同厚度基材下的镀锌厚度要求


这两部规范的镀锌厚度要求都只和钢材厚度有关,小树洞之前讲过,不同的大气情况下,其对镀锌层的腐蚀快慢也不同,那么不一样的环境,镀锌厚度应该是不同的。


小树洞摘抄ISO1461里面的一段话:

Thinner galvanized coatings than those previously specified have been found to provide sufficient corrosion protection in many instances. […] Reference should be made to ISO 9223 to determine the corrosion category for a particular external exposure environment.

Page 15, Annex E, ISO9223

在很多情况下,更薄的镀锌厚度被发现也能提供足够的防腐保护。具体需要参考ISO9223来对不同外部环境进行腐蚀等级的评估。

第15页,附录E,ISO9223

所以,如果针对性的对不同的大气环境,分别设计不同的镀锌厚度,我们就要了解下ISO9223这本规范。




2.大气腐蚀等级分类

首年腐蚀速率

在ISO9223里面,对所有大气腐蚀情况分成了从C1到CX这六个等级。


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▵Table C.1, Annex C, ISO9223

常见的腐蚀等级分类C1~C5


另外,在ISO9223里,也对如何计算首年腐蚀速率(first-year corrosion rate)进行了说明。以下为r_corr(首年腐蚀速率)的计算公式:


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我们由上面的公式可以得知,ISO9223的大气腐蚀等级分类的原理,是依据以下四种参数大小的考量:

年平均温度-T,单位(℃)

年平均相对湿度-RH,单位(%)

年平均SO2沉淀物-Pd,单位[mg/(m2*d)]
年平均Cl-沉淀物-Sd,单位[mg/(m2*d)]


除了以上的详细计算公式外,ISO9223也提供了针对不同大气腐蚀等级、不同金属的首年腐蚀速率表格。


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▵Table 2, ISO9223

不同金属在不同大气腐蚀等级下的

首年腐蚀速率


但是ISO9223只规定了首年的腐蚀速率,而我们的光伏支架设计使用寿命往往都是25年,甚至更高。那么对于多年的综合腐蚀情况,我们又该如何进行分析计算呢?



3.多年腐蚀速率计算

随着近50年对大气腐蚀数据的逐渐积累,人们对大气腐蚀的相关研究越来越深入。其中比较著名的就是ISO CORRAG(大气暴露计划),在这个项目里,科学家们对包括欧洲、阿根廷、加拿大、日本、新西兰以及美国等世界各地的测试点进行了大量的分析,获得了非常有价值的数据,大大提高了预测多年大气腐蚀速率的准确性。


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▵ISO CORRAG大气暴露计划的测试点


研究发现,由于金属表面的腐蚀产物积累,腐蚀速率会随着其暴露在大气中的时间延长而降低。


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▵锌的氧化物消耗率随着时间的延长而降低

(Stockholm, Sweden)


在ISO14713里也做了解释:

The corrosion rate of a zinc coating is affected by the time for which it is exposed to wetness, air pollution and contamination of the surface, […] and often decrease with time. General information on the atmospheric corrosion rate for zinc is given in ISO9224.

Page 7, chapter 7.1, ISO14713

锌层的腐蚀速率,受到了其暴露在湿气,大气污染物和表面的污染物里的时间长短影响,腐蚀速率往往随着时间的增长而降低。大气腐蚀的具体锌层腐蚀速率需要参考ISO9224.

第7页,第7.1章节,ISO14713


而ISO9224就是依据ISO CORRAG计划里面的数据,对ISO9223标准的衍生。在ISO9224里面,提供了计算锌层多年腐蚀厚度的方法。其计算公式如下:


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ISO CORRAG项目对大量材料,在全球多地进行了长期的暴露实验,通过对数据的回归分析,获得了金属-环境特定的时间指数。上诉公式中的b就是这个时间指数(Time exponent)


ISO9224的计算里提供了两种时间指数,B1和B2。其中B1为大气暴露计划中同种材料的平均时间指数,而B2是在B1的基础上,增加了2倍的标准偏差,用于计算大气腐蚀速率的上限。


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▵Table 2, ISO9224

时间指数B1和B2


小树洞举一个算例,以C3的大气腐蚀等级来计算下,30年设计寿命的镀锌光伏支架所需要的镀锌厚度:


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从上面的计算结果我们可以得知,镀锌支架如果按照30年的设计年限,那么其在C3的大气腐蚀等级下,至少需要11.2~33.7um的镀锌厚度。并且计算中也得到了平均到每年的腐蚀速率大概在0.4~1.1um之间,这和ISO9224提供的多年平均腐蚀速率也相吻合。


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▵Table B.1, ISO9224

提供首个10年和稳态的30年平均腐蚀速率


另外需要注意,由于锌合金的腐蚀对SO2尤其敏感,在SO2气体含量高的环境中(SO2处于P3水平时),锌合金的腐蚀速率会比较高,这种情况下为了谨慎起见可以假定腐蚀速率和时间呈线性关系,也就是b值取1.0。


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▵Table B.3, ISO9223

硫化物含量,P0~P3的分级


同时,网上也提供一些自动计算镀锌腐蚀速率的工具,比如Dr. Gregory Zhang建立的ZCLP(Zinc Coating Life Predictor),人们可以输入几个大气参数,便能计算出对应的每年腐蚀速率。当然计算的数值也只是一个参考,小树洞建议还是以ISO规范为准。需要的朋友可以在公众号内发送“大气腐蚀计算”来获得链接。


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▵Zinc Coating Life Predictor

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