光伏支架的宿命: 腐蚀 | 看不见的“土壤腐蚀”

光伏支架的宿命: 腐蚀 | 看不见的“土壤腐蚀”

来源:小树洞谈光伏支架

引导语


跟踪器的设计可以分为“地上结构”和“地下基础”两部分,对于地上结构,钢材所受的腐蚀主要来自于大气的影响,前几篇文章已经有所介绍。而对于地下基础,其腐蚀影响则来自于土壤,由于土壤腐蚀相对比较复杂,本篇仅对其进行简单的介绍。


目录:

1. 跟踪器桩基设计

2. 土壤的复杂性

3. 土壤腐蚀分析-Romanoff

4. 土壤腐蚀分析-其他标准

5. 桩基的防腐设计原则

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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


光伏支架的宿命: 腐蚀 | 看不见的“土壤腐蚀”

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*全文共2081字20图

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跟踪器桩基设计

跟踪器的桩基有很多种形式,针对不同的土质,工程师往往会考虑不同的桩基方案。其中,“锤入桩”形式是目前最常用的、也是最方便安装的桩基方案。


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▵跟踪器的不同桩基类型(来源:STI Norland)


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▵跟踪器锤入桩的施工(来源:Ideematec)


锤入桩为一种“桩柱一体”的基础类型,也就是说“地上的立柱”和“地下的桩基”为同一个零件,因此锤入桩的材质往往都是钢材。所以,除了要考虑立柱部分的大气腐蚀,还要解决地下“看不见”的土壤腐蚀。



土壤的复杂性

土壤是一个由多种不同类型胶状物组成的物质,由于这些胶状物之间存在间隙,所以非常容易包裹空气以及水份。空气、水、胶状电解质,当这些因素组合在一起时,会使埋在土壤里的钢结构极易受到腐蚀的侵害。


为了方便研究,科学家们采用多种方法,人为地对土壤进行了分类,其中最常用的一种方法称为USCS (Unified Soil Classification System),总结来说就是依据土的“质地”以及“晶粒大小”对其进行不同种类的划分。


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▵土壤按照其质地和晶粒大小进行的分类


多年来,科学家们一直想搞清楚土壤腐蚀的奥秘,并且希望能够利用理论计算的方式,提前预知在不同土壤环境下的钢材腐蚀速率,以便在项目前期就依据理论分析的结果,对钢材进行有效的设计和防护。



土壤腐蚀分析-Romanoff

凡是涉及到土壤腐蚀的科学研究,就永远绕不开一个人,Melvin Romanoff。从1922年到1952年,Romanoff和他的同事在美国各地不同类型的土壤中,埋下了上千块金属样品。


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▵美国各地的土壤种类分布图

黑点即为当时Romanoff测试的位置

(来源:Underground Corrosion)


利用这些样品在长达30年的土壤中腐蚀的情况,Romanoff分析出了在不同土壤环境下,不同金属的腐蚀速率,并终于在1957年撰写完成了一本巨作《Underground Corrosion》,本书包含了当时科学界对于土壤腐蚀的所有理论,堪称经典。


1995年,因为Romanoff在土壤腐蚀中的突出贡献,美国国家腐蚀工程师协会(NACE)将他列入了名人堂。


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▵Underground Corrosion,Romanoff所著

后台留言“土壤腐蚀”即可下载原书

Romanoff认为,土壤的腐蚀与4个因素有关:

  • 通风率,空气的流通提供了腐蚀所需的氧气

  • 电解质,提供电化学腐蚀需要的环境

  • 电子因素,诸如电流、电阻等因素的高低影响着腐蚀速率大小

  • 其他方面,诸如回填土、细菌等因素


尽管Romanoff对土壤进行了大量的数据分析,但是鉴于当时的科技水平和工程师对土壤的理解,Romanoff方法仍然有其自身的局限性。



土壤腐蚀分析-其他标准

在Romanoff分析方法建立的之后几十年里,相继出现了多种关于土壤腐蚀的理论。其中很多理论发展成为了当地或者国际标准,下面小树洞就举几个比较有代表性的规范。


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▵镀锌钢材“腐蚀速率”与“电阻率”的关系

1gr/year/sq.m = 0.14um/year

(来源:FHWA-NHI-09-087)


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▵锌层“腐蚀速率”与

湿度”、“ph值”、“氯化物浓度”的关系

(来源:AGA)


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▵采用“打分法”分析土壤腐蚀

(来源:DIN 50929-3)


类似的关于土壤腐蚀的规范还有:

  • 澳洲标准:AS 2041

  • 澳洲标准:AS 2159

  • 欧洲标准:EN 1993-5

  • 欧洲标准:EN 12501

  • 美国腐蚀工程师协会:NACE

  • 加拿大标准:CSPI


几乎所有的规范都表达了同一个观点:


土壤腐蚀并不是由单一因素导致的,而是由多种因素相互作用、相互影响的结果


总结而言就是,土壤的以下属性会使其腐蚀环境更加恶劣:

  • 土质越细腻,吸水性越强;

  • 水份越多,电解质越丰富;

  • 通气率越高,氧气含量越高;

  • ph值越小,防腐沉淀物越难形成;

  • 电阻率越小,氧化还原电子游离越容易;

  • 氧化还原电位越高,越容易发生电化学腐蚀;

  • 氯化物含量越高,阳极溶解越容易;

  • 生物细菌含量越高,抑制防腐沉淀物的生成;



桩基的防腐设计原则

对于地上部分的光伏支架结构,出于美观性的角度,在设计使用寿命内,一般不允许出现红锈。防腐完全需要镀锌层来抵抗。


对于埋在地底下的桩基设计,因为土壤腐蚀速度一般都比大气腐蚀要高很多,即使采用了镀锌层来防腐,也无法保证在设计使用寿命内不出现红锈,而且桩基深埋在地下,并不需要考虑美观性的问题。所以桩基的防腐设计,不仅靠镀锌,还要牺牲一部分钢材。


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▵举例说明结合镀锌和钢材腐蚀后

实际出货的3mm立柱,在前期设计时

最终采用2.84mm进行强度计算


当然,如果没有美观度要求,也可以不采用镀锌,而直接腐蚀钢材进行桩基设计

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▵未镀锌立柱设计

(来源:NEXTracker)

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▵未镀锌立柱设计

(来源:Arctech)



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