光伏支架的宿命: 腐蚀 | “大气腐蚀”番外篇-揭开“盐雾试验”的骗局

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来源:小树洞谈光伏支架

引导语


小树洞经常听到,有些朋友希望通过盐雾试验的方法,来定性判断镀锌支架是否符合要求。那么盐雾试验的原理是什么呢?光伏支架真能通过盐雾试验来设计镀锌厚度么?


目录:

1. 锌的氧化腐蚀过程

2. 盐雾试验原理

3. 盐雾试验可靠么?

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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.锌的氧化腐蚀过程

讲盐雾测试之前,先介绍下锌的防腐蚀原理。镀锌是最常见的一种支架防腐措施,它的主要机理就是“牺牲阳极、保护阴极”。我们知道,锌元素本身是洁白银色的金属,但是镀在支架表面的锌层却是“灰白色”的,这种灰白色的物质其实就是锌氧化后的一种产物。正是由于锌在不同阶段和环境中,会产生不同特性的氧化物,才使其有了独特的防腐能力。


镀锌层对钢材的防腐能力主要有两道防线:

  • 第一道防线 (Barrier Protection):形成致密的隔离层,隔绝大气与钢材。

  • 第二道防线 (Cathodic Protection):利用原电池效应,牺牲阳极,保护阴极。


第二道防线的原理,我们在上一篇《腐蚀的机理》已经有过详细的描述,这一篇我们讲讲镀锌层的第一道防线,以便为后面的分析计算进行铺垫。


锌其实是一种非常活泼的金属,当它暴露在潮湿大气中时,会与空气中的氧气和水蒸气发生反应,形成一层多孔的、胶粘状的ZnO和Zn(OH)2混合物,这种混合物再继续与大气中的CO2进一步反应,就产生了一层致密的、附着力强的、不溶于水的碱式碳酸锌2ZnCO3*3Zn(OH)2产物,正是这种锌的氧化物包裹住了整个镀锌层,隔绝了大气与钢材的直接接触,从而形成了镀锌防腐的第一道防线。


碱式碳酸锌在大气中主要有两种途径会被消耗掉:

  • 硫化物作用,形成硫化锌混合物(易溶于水),被雨洗刷掉。

  • 氯化物作用,形成氯化锌混合物(易溶于水),被雨洗刷掉。


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▵锌的腐蚀过程


由于这几年的环境保护运动,大气中的硫化物逐渐减少,所以目前镀锌的腐蚀主要来源于氯化物的作用。而正是这种往复不断的氧化腐蚀和雨水冲刷(Corrosion and runoff)的过程,导致了锌层的腐蚀损失。大家注意,敲黑板划重点了!这对后面了解“盐雾试验”的原理非常重要。


这种氧化物与大气相互作用的过程,通常可以使用GILDES算法建立数学建模,来进行分析。目前这套算法理论也得到了行业内的广泛认可,包括ISO 9223等标准的计算基础都是GILDES理论。


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▵GILDES算法使用各种化学物的本身属性

分析不同氧化物的形成过程

并预测腐蚀消耗的时间



2.盐雾测试原理

盐雾测试指的是,在密闭的恒温箱内,将相应浓度的盐水进行雾化,人造气氛腐蚀的一种试验。它是一种加速测试方法,其盐雾环境的氯化物的盐浓度,可能是一般天然环境盐雾含量的几倍或几十倍,这使腐蚀速度大幅提高。对产品进行盐雾试验,得出结果的时间也大幅缩短。


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▵常见的盐雾测试设备(来源:Ascott)


盐雾试验的方法主要依据各国的规范,比如国标GB/T10125美标ASTM B117日本标准JIS Z 2371和国际标准ISO9227。目前常用的盐雾测试主要有三种:

  • 中性盐雾试验,Neutral Salt Spray(NSS)

  • 乙酸盐雾试验,Acetic Acid Salt Spray(AASS)

  • 铜加速乙酸盐雾试验,Copper-accelerated Acetic Acid Salt Spray(CASS)


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▵表2,GB/T10125

各类盐雾试验条件


对于盐雾试验后的判断,通常采用ISO10289对测试后样品的缺陷面积进行评估,并按照RP0~10等级分类。


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▵Table 1,ISO10289

缺陷面积和保护评级


综上所述,盐雾试验是一种加速腐蚀测试方法。那么对于光伏支架的镀锌防腐,是否可以采用盐雾测试,来对不同大气腐蚀等级进行设计年限的评估呢?



3.盐雾测试可靠吗?

盐雾测试是一种采用高浓度盐水喷雾来模拟加速大气腐蚀的试验。这种盐雾腐蚀是一种常见和最有破坏性的大气腐蚀。盐雾对金属材料表面的腐蚀,是由于含有的氯离子穿透金属表面的氧化层防护层,然后与内部金属发生电化学反应引起的。同时,氯离子含有一定的水合能,易被吸附在金属表面的孔隙、裂缝排挤并取代氧化层中的氧,把不溶性的氧化物变成可溶性的氯化物,使钝化态表面变成活泼表面。


然而镀锌层防腐的第一道防线,是利用其锌氧化物形成一层密闭层,来隔绝锌与大气的接触,在盐雾试验里,由于锌层无法像在大自然中那样形成第一道防线,导致其防腐能力大大降低。因此对于镀锌防腐工艺,不能使用盐雾试验来进行可靠性判断。


在很多专业的文章中,解释了为什么不能使用盐雾试验判断镀锌防腐能力,小树洞摘抄几段如下:


The zinc carbonates are not produced when a hot dip galvanized specimen is exposed to a salt spray fog, therefore this testing method does not give an accurate measurement of corrosion protection.

Salt Spary Test, Wikipedia

由于在盐雾试验中,碳酸盐无法正常形成,因此这种测试并不能准确的来测量镀锌的防腐能力。

盐雾试验,维基百科

For galvanized steel, the spray test accelerates the wrong corrosion mechanism. The salt spray attacks the bare zinc. […] Since the zinc carbonate is not formed, the salt spray interacts directly with the zinc metal. The part corrodes very quickly when the salt spray attacks the zinc metal.

Dr. Tom Langill, AGA (American Galvanizers Association)

对于镀锌钢材,盐雾试验使用了一种错误的加速腐蚀机理。其盐雾直接作用到了纯锌上。[…] 由于碳酸锌产物并没有形成,而盐雾直接与锌金属接触,其腐蚀速率会非常快。

Dr. Tom Langill,AGA(美国镀锌协会)


很多国际规范里,也有对镀锌层不能使用盐雾试验的说明。

Short term corrosion test results derived from accelerated or short term corrosion tests (e.g Kesternick Test, ISO 6988, and Salt Spray Tests) should not be used to predict long term corrosion performance of galvanized coatings.

Page 15,Annex E,ISO1461

来源于加速测试的短期腐蚀测试,或者像Kesternick测试、ISO6988以及盐雾测试这样的短期腐蚀测试,不能被用来预测镀锌层的长期防腐能力。

第15页,附录E,ISO1461

Salt spray tests cannot be used to accurately test zinc coated steel […]. Without a proper wet/dry cycle, the zinc coating cannot form patina layers. The absence of a patina layer allows constant attack of the zinc metal and gives a very low prediction of the zinc coating lifetime.

Page16, chapter 8, ISO14713

盐雾试验并不能被用于准确测试镀锌钢材 […]。由于失去了湿/干循环,锌层无法形成氧化层。而这种氧化层的缺失,导致盐雾持续不断地攻击锌金属,因此无法预测镀锌层的寿命。

第16页,第8章,ISO14713


另外,国际上并没有对镀锌盐雾试验的要求,很多朋友错误地将ISO12944-6里面的表格来作为镀锌钢材的盐雾试验要求,其实ISO12944是用于“在镀锌层外再添加一层有机涂层的防腐要求,并不是针对纯镀锌防腐的要求,大家千万不要被误导了


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▵Table 1,ISO12944-6

表面附着有机涂层的镀锌钢材“盐雾试验”小时要求

并不是针对我们常见的镀锌钢材


那么“盐雾试验”的目的和作用是什么呢?小树洞这里引用一下“国际盐雾试验标准-ISO9227”开篇里面的内容:


The [salt spray] test results should not be regarded as a direct guide to the corrosion resistance of the tested metallic materials, […] for quality control purposes, comparison can be made between specimens coated with the same coating.

Introduction, ISO9227

金属的盐雾试验结果,并不能作为其防腐能力的直接标准,[…] 如果是为了品质控制的目的,那么盐雾试验可以被用来对相同镀层的样品进行比较。

介绍,ISO9227


所以盐雾试验的真实作用,是被用来对比两件具有相同镀层的样品的产品质量。


综上所述,镀锌钢材在盐雾试验中无法形成有效的第一道防线,导致腐蚀的加速。因此盐雾试验不能被用来预测镀锌钢材的防腐能力。最直接有效的方式,是利用ISO9223和ISO9224规范,按照厚度进行锌层设计使用年限的计算。具体计算方法可参考小树洞上一篇文章《一口气读懂“大气腐蚀”》

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原文始发于微信公众号(坎德拉):光伏支架的宿命: 腐蚀 | “大气腐蚀”番外篇-揭开“盐雾试验”的骗局

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