沿海滩涂地面光伏项目的腐蚀因素分析及防腐策略

引言

据沿海11个省市自治区海岸带调查资料,我国大陆海岸线长1.8万km,共有滩涂资源面积217.09万hm2,利用其发展地面光伏发电具有良好的前景。图1为华能威海海埠光伏发电有限公司位于威海海边的20Mw滩涂电站。

图1山东威海海埠光伏电站

1腐蚀因素分析

1.1地面光伏项目的主要构成

沿海地面光伏电站一般由管桩及支架、组件矩阵、光伏场用逆变器和变压器、升压站等组成。其中光伏厂区的光伏阵列基础、集中式逆变器和变压器的平台基础一般使用空心预制管桩,其入土深度根据勘察和设计数据而定:支架系统的材料多为镀锌碳钢:逆变器和变压器的外壳多采用冷轧钢板、镀锌板等材质,表面需要经过静电喷塑等加工:集电线路的直流电缆大多放入冷轧板材料制作的桥架中:交流电缆多使用直埋形式。

1.2腐蚀媒介

沿海滩涂光伏电站的腐蚀媒介主要是土壤和海洋大气环境。

1.2.1土壤

滩涂土壤中含有大量的盐类及氯离子,它们会破坏金属的钝化层,导致金属严重腐蚀。土壤中的盐类以Cl-为主,溶液浓度增加会增强金属的导电性和阳极反应,加大腐蚀性。但盐浓度增大的同时会促使溶解氧浓度下降,因此盐浓度达到一定值时则腐蚀速度下降。预制管桩入土段的腐蚀因素包括：

（1）硫酸盐腐蚀。土壤中的硫酸盐与混凝土的氢氧化钙等发生反应,生成石膏、硫铝酸钙等,其体积的膨胀使混凝土变得易碎。具体分析如下：

1)石膏结晶。海水so42-可以通过毛细通道与混凝土中的Ca)oH)2发生反应生成生石膏,即二水石膏。随后二水石膏与混凝土中的水化铝酸钙反应,生成高硫型水化硫铝酸钙。高硫型水化硫铝酸钙晶体中存在不少的结晶水,其体积的膨胀使得固相体积增大,导致混凝土结构开裂。

2)镁盐结晶。海水普遍存在硫酸镁。Mg2+、so42-与混凝土中的Ca)oH)2会发生反应,生成的Mg)oH)2没有胶结能力,影响混凝土的胶凝过程。同时上述反应还降低了混凝土中的碱含量,导致水化硅酸钙等水化产物分解生成水化硅酸镁及石膏。而水化硅酸镁具有黏性差、强度低的特点,同时石膏和钙矾石晶体的生成会引起混凝土的体积膨胀。两者会使得混凝土的表面结构容易开裂,导致混凝土的强度和耐久性能恶化。

（2）电化学腐蚀。土壤中富含的氯离子通过混凝土中的毛细通道及微裂缝到达钢筋表面,破坏钢筋表层的氧化铁保护层,随后的电化学腐蚀及其带来的内应力会导致混凝土保护层出现开裂。

作为电解质溶液,海水成分复杂,并溶有腐蚀去极化剂的氧。表面成分不均匀的碳钢浸在海水中,致使海水界面上的电极电位分布出现微观上的不均匀,由此碳钢表面形成无数个腐蚀微电池,出现阴极区和阳极区:

电极电位较低的区域阳极区:Fe一Fe2++2e-。

电极电位较高的区域—阴极区:1/202+H20+2e-一20H-。

此外,碳钢还存在宏电池腐蚀现象,主要原因与海水中碳钢的表面温度、氧含量和受应力不同有关。

1.2.2海洋大气环境

盐雾、湿度、温度是海洋大气环境影响金属腐蚀的主要因素。根据1s09223:2012标准,我国大部分沿海地区的大气腐蚀等级为C3级或C4级,在极个别海岸地区可达到C5级。盐雾的组成成分与海水相似,主要为悬浮在大气中的气溶液状氯化钠)NaC1)。

盐雾会使露出地面的预制管桩产生风化现象。混凝土表层的盐溶液结晶产生的膨胀应力会引发混凝土的表面剥落,同时渗透进入混凝土的盐分会锈蚀混凝土中的钢筋。另外,盐雾还会腐蚀预制管桩上部的镀锌支架系统、变压器和逆变器的外壳等金属。

2防腐策略

针对腐蚀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预制管桩

针对预制管桩,需要使用高性能混凝土提高管桩的抗氯离子渗透能力、抗渗性能、耐久性等。混凝土的抗氯离子渗透性与孔结构密切相关,因此可通过合理选用原材料、提升混凝土密实度、加入添加料、增加保护层厚度、使用防腐阻锈剂、采用涂层钢筋等方法改善混凝土的孔结构,详述如下:

(1)掺入引气剂。引气剂可以使混凝土拌合物在拌和过程中引入空气,形成大量微小、封闭而稳定的气泡。

优质引气剂引入的大量分布均匀的圆形微细气孔,可以改善混凝土的坍落度、流动性和可塑性:减少有害孔,切断腐蚀介质侵入混凝土的通路:减少混凝土泌水和离析,提高混凝土的均质性:降低热扩散及传导系数,提高混凝土体积稳定性和耐候性,延长管桩使用寿命。聚竣酸系减水剂在生产中需要先用消泡剂来消泡,然后掺入引气剂以引入大量微气泡,其分布均匀、稳定而封闭。

松香类的廉价低质引气剂在国内使用较广,但它会在混凝土管中形成较大气泡,进而生成联通性的大气泡,因此对提高抗渗透性能帮助不大。

(2)合理选择水泥和骨料材料。没有经过整形的粗集料棱角和针片状颗粒含量过多,会使混凝土中气泡难以排出,导致滞留气泡过多。对细集料颗粒而言,天然砂资源越来越少,如果采用没有充分整形的人工砂或混合砂替代,因其颗粒形状较差,气泡难以排出,管桩表面收水时会造成较多的砂眼。因此,粗集料应选用不大于20mm级配良好的碎石,且要进行压碎指标和岩石立方体抗压强度试验。细骨料应采用中砂,其细度模数宜大于2.6,含泥量不应大于1.0%,不允许有泥块。

(3)使用粉煤灰。把优质粉煤灰融合到混凝土中,能够增强其抗渗能力、抗硫酸盐腐蚀性和抗镁盐腐蚀性等性能。适量粉煤灰的作用具体表现在改善混凝土拌合料黏聚性和保水性,减少坍落度的经时损失:减少水化放热量,因此施工时混凝土的温升较小,可明显减少温度裂缝:由于二次水化作用,混凝土的密实度得以提高,界面结构得到改善:二次反应使得易受腐蚀的氢氧化钙数量降低:吸附水泥中的碱,并与碱发生反应而消耗其碱类数量。粉煤灰的添加量与混凝土的抗渗性能密切相关,一般以20%为宜。

(4)增加保护层厚度。研究表明,混凝土保护层的厚度、裂缝宽度和钢筋锈蚀之间相互影响。增加保护层厚度,减少裂缝宽度,可以降低钢筋的锈蚀率[4]。

(5)控制混凝土配合比。关于砂率,如果粗集料与细集料的比例偏高,则细集料及胶凝材料难以填充粗集料之间的空隙:如果粗集料与细集料的比例偏低,则混凝土黏稠会导致气泡难以排出。外加剂掺量需要合理控制,如果减水剂的掺量不合适,产生要求气泡的条件将随之改变:同时要防止过振,否则微气泡会连通起来形成大的气泡增大通路。对于水灰比,如果水灰比过小,混凝土料黏稠,则离心成型时气泡将难以排出:如果水灰比过大,则多余水分会形成自由水,进而转换成多余的气泡。搅拌时间参数要合理选定,在水灰比较低、用水量较少的情况下,如果搅拌时间不足导致搅拌不匀,则外加剂多的地方气泡多,外加剂少的地方坍落度小。

(6)通过试验确定离心成型工艺的合理参数。离心成型是确保管桩混凝土达到良好密实度的关键工序,离心加速度、离心时间与离心后混凝土的密度紧密相关。如果控制不当,管桩离心后虽然内壁比较光滑、外观美观,但土分层较明显,密实度不均。因此应通过试验,确认合理的离心时间和离心加速度。

2.2支架

目前国内地面电站的支架材料大都选用o235钢材,使用热镀锌工艺加工防腐。针对沿海的特殊环境,需要采取多种措施提高金属的防腐蚀性能。

2.2.1增加镀锌厚度

一般来说镀层越厚,全部腐蚀所需的时间越长,结合沿海环境及经济性,建议热镀锌厚度增加至85um以上。

锌液温度、浸锌时间、工件表面清洁度会影响镀锌厚度。当锌液温度低于430℃时,锌铁的扩散速度不足,难以生成足够的铁锌合金层厚度:当温度高于465℃时,锌铁扩散速度加快,锌层厚度快速增加,但当温度再升高,锌液浓度下降,锌层厚度会再次变薄。一般情况下,镀件厚度越大,浸锌时间越长:但浸锌时间过长会使锌层变脆。另外,表面光洁度高的工件锌层相对较薄,建议在合适的锌液温度下,适当延长浸锌时间来增加锌层厚度。

2.2.2提高镀锌工艺水平

热浸锌钢件表面缺陷会影响其抗渗透能力,镀锌原材料的表面夹渣、划伤、裂纹等以及镀锌过程中的锌液成分、温度等工艺因素均和镀锌层质量紧密相关。加工中需要关注的关键质量控制点如下:

(1)原料缺陷的处理。受制于钢厂加工工艺及运输中的保护不足,钢材表面普遍存在裂纹、结疤、皱皮等缺陷。热浸锌前应对表面裂纹、皱皮、结疤、麻面进行打磨和补焊。

(2)漏镀的处理。漏镀是较为严重的质量缺陷。在施工现场,针对单个面积小于l0cm2的裸露斑点,可以采用热喷涂锌、涂敷富锌涂料方法修复。

(3)原材料表面的洁净度。如果工件表面存在油污、漆斑等,在镀锌进料前可采取专用除油剂、涂抹碱液、火烧等方法进行处理。酸洗不完全而残留的锈斑,可以采取延长酸洗时间来解决:对锈蚀层较厚的工件,可以用机械铲除方法进行预处理[5]。

(4)助镀剂的使用。支架镀锌使用的助镀剂是氯化锌、氯化铵按照比例配制的水溶液,用于将工件表面与空气隔开,防止经碱洗脱脂、酸洗除锈后的洁净钢基表面发生氧化。需要注意助镀剂要定期化验,确保其铁含量控制在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作为替代方案的镀锌铝镁防腐工艺

在传统纯锌镀层(GI)中添加一定量的铝和镁,形成如图2所示的锌铝镁镀层(ZM)。

林源等人研究了热镀Zn-A1-Mg层的防腐机理[6]。锌铝镁镀层主要由纯Zn相、Zn-MgZn2二元共晶相和Zn-A1-MgZn2三元共晶相组成,镀层截面由枝晶状组织和合金层组成,枝晶状组织分布于镀层的整个截面上。镀层中A1、Mg及MgZn2相的存在可以在镀层表面形成稳定的化合物,降低Zn的溶解速度,避免腐蚀的发生:共晶相可以使Mg元素在镀层中均匀分布,促使致密的碱式碳酸锌等腐蚀产物的生成,从而抑制阴极反应,增强热镀Zn-A1-Mg层的耐蚀性。

与常规镀锌产品相比,锌铝镁镀层能实现更出色的耐腐蚀性,如图3所示。即使需要切割构件,其断面镀层也能形成由氢氧化锌、碱性氯化锌及氢氧化镁等组成的致密保护膜来抑制腐蚀。由于热镀锌铝镁构件的耐蚀能力达到普通热镀锌的10~20倍和切割断面的自我愈合能力,热镀锌铝镁合金镀层板制成的构件服役寿命将会很长。国内如宝钢等,会向用户出具30年工件不穿孔的质保承诺书。

2.2.4断面的处理

使用热镀锌或镀锌铝镁工艺的构件,当施工现场需要焊接、开孔、切割断面等再加工时,建议进行锈蚀清理和喷锌及补漆处理。一般先用醇溶性无机富锌底漆打底及调平:中间层使用环氧云铁漆封闭以杜绝空气侵入底漆:丙烯酸聚氨酯面漆可以保证涂装质量,并能保护中间漆。

2.2.5阴极保护措施的使用

对于盐碱腐蚀严重的部位,可采用牺牲阳极的阴极保护措施。

2.3埋地电缆

建议使用防海水耐腐蚀电缆或者增设套管隔绝土壤的氯离子侵蚀。

2.4变压器和逆变器

变压器和逆变器的外壳一般选用镀锌钢板制成,可以通过下列措施提高防腐性能:

(1)选用耐腐蚀性能更好的铝合金。侯健等人的研究表明A1-Mg系铝合金在海洋大气中的腐蚀率较低,5A02、5A03铝合金在青岛海洋大气中暴露1年的平均腐蚀率为0.32~0.85am/m,暴露8年的腐蚀率a0.<am/m。另外,A1-Mg系铝合金还具有较好的耐点蚀性能,5A02、5A03铝合金在暴露8年后点蚀深度小于0.3mm,显示出良好的耐蚀性[7]。

(2)采用酸洗磷化处理,以便在钢板表面形成致密的耐腐蚀氧化膜[8],可以有效隔绝空气、水分等腐蚀物质。

2.5接地系统

常规的接地系统主要由镀锌扁铁焊接而成,材料多选择0235钢材。研究表明,镀锌层呈现较高的腐蚀活性,在高盐碱环境下对钢不具有保护作用,因此不推荐使用。替代的材料包括:

(1)铜覆钢材料。铜的平均腐蚀率明显好于镀锌钢,其耐腐蚀性可较热镀锌钢提高5~10倍,使用寿命更长。在40年设计寿命条件下,使用铜覆钢材料的全寿命周期投资成本要大幅度低于纯铜。

(2)不锈钢材料。研究表明,不锈钢材料在海洋环境下腐蚀率小,具有良好的抗腐蚀性能。周波研究发现,在配方为20%Cr、6%Mo、18%Ni、4%Mn、0.5%si、0.5%V,其余为铁时,不锈钢具有优良的耐海水腐蚀性能。在1050℃保温0.5h,后油淬,实现固溶强化,816℃保温0.5h调整处理,然后在α相和g相过渡区进行时效处理,试验钢的耐蚀效果最佳。国外学者还分析了ss30<和ss316不锈钢在空气、土壤、海洋潮上带等环境下的腐蚀率,试验表明不锈钢在三种条件下均表现出良好的防腐蚀性能[11],具体数据如图4所示。

3结语

针对沿海滩涂地面光伏电站的金属设备和材料受到海洋大气、土壤中的海水溶液侵蚀容易发生腐蚀生锈的情况,本文结合光伏电站的现场情况,提出了光伏主要设备和材料抗腐蚀的具体措施,可为设备和材料采购及施工提供参考。