谢小松，曲 鹏，殷黎明

(1.上海电气集团股份有限公司，上海 201199；2.重庆大学，重庆 400044；3.中基为(重庆)新材料技术研究院有限公司，重庆 402760)

0 引言

随着全球能源结构调整，光伏产业发展势头强劲。中东海湾地区年水平面太阳总辐照量等级为A 级，非常适合发展光伏产业。但该地区常年高温多湿，土壤呈中、重度盐碱化，富含氯离子及硫酸根离子，且湿度大、导电率强，属土壤重度腐蚀地区，其土壤条件极易对光伏支架桩基造成腐蚀。光伏支架桩基是将光伏组件及支架的荷载传递到地基的受力构件，其直接影响到光伏组件的案例及支架结构的稳定。对于大型地面光伏电站，光伏支架桩基数量达几万根至几十万根，且其案例、稳定性直接与地形、地质条件等有关。因此，本文针对该地区光伏电站中光伏支架桩基采用钢制材料(下文简称为“钢桩基”)时，其表面镀层的防腐工艺进行试验研究。

以迪拜某光热-光伏电站为例，其光热、光伏装机容量分别为700 和250 MW，电站位于阿拉伯海湾的南岸，此地是面向波斯湾的一片平坦沙漠之地，为亚热带气候，分为冬夏两季，气候温暖湿润，被誉作“沙漠中的绿洲”。电站所在地高温多湿，夏季最高气温可达50 ℃，即使完全不下雨的天气，也常观测到100%的湿度。地形地貌为沙丘和戈壁，站址区内大部分地段(约占总面积的70%)地形较为平坦，部分地段(约占总面积的30%)分布有高低起伏的流动性沙丘，相对高差较大。该地区为典型的滨海盐碱土质，土壤的平均含水率为25.8%、平均密度为2.6 g/cm3、硫酸盐平均浓度为4.92 g/L、氯化物平均浓度为4.74 g/L，土壤平均pH 值为9.5，土壤电阻率为20.5～4001.2 Ω·m，属于重腐蚀土壤环境[1-2]。

本电站中光伏支架桩基为钢桩基，材料采用的是H 型和C 型Q235 钢，其表面镀层防腐工艺拟采用热浸镀锌或镀镁铝锌方案[3]。光伏支架钢桩基的腐蚀环境示意图如图1 所示。

图1 光伏支架钢桩基的腐蚀环境示意图Fig.1 Schematic diagram of corrosion environment for PV bracket steel pile foundation

电站所在地的土壤地质条件具有导电率、氯离子和硫酸根离子均高的特性，钢桩基在土壤中主要受电化学腐蚀破坏，其电化学腐蚀原理如图2 所示。在碱性电解质环境中，钢桩基作为阴极发生析氧反应后易发生腐蚀。腐蚀结果将影响桩基最终的承载力[4]，为了能更好评估钢桩基在贯入过程中对其镀层的影响，应加强对其物理力学性能的研究；同时，应重视桩基在该类土壤环境中的腐蚀问题，以保障其在设计寿命周期内为光伏支架提供有效的荷载支撑。

图2 钢桩电化学腐蚀原理示意图Fig.2 Schematic diagram of electro-chemical corrosion principle of steel pile foundation

针对电站土壤特征及环境腐蚀因子，以分别采用热浸镀锌(HDG)和镀镁铝锌(AZM)两种工艺的钢板作为试验样板，并进行物理力学、电化学腐蚀试验，旨在分析不同的镀层防护方式在该腐蚀环境中的防腐效果。本研究对盐碱地等土壤高腐蚀地区的光伏电站建设、光伏支架桩基的设计具有十分重要的指导意义。

1 试验样板制作及方案

HDG 是将经过预处理的钢构件充分浸入熔融的锌液(温度约438～448 ℃)中锌浴，使钢表面和锌液之间发生冶金反应，通过形成的锌铁合金或铁锌混合物使锌涂层结合于钢表面，凝固后形成锌或锌铁合金镀层的工艺[5]。

AZM 中合金化合物的主要功能是抑制合金元素形成支晶，降低锌层表面张力，减少晶界腐蚀情况；此外AZM 镀层还可以有效降低合金的熔点，增强镀锌过程中液态锌的流动性，提高材料的耐腐蚀能力[6]。锌加入镁后，耐腐蚀性能有所改善，少量的镁能增加锌铝合金镀层的耐腐蚀性，抑制合金的晶界腐蚀，消除合金中杂质的不良影响。随着镁含量的增加，镀层腐蚀产物中的非晶态物质含量逐渐增多，而这种非晶态物质的电阻率较大，使腐蚀电极反应受到一定抑制，表现出较好的抗腐蚀性能[7]。

AZM 和HDG 试验样板的镀层平均厚度均为25 μm，二者的试验样板照片如图3 所示。

图3 试验样板照片Fig.3 Photos of test sample plates

试验对两种样板分别进行扫描电子显微镜(SEM)扫描、X 射线衍射仪(XRD)分析、维氏硬度测试、耐磨性测试及电化学腐蚀试验，试验方案如表1 所示。

表1 样板试验方案Table 1 Test schemes of sample plates

2 SEM 扫描及XRD 分析

对AZM 和HDG 样板进行SEM 扫描及XRD 分析，结果如图4、图5 所示。

图4 样板的SEM 扫描照片Fig.4 SEM scanning photos of templates

图5 样板的XRD 分析结果Fig.5 XRD analysis results of sample plates

从图4、图5 可以看出，HDG 样板的晶体结构主要以Zn 及AlZn 合金组成，各种晶相分布较均匀。而AZM 样板含有MgZn2及AlMg 合金，且其SEM 扫描照片中也显示出多种合金呈共晶分布状态。铝是热浸镀锌中非常关键的金属元素，锌锅中铝含量决定了镀层各晶相的结构及锌锅镀锌品质[8]，因此AZM 镀层有较强的耐氯、耐碱腐蚀能力。

3 维氏硬度及耐磨性能测试分析

对两种样板分别进行维氏硬度及耐磨性能测试分析，测试照片如图6、图7 所示，测试结果数据如表2 所示。

表2 两种样板的维氏硬度和耐磨性能测试结果数据Table 2 Test results of Vickers hardness and wear resistance of two sample plate

图6 两种样板的维氏硬度测试照片Fig.6 Test photos of Vickers hardness of two sample plates

图7 两种样板的耐磨性能测试照片Fig.7 Test photos of wear resistance of two sample plates

由表2 可知，AZM 样板的平均维氏硬度及耐磨性能均优于HDG 样板，因此AZM 镀层的物理力学性能、耐磨性能更优。

4 电化学腐蚀试验

光伏支架钢桩基在高盐、高导电土壤中的腐蚀类型主要为电化学腐蚀，由于材质不同等原因导致钢桩基产生电位差，电解质溶液形成电流回路，进而产生电化学腐蚀[9-11]。电化学腐蚀试验采用的是Princeton P4000 电化学工作站，采用三电极体系，电化学工作站和三电极试验舱的实物图如图8 所示，测试样板作为工作电极，参比电极为Ag/AgCl电极，对电极为Pt 电极。试验环境模拟项目场地条件，具体试验参数设计如表3 所示。

表3 电化学腐蚀试验条件Table 3 Electro-chemical corrosion test conditions

图8 电化学工作站和三电极试验舱实物图Fig.8 Photos of electro-chemical workstation and three electrode test chamber

依据试验条件，对以上4 种参数设计三水平正交试验，正交试验表如表4 所示。

表4 正交试验表Table 4 Orthogonal experimental table

利用Princeton P4000 电化学工作站测试得到两种板的塔菲尔(Tafel)极化曲线，腐蚀体系的极化过程中电极表面的状态会不断变化，这导致了Tafel极化曲线在测试时很难达到完全稳定的状态，通常以很慢的速度进行电位扫描[12]。试验电位扫描范围为开路电位(OCP) 0.5 V，扫描速度为0.01 V/s，测得对应的腐蚀电流密度i，根据测试得到的自然腐蚀电位Ec、腐蚀电流密度绘制得到Tafel极化曲线[13]。依据法拉第定律，即可计算求得两种样板的金属腐蚀速率Vp。金属耐蚀性等级的划分依据金属耐蚀性分级标准进行划分[14]。两种样板的电化学腐蚀试验结果分别如表5、表6 所示。

表5 HDG 样板的电化学腐蚀试验结果Table 5 Electro-chemical corrosion test results of HDG sample plates

表6 AZM 样板的电化学腐蚀试验结果Table 6 Electro-chemical corrosion test results of AZM sample plates

由表5、表6 可知：相同试验条件下AZM样板的腐蚀电位低于HDG 样板的，腐蚀电流AZM 样板低于HDG 样板。说明AZM 镀层的防电化学腐蚀效果优于HDG 镀层。

5 结论

光伏产业发展迅猛，中东海湾地区的盐碱地尤其适合发展光伏产业，场地具有高盐、高导电腐蚀特征。在该地区发展光伏电站，尤其要关注光伏支架钢桩的长期耐腐蚀性能。AZM 镀层和HDG 镀层是常用的防腐方式，本文通过SEM 扫描及XRD 分析其微观结构特征、通过维氏硬度分析、耐磨性能测试，分析了其物理力学性能；通过电化学腐蚀试验论证了两种不同镀层的耐蚀性能。得到如下结论：

1) AZM 镀层由于合有MgZn2及AlMg 合金的成分，较HDG 镀层具有较强的耐氯（盐、汗迹、海水、海风、土壤等中的氯）和耐碱腐蚀能力；

2) AZM 镀层的物理力学性能、维氏硬度、耐磨性能更优于HDG 镀层，能更好地满足机械施工的要求；

3) AZM 镀层的耐电化学腐蚀性能在同样的腐蚀环境中明显优于HDG 镀层。

因此，在中东海湾地区的光伏支架钢桩其中，AZM 镀层较HDG 镀层更适合作为主要的防腐方式。