耐候鋼應(yīng)用于光伏支架的耐腐蝕優(yōu)勢(shì)

何榮華，王夏秋

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

2022 年兩會(huì)，“碳達(dá)峰”“碳中和”被首次寫(xiě)入政府工作報(bào)告，也進(jìn)一步成為網(wǎng)絡(luò)熱詞走入公眾視野。隨著國(guó)家對(duì)低碳新能源的越發(fā)重視，光伏發(fā)電作為一種重要的可再生新能源，得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，需求量也在不斷提高。光伏發(fā)電不僅不產(chǎn)生碳排放和污染物，對(duì)環(huán)境污染小，而且太陽(yáng)是一種無(wú)限能源，可以滿足人類(lèi)能源的需求。隨之而來(lái)的便是市場(chǎng)對(duì)于光伏支架的需求。

1 氣候條件對(duì)光伏支架的耐腐蝕性的技術(shù)參數(shù)要求

1.1 云南氣候環(huán)境特點(diǎn)

云南省地處高原，山巒起伏，山地面積占全省總面積的94%。境內(nèi)地形錯(cuò)綜復(fù)雜，有眾多的山脈、河流和湖泊。具有兩大地貌類(lèi)型，西部為橫斷山縱谷區(qū)，東部為廣袤的云南高原。云南省地勢(shì)北高南低，屬低緯高原季風(fēng)氣候，四季溫差小，干濕季分明，立體氣候特征明顯。其主要表現(xiàn)為： ①氣候的區(qū)域差異和垂直變化十分明顯。②年溫差小，日溫差大。③降水充沛，干濕分明，分布不均。④交通條件較差，工程區(qū)范圍較大，各區(qū)域之間地形起伏變化較小，坡度一般為5°~20°不等，植被發(fā)育良好。⑤地層主要由基巖及小于5 m 的覆蓋層組成，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅰ0 或Ⅰ1 類(lèi)。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.30 g，基本地震基本烈度為Ⅳ度，反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

1.2 對(duì)光伏支架耐腐蝕性的技術(shù)參數(shù)要求

本次分析，以滇東北會(huì)澤地區(qū)的地理環(huán)境氣候特點(diǎn)為背景，要求地區(qū)光伏支架必須具有非常好的耐候性，能在室外嚴(yán)酷的環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，滿足防腐、抗拔、抗壓、抗震等要求。金屬長(zhǎng)期暴露在室外，經(jīng)受風(fēng)吹雨淋日曬，會(huì)對(duì)其造成多種多樣的破壞，其中最常見(jiàn)的就是腐蝕破壞，金屬腐蝕后將造成十分巨大的危害，不僅會(huì)降低光伏支架自身的價(jià)值和使用年限，而且還會(huì)造成資源浪費(fèi)，所以耐腐蝕的工作就顯得十分重要。針對(duì)耐腐蝕這一特性，推出了熱鍍鋅作為光伏支架的主要材料，熱鍍鋅是將鋅錠高溫熔化，加入一些輔料，然后浸入工件中，即鍍一層鋅。熱鍍鋅加工是一種有效的金屬防腐的方法，但是熱鍍鋅的缺點(diǎn)也隨之而來(lái)，例如，鍍鋅層易脫落、施工時(shí)容易劃傷等。在熱鍍鋅的加工過(guò)程中容易對(duì)環(huán)境造成污染，整個(gè)鍍鋅過(guò)程是在高溫下進(jìn)行的，助鍍劑中的NH4Cl 極易受熱分解與揮發(fā), 產(chǎn)生大量的NH3、HCl 等剌激性氣體和NH4Cl濃煙,污染環(huán)境，高溫環(huán)境下，也極其容易產(chǎn)生鋅蒸汽、鋅粉塵，對(duì)操作人員造成危害。光伏支架在新型防腐鍍層發(fā)展方向的同時(shí)，按不銹鋼研發(fā)思路，研發(fā)出介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼產(chǎn)品——耐候鋼。這種支架材料強(qiáng)度高、重量輕，其鋼結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)輕化量25%~30%，而且支架安裝效率高，節(jié)省鋼材、便于安裝、生產(chǎn)、加工便利、免涂裝、免維護(hù)、經(jīng)濟(jì)適用、綠色低碳環(huán)保，具有非常好的應(yīng)用前景。

2 耐候鋼材料特性分析

2.1 耐候鋼耐腐蝕特點(diǎn)

耐候鋼，又叫做耐大氣腐蝕鋼，是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼，通過(guò)在鋼中加入少量Cu、P、Cr、Ni 等合金元素，使鋼鐵材料表面在大氣環(huán)境下生成一層致密、具有保護(hù)性的銹層，阻止大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入，減緩了銹蝕向鋼鐵材料縱深發(fā)展，從而提高耐大氣腐蝕能力。

耐候鋼光伏支架采用熱軋工藝制作，免鍍鋅，免涂裝，使用過(guò)程中表面形成的銹層具有保護(hù)基體的作用，支架25 年腐蝕減薄量?jī)H為0.1 mm 左右（項(xiàng)目地域不同略有差異）。

支架使用初期表面顏色會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。初始顏色為灰色，自然條件下，在空氣中水分或雨水作用下表面發(fā)生局部銹蝕，銹蝕產(chǎn)物為棕黃色，呈不均勻分布。隨時(shí)間延長(zhǎng)，銹蝕面積逐漸擴(kuò)大并且趨于均勻分布，顏色向棕紅色轉(zhuǎn)變，銹層穩(wěn)定后呈丹霞色。

表面顏色達(dá)到穩(wěn)定丹霞色所需時(shí)間與所在地點(diǎn)空氣濕度或降水情況有關(guān)。空氣濕度越低，降雨越少，所需時(shí)間越長(zhǎng)。支架表面出現(xiàn)銹蝕對(duì)使用性能沒(méi)有影響。

2.2 耐候鋼耐腐蝕性能對(duì)比

光伏支架材料的高強(qiáng)度輕量化、新型防腐鍍層和自耐腐三個(gè)發(fā)展方向，在當(dāng)前低碳環(huán)保、技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)等政策影響下，越來(lái)越多的光伏支架生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)過(guò)材料特點(diǎn)比較和綜合成本考慮，放棄了原有的熱鍍鋅生產(chǎn)工藝，采購(gòu)更加低碳環(huán)保的新型材料進(jìn)行光伏支架生產(chǎn)。

表1 不同材料特點(diǎn)比較

由上表可以看出，綠色耐候鋼具有更大的輕量化優(yōu)勢(shì)和低碳環(huán)保優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)價(jià)格合理的情況下，擁有更為理想的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)。

在C3 環(huán)境下，采用熱浸鋅支架，鍍鋅量：雙面500 g/m2，防腐年限25 年，在C3 環(huán)境下，采用鍍鋅鋁鎂鋅鍍鋅層在150 g/m2，可滿足25 年的防腐要求。在C3 環(huán)境下，采用耐候鋼，可保證25 年均勻腐蝕減薄量不超過(guò)0.2 mm。因此在相同的環(huán)境下，材料防腐性能滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

2.3 光伏支架耐候鋼腐蝕量預(yù)測(cè)

按照GB/T 19292-2018《金屬和金屬的腐蝕性大氣腐蝕性》，大氣腐蝕性分類(lèi)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試樣第一年腐蝕速率的測(cè)定值進(jìn)行腐蝕性評(píng)估。對(duì)應(yīng)于每個(gè)腐蝕性等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)金屬第一年的腐蝕速率見(jiàn)表2。

表2 不同腐蝕性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)金屬暴曬第一年的腐蝕速率表

Q235 鋼在項(xiàng)目所在地的腐蝕速率按照腐蝕等級(jí)預(yù)測(cè)方法--基于環(huán)境因素和鋼化學(xué)成分的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。

該方法主要是腐蝕損失隨時(shí)間變化的對(duì)數(shù)曲線外推法。用公式（1）表示。

式中：C—腐蝕損失；t—時(shí)間；A，B—常量；

A是t=1 時(shí)的腐蝕損失；B是logC隨logt變化的斜率。

依據(jù)公式（2）和公式（3），系數(shù)A和B被計(jì)算為環(huán)境因素和合金元素影響的線性組合。

式中：

A和B為公式1 定義的腐蝕損失指數(shù)函數(shù)的常數(shù)，A0 和B0 為表3 中給出的常數(shù)；Ai和Bi為表3中給出的環(huán)境因素或合金元素的常數(shù)；Xi為各環(huán)境因素參數(shù)和合金元素的組成。

表3 基于環(huán)境因素參數(shù)和鋼成分計(jì)算速率常數(shù)A、B 的常數(shù)和系數(shù)

參照此方法，結(jié)合項(xiàng)目所在地的大氣環(huán)境參數(shù)，結(jié)合Q235 鋼的化學(xué)成分，可以獲得Q235 鋼在項(xiàng)目所在地的第一年平均腐蝕速度預(yù)測(cè)值為：12 μm/a。參照 GB/T 19292-2018《金屬和金屬的腐蝕性 大氣腐蝕性》和表1 可以判斷：云南光伏發(fā)電項(xiàng)目所在地腐蝕性等級(jí)屬于C2 等級(jí)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以云南省會(huì)澤地區(qū)地理氣候環(huán)境特點(diǎn)為光伏電站支架設(shè)計(jì)應(yīng)用背景，可以看出高強(qiáng)度的綠色耐候鋼為主材的支架選材經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。其生產(chǎn)和使用過(guò)程中免涂裝、免維護(hù)，能夠有效降低后期維護(hù)成本。特別是綠色耐候鋼，不存在支架連接點(diǎn)防腐和后期維護(hù)問(wèn)題，相比熱鍍鋅和鍍鋅鋁鎂材料的光伏支架后期維護(hù)成本更低?？傊?，耐候鋼支架是設(shè)計(jì)上投入了大量的技術(shù)力量、選材上經(jīng)過(guò)精心對(duì)比，加工工藝經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲，才最終得到的耐腐蝕性能好、強(qiáng)度高、重量輕、安裝效率高、加工周期短、性能經(jīng)得住考驗(yàn)的低碳環(huán)保型光伏支架。