光伏电站螺旋地桩的腐蚀机理及防腐原理研究

杭州帷盛太阳能科技有限公司 ■ 徐乐 李慧 吴克明

一 引言

螺旋地桩作为地面光伏电站支撑系统的基础结构，起承上启下、至关重要的连接支撑作用，桩身材质采用Q235系列普通碳素钢。由于螺旋地桩长期处于阴暗潮湿的地下环境，最易发生腐蚀，不仅会造成部分电站支撑系统的失稳或坍塌，甚至会影响到整个光伏电站的使用寿命，因此对螺旋地桩的腐蚀问题必须认真对待。研究表明，通过对桩身表面进行热浸镀锌处理可有效防止腐蚀。青海德令哈10MW地面光伏电站如图1所示，其基础采用的就是热浸镀锌螺旋地桩，有效地起到了承载结构与耐腐蚀功效。

二 螺旋地桩的腐蚀环境及腐蚀机理分析

1 螺旋地桩的腐蚀环境

根据腐蚀环境的不同，螺旋地桩的腐蚀主要分为大气腐蚀和土壤腐蚀两种。大气腐蚀主要是螺旋地桩暴露在空气的一部分受到的腐蚀；土壤腐蚀主要是螺旋地桩埋入地下部分受到的腐蚀(见图2)。

2 螺旋地桩的腐蚀机理

螺旋地桩腐蚀有化学腐蚀和电化学腐蚀两大类型。

化学腐蚀：物质在非电化学作用下的腐蚀过程。对螺旋地桩来说，主要在干燥、高温的空气中的腐蚀或是暴露在重污染场所引起的腐蚀。但纯化学腐蚀的情况很少，只有在特殊条件下发生。

电化学腐蚀：金属和其他导体(金属或非金属)与电解质溶液接触时会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化，由此导致金属腐蚀的过程[1]。整个腐蚀包括阳极溶解氧化过程和发生析氢(或吸氧)腐蚀的阴极过程。

造成螺旋地桩电化学腐蚀主要是水和氧气两个因素。

(1) 大气腐蚀：大气成分中水和氧含量都相对较高。当暴露在空气中的螺旋地桩与比其表面温度高的空气接触时，空气中的水蒸气可在金属表面凝结，即结露，这是地桩发生大气腐蚀的基本原因[2]。引起腐蚀的原因主要为电化学腐蚀，且以吸氧腐蚀为主；在一些空气极度干燥场所，还有化学腐蚀的存在，主要是金属与空气中的氧气直接反应。

(2) 土壤腐蚀：土壤腐蚀是一种电化学腐蚀。土壤是一种复杂的多相结构，主要是由土壤颗粒、水、空气等有机胶质混合颗粒和无机物所组成。土壤颗粒之间存在大量毛细管微孔或孔隙，空气和水填充到这些孔隙中，常形成胶体体系，该体系是一种离子导体。所以当螺旋地桩与土壤接触时，就形成了腐蚀原电池。大多数土壤是中性的，也有些土壤呈碱性，如砂质粘土和盐碱土，pH值为7.5～9.5，所以螺旋地桩在土壤中的腐蚀以吸氧腐蚀为主，只有在强酸性土壤中，如酸性腐殖土和沼泽土，pH值在3～6，才会发生析氢腐蚀。

三 热浸镀锌的防腐原理

衡量热浸镀锌耐腐蚀性的关键指标是锌层的厚度，一般认为两者成正比关系。我国热镀锌厚度的国家标准GB/T 13912—2002[3]见表1。

表1 未经离心处理的镀层厚度

螺旋地桩的厚度一般为3～4mm，国家规范要求最小平均厚度为70µm，但本工厂要求的螺旋地桩的镀层平均厚度要大于80µm。一般情况下，完全能够保证25年的使用寿命。

热浸镀锌对钢铁的防护作用表现如下：

(1) 锌在潮湿的环境中，表面会形成一层电解质溶液薄膜，因此形成腐蚀原电池。其电化学反应式为：

空气中的CO2与Zn(OH)2反应生成ZnCO3。当空气干燥、镀锌层表面无水时，则生成ZnO。这样在锌的表面，就形成了由ZnO、Zn(OH)2、ZnCO3组成的锈层，这层产物对锌层自身有保护作用，腐蚀速度会变慢。

(2) 在大气或土壤中的镀锌螺旋地桩，其腐蚀情形可分为以下6种情况[4]：

① 当镀锌层完好时，螺旋地桩表面被锌层完全覆盖，锌层腐蚀产生的锈层物质会减缓内部锌层和桩身的腐蚀速度，见图3a。

② 螺旋地桩的镀锌层由于腐蚀或磨损等原因，镀锌层中的铁锌合金部分暴露在腐蚀环境中，由于合金层与纯锌层的电极电位不同，电位较负的纯锌层优先被腐蚀，见图3b。

③ 螺旋地桩的纯锌层逐渐消耗完毕，此时锌铁合金层完全暴露在外，但仍可缓减腐蚀速率，见图3c。

④ 当螺旋地桩的镀锌层在打桩或安装的过程中被磨损或者由于腐蚀原因，导致部分缺失，镀锌层、锌铁合金层就会随着腐蚀的过程缓慢溶解，同时其腐蚀产物会抑制氧向金属表面扩散，从而降低腐蚀速率，见图3d。

⑤ 纯锌层被完全腐蚀，螺旋地桩部分裸露，电极电位较负的锌铁合金对桩身仍能提供电化学保护，见图3e。

⑥ 当锌铁合金层被消耗完毕，螺旋地桩就会裸露在腐蚀环境中受腐蚀，见图3f。

通过以上分析知，80µm的镀锌层要至少能保证25年的使用寿命，也就是说至少25年后，纯铁才会暴露在腐蚀环境中受腐蚀。

四 热浸镀锌螺旋地桩实例防腐模型分析（西北地区）

图4为内蒙古四子王旗施工地现场拔出的一根螺旋地桩，其桩身长1.6m，桩头至1.4m处为埋入地下部分。从图4可以看出，此地桩桩身螺纹区域镀锌层受到不同程度损坏，桩身上部镀锌层损伤较小，但整根桩身未受腐蚀。

图4 施工地现场拔出的螺旋地桩

此螺旋桩的腐蚀环境模型见表2(表中区域特点根据地质报告及实地考察得出)。暴露在空气中的螺旋地桩，由于锌层未受损，基本的保护层完好，加之西北地区空气中水分含量少，热浸镀锌可有效防御大气腐蚀；地表至地下0.5m区域，水和氧气的含量均相对丰富，锌层未受损，通过锌层的牺牲保护原理，可有效抵抗土壤腐蚀；深入地下低于0.5m区域，土质相对密实，含氧量下降，含水量较小，电化学腐蚀速度慢，虽镀锌层在打桩时受到土壤和碎石的摩擦受损严重，通过以上锌层防护原理可知，仍可有效抵抗腐蚀，此区域最不容易受到腐蚀。

表2 西北地区某工业地用螺旋腐蚀地桩腐蚀模型

五 结束语

通过以上分析可知，螺旋地桩基础在选用前应对当地的地质、气象报告进行分析，铺设地点要远离或避免强腐蚀性和重污染的场所，这样一方面可降低锌层的腐蚀速率，另一方面可避免桩身发生化学腐蚀，因为污染空气中的SO2、Cl−等物质都会加剧锌的腐蚀速度[5]；要尽量避开透气性较强的风化石和砂石地带，降低透氧率。

目前国内的大型地面光伏电站都设立在较为偏远的西北地区，空气污染不严重，大气中SO2、Cl−含量很小，水分含量也很少，土壤中水分含量也较少，这种环境非常适合使用螺旋地桩。

螺旋地桩的防腐关系着大型地面光伏电站系统的正常运行，通过对螺旋地桩表面进行热浸镀锌处理，可有效起到防腐功效。

[1] 何清秀, 李刚, 王帅. 埋地管道外防腐技术[J] . 科技与企业,2012, (4): 133.

[2] 唐政, 李碧君. 超高压输电线路杆塔接地装置腐蚀分析 [J] . 重庆电力高等专科学校学报, 2011, (1): 72－74.

[3] GB/T 13912-2002, 金属覆盖层 钢铁制件热浸镀锌层技术要求及试验方法 [S] .

[4] 钟辉. 热浸镀锌钢板腐蚀行为与钝化试验研究 [D] . 兰州: 兰州理工大学, 2011.

[5] 施彦彦, 张昭, 张鉴清, 等. 锌及其合金的大气腐蚀研究现状[J] . 中国腐蚀与防护学报，2005, 25 (6): 373－379.