光伏支架的宿命: 腐蚀 | 看不见的“土壤腐蚀”

来源：小树洞谈光伏支架

引导语

跟踪器的设计可以分为“地上结构”和“地下基础”两部分，对于地上结构，钢材所受的腐蚀主要来自于大气的影响，前几篇文章已经有所介绍。而对于地下基础，其腐蚀影响则来自于土壤，由于土壤腐蚀相对比较复杂，本篇仅对其进行简单的介绍。

目录：

1. 跟踪器桩基设计

2. 土壤的复杂性

3. 土壤腐蚀分析-Romanoff

4. 土壤腐蚀分析-其他标准

5. 桩基的防腐设计原则

文章内为了表示方便

以下标准都采用其编号进行叙述

*全文共2081字20图

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跟踪器的桩基有很多种形式，针对不同的土质，工程师往往会考虑不同的桩基方案。其中，“锤入桩”形式是目前最常用的、也是最方便安装的桩基方案。

▵跟踪器的不同桩基类型(来源：STI Norland)

▵跟踪器锤入桩的施工(来源：Ideematec)

锤入桩为一种“桩柱一体”的基础类型，也就是说“地上的立柱”和“地下的桩基”为同一个零件，因此锤入桩的材质往往都是钢材。所以，除了要考虑立柱部分的大气腐蚀，还要解决地下“看不见”的土壤腐蚀。

土壤是一个由多种不同类型胶状物组成的物质，由于这些胶状物之间存在间隙，所以非常容易包裹空气以及水份。空气、水、胶状电解质，当这些因素组合在一起时，会使埋在土壤里的钢结构极易受到腐蚀的侵害。

为了方便研究，科学家们采用多种方法，人为地对土壤进行了分类，其中最常用的一种方法称为USCS (Unified Soil Classification System)，总结来说就是依据土的“质地”以及“晶粒大小”对其进行不同种类的划分。

▵土壤按照其质地和晶粒大小进行的分类

多年来，科学家们一直想搞清楚土壤腐蚀的奥秘，并且希望能够利用理论计算的方式，提前预知在不同土壤环境下的钢材腐蚀速率，以便在项目前期就依据理论分析的结果，对钢材进行有效的设计和防护。

凡是涉及到土壤腐蚀的科学研究，就永远绕不开一个人，Melvin Romanoff。从1922年到1952年，Romanoff和他的同事在美国各地不同类型的土壤中，埋下了上千块金属样品。

▵美国各地的土壤种类分布图

黑点即为当时Romanoff测试的位置

（来源：Underground Corrosion）

利用这些样品在长达30年的土壤中腐蚀的情况，Romanoff分析出了在不同土壤环境下，不同金属的腐蚀速率，并终于在1957年撰写完成了一本巨作《Underground Corrosion》，本书包含了当时科学界对于土壤腐蚀的所有理论，堪称经典。

1995年，因为Romanoff在土壤腐蚀中的突出贡献，美国国家腐蚀工程师协会(NACE)将他列入了名人堂。

▵Underground Corrosion，Romanoff所著

后台留言“土壤腐蚀”即可下载原书

Romanoff认为，土壤的腐蚀与4个因素有关：

• 通风率，空气的流通提供了腐蚀所需的氧气

• 电解质，提供电化学腐蚀需要的环境

• 电子因素，诸如电流、电阻等因素的高低影响着腐蚀速率大小

• 其他方面，诸如回填土、细菌等因素
  

尽管Romanoff对土壤进行了大量的数据分析，但是鉴于当时的科技水平和工程师对土壤的理解，Romanoff方法仍然有其自身的局限性。

在Romanoff分析方法建立的之后几十年里，相继出现了多种关于土壤腐蚀的理论。其中很多理论发展成为了当地或者国际标准，下面小树洞就举几个比较有代表性的规范。

▵镀锌钢材“腐蚀速率”与“电阻率”的关系

1gr/year/sq.m = 0.14um/year

(来源：FHWA-NHI-09-087)

▵锌层“腐蚀速率”与

“湿度”、“ph值”、“氯化物浓度”的关系

(来源：AGA)

▵采用“打分法”分析土壤腐蚀

(来源：DIN 50929-3)

类似的关于土壤腐蚀的规范还有：

• 澳洲标准：AS 2041

• 澳洲标准：AS 2159

• 欧洲标准：EN 1993-5

• 欧洲标准：EN 12501

• 美国腐蚀工程师协会：NACE

• 加拿大标准：CSPI

几乎所有的规范都表达了同一个观点：

“土壤腐蚀并不是由单一因素导致的，而是由多种因素相互作用、相互影响的结果”

总结而言就是，土壤的以下属性会使其腐蚀环境更加恶劣：

• 土质越细腻，吸水性越强；

• 水份越多，电解质越丰富；
  

• 通气率越高，氧气含量越高；
  

• ph值越小，防腐沉淀物越难形成；
  

• 电阻率越小，氧化还原电子游离越容易；

• 氧化还原电位越高，越容易发生电化学腐蚀；
  

• 氯化物含量越高，阳极溶解越容易；
  

• 生物细菌含量越高，抑制防腐沉淀物的生成；
  

对于地上部分的光伏支架结构，出于美观性的角度，在设计使用寿命内，一般不允许出现红锈。防腐完全需要镀锌层来抵抗。

对于埋在地底下的桩基设计，因为土壤腐蚀速度一般都比大气腐蚀要高很多，即使采用了镀锌层来防腐，也无法保证在设计使用寿命内不出现红锈，而且桩基深埋在地下，并不需要考虑美观性的问题。所以桩基的防腐设计，不仅靠镀锌，还要牺牲一部分钢材。

▵举例说明结合镀锌和钢材腐蚀后

实际出货的3mm立柱，在前期设计时

最终采用2.84mm进行强度计算

当然，如果没有美观度要求，也可以不采用镀锌，而直接腐蚀钢材进行桩基设计。

▵未镀锌立柱设计

(来源：NEXTracker)

▵未镀锌立柱设计

(来源：Arctech)