螺旋地桩腐蚀事故的实例分析与处理

张 亮 刘壮志

(1.中机中联工程有限公司，重庆 400039；2.普洛斯投资(上海)有限公司，上海 200120)

0 引言

随着太阳能资源利用的不断发展，大规模地面光伏电站工程的建设迅速发展，钢质螺旋地桩在光伏支架基础工程中的应用越来越广泛，其安装施工便捷、工期短、对环境破坏小等优点，已突出显示。螺旋地桩作为地面光伏支架系统的基础结构，起到承上启下的连接与支撑作用。由于螺旋地桩桩身采用热镀锌Q235钢材，长期处于土壤环境中，易产生腐蚀破坏事故，影响整个光伏系统的使用。近几年，已陆续出现螺旋地桩严重腐蚀事故的工程教训，因此，螺旋地桩的腐蚀问题已成为影响推广应用的急需解决的关键问题之一[1-2]。

1 工程概况

1.1 工程设计及事故概况

西北某大型地面光伏电站工程，光伏支架基础采用热镀锌Q235钢质大叶片螺旋桩，支架与基础的连接方式采用紧固螺栓连接，螺旋地桩的规格为φ76×4×2000 mm，建成后的工程见图1。

2015年，部分螺旋地桩出现严重腐蚀现象(见图2)，将腐蚀受损严重的螺旋桩挖出，并对腐蚀事故进行鉴定分析处理。

1.2 工程自然条件

工程所在地处于毛乌素沙漠边缘，属芦河流域的沙滩草甸地貌。地形平坦，植被稀少低矮，光照充足，气温日差较大，太阳能资源丰富。该地区季节性降水明显，7、8月份地下水位会大幅上升，其他月份土壤含水率较低，为干燥性土壤，局部洼地常年含水率较高，地表土以第四系松散堆积物为主，主要由冲洪积粉砂和粉质黏土构成，含盐量高，pH值为7.5～7.9，属于弱碱性的盐渍土，存在季节性冻土，最大冻深约1.2 m，局部基岩出露，基岩以砂岩为主。

图1 建成后的地面光伏电板

2 钢质螺旋地桩的腐蚀机理概述

2.1 螺旋地桩的腐蚀环境

按照所处的环境，螺旋地桩的腐蚀可分为大气腐蚀和土壤腐蚀两种类型[1-2]。

大气腐蚀：当地桩露在空气中，与其表面温度较高的空气接触时，大气中的水蒸气在金属表面凝结结露，形成水膜，由于水膜溶解空气中的气体及其他杂质，起到电解液的作用，从而引起地桩表面产生电化学腐蚀。

土壤腐蚀：土壤是一种复杂的三相结构，主要由土颗粒、水、空气和无机物等组成，土颗粒之间存在大量毛细孔隙，空气和水充填到孔隙中，常形成胶体结构，具有导电性，属于离子导体。当钢质地桩与土壤导体接触时，会形成腐蚀原电池，产生电化学腐蚀。

由于螺旋地桩通常都设计埋入地面以下，故其产生的腐蚀都属于土壤腐蚀。

2.2 土壤腐蚀机理

钢质地桩金属材料受到周围土壤介质的化学、电化学作用而产生破坏，含水的土壤是一种电解质，钢质地桩的腐蚀过程涉及氧化还原反应，其腐蚀机理过程的电化学方程式见式(1)—式(7)[2-7]。

(1)阴极反应过程：

(1)

(2)阳极反应过程：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

上述腐蚀过程，一方面，Fe(OH)2会被继续缓慢氧化为更稳定的Fe3O4；另一方面，FeOOH也可以与金属表面的Fe2+结合形成Fe3O4，这就是内层Fe3O4含量较高且具有保护性的原因，也是锈层增厚，颜色加深的原因[5-7]。

2.3 土壤腐蚀的影响因素

钢质地桩在土壤中腐蚀速率的大小与土壤中的各种物理、化学性质及环境因素均有关，各种因素相互作用，引起土壤腐蚀性比其他介质的腐蚀性更为复杂。根据土壤腐蚀的机理，其主要影响因素有孔隙度、含水量、含盐量、电阻率、pH值、腐蚀电位等[3-11]。

(1)孔隙度 土壤中的孔隙度较大时，有利于氧气、水分等组分的渗透和扩散，腐蚀介质浓度增大，会促进腐蚀的发生，加速腐蚀反应。

(2)含水量 土壤中的水是形成腐蚀电解质的主要成分之一，含水量是金属材料在土壤中产生电化学腐蚀的重要影响因素之一。土壤含水量增大，各种可溶盐溶解量增加，电阻率降低，腐蚀反应加快，加速腐蚀作用。

(4)电阻率 土壤中的电阻率与含水量、含盐量、可溶盐种类、孔隙度等多种因素有关。一般而言，随着含水量、含盐量、孔隙度的增大，电阻率变小，腐蚀速率增大。

(5)pH值 我国大部分地区土壤属中性，pH值在6～8之间，一般来说，pH值越小，腐蚀性越强，即，酸性土壤的腐蚀性比碱性土壤的腐蚀性更强一些。

(6)腐蚀电位 在酸性和中性土壤中，腐蚀电位在0～400 mV之间，金属腐蚀现象不明显；在碱性土壤中，腐蚀电位在-200～-600 mV之间，电位越负，腐蚀现象越明显，而且会出现明显的点蚀。

除上述几种主要因素外，还受土壤中微生物以及温度等的影响。

2.4 螺旋地桩的应力腐蚀

金属材料发生应力腐蚀的三个基本条件是：敏感的材料、特定的腐蚀介质、承受一定的拉应力[9,12-14]。金属材料的腐蚀是一种不均匀的破坏，腐蚀的发展过程较快，一旦在金属构件表面发生，腐蚀的蚀坑就会向四周迅速扩展，使金属构件产生应力集中现象，而应力集中现象又会反过来加快金属材料的腐蚀速率。

由于螺旋地桩实际的受力状态比较复杂，承受一定的拉应力作用，在腐蚀介质的共同作用下，钢桩表面会产生应力腐蚀现象。通常情况下，应力腐蚀导致的金属构件的破坏属于脆性破坏，同一种材料的强度和硬度越高，抵抗应力腐蚀的能力越差；韧性和塑性越好，抵抗应力的腐蚀能力越强[12-14]。

3 螺旋地桩腐蚀事故实例分析

3.1 地桩腐蚀事故的现状调查及分析

该地面光伏电站工程运营4年，发现部分螺旋地桩出现严重腐蚀现象，将腐蚀区域的地桩开挖拔出，进行研究处理。

(1)地表立柱及连接部位的腐蚀

部分地表处支架立柱及与地桩连接部位出现严重的腐蚀痕迹，地表腐蚀区域典型的地表土特点及腐蚀特征见图3、图4。

从现场照片可以看出，地表有一层白色晶体析出，地表土含水量较高，支架立柱与地桩的连接部位表面出现严重腐蚀现象。 西北地区盐碱土具有“春出盐，秋出硝”的特点，地面白色的析出结晶体，主要成分为氯化物。表面大量的氯盐，在潮湿的土壤中，形成良好的腐蚀介质，侵蚀立柱及地桩的防腐镀锌保护层，同时氯离子与锌发生反应，在镀锌层形成氯化锌。 因此，地表的白色晶体主要为氯化钠和氯化锌的混合物，对钢质材料具有较强的腐蚀作用。

图3 地表腐蚀典型特征的现场照片

立柱与螺旋桩连接部位表面出现褐红色及黑色物质，主要成分是以Fe2O3、Fe3O4为主的铁氧化腐蚀物。 氯化锌在潮湿的土壤中，溶解速率较快，镀锌保护层受到腐蚀失去作用后，内部的铁具有表面活性的特点，会失去电子，引起一系列的氧化反应，最终生成Fe2O3、Fe3O4，Fe2O3为褐红色，Fe3O4为黑色晶体，附着在立柱及地桩表面。

(2)地面以下螺旋地桩的腐蚀

图4为埋入土壤中地桩的上部圆杆位置(叶片上端)。从现场照片可以看出，螺旋地桩表层布满了黑色晶体，而且局部还出现了深黑色点蚀区域。埋入土壤中腐蚀严重的地桩所处的位置，土壤含水量较大，土壤已达到近似溶液状态，形成了较均匀的腐蚀介质，使地桩表面局部出现比较均匀的腐蚀。

图4 地下腐蚀典型特征的现场照片

深黑色斑点为局部腐蚀(坑蚀)点。一般是由于氯离子到达地桩表面的不均匀性造成的，特别是氯离子集中作用在地桩的局部区域时，呈现出局部区域为阳极，形成了大阴极小阳极的腐蚀，这种坑蚀或点蚀对钢质构件的危害较大。

根据现场的土壤性状及腐蚀特征，可以得出：由于表层蒸发作用，土壤含水量较少，腐蚀速率较慢，随着土层含水量的增大，腐蚀速度加快，所以在下部先出现了Fe3O4黑色晶体。

3.2 地桩腐蚀事故的原因分析

在分析螺旋地桩腐蚀机理及影响因素的基础上，结合该工程的土壤性状及腐蚀特征，笔者认为造成螺旋地桩严重腐蚀的主要原因如下：

(1)地勘工作不够完善，仅进行了水样分析，没有对土壤电阻率、含盐量等进行取样试验，没有土壤对钢结构腐蚀性的相关评价；

(2)设计工作考虑不全面，未考虑土壤条件对钢质螺旋地桩的腐蚀影响；在具有腐蚀性的土壤条件下，立柱支架与螺旋地桩的连接采用钢结构基座，易造成连接部位地桩应力集中明显，地面温度通过钢结构较好地向下传递，造成土壤温度提高；

(3)施工工艺不到位，在施工过程或基座连接时，部分地桩的防腐保护层可能已被破坏；

(4)螺旋地桩局部热镀锌工艺不足，镀锌液纯度低，导致镀锌层杂质多，或镀锌层厚度及锌层附着力不足，导致镀锌层过早被腐蚀破坏；

(5)在具有腐蚀性的土壤中，地面光伏工程采用全钢结构的支架和基础，由于钢结构具有良好的导热性能，使土壤长期处于较高的温度中，增强了土壤的腐蚀性。

3.3 地桩应力腐蚀的数值模拟分析

本次采用有限元分析软件ANSYS对大叶片螺旋地桩的应力腐蚀进行有限元建模分析。数值模拟应力云中，黄色代表应力较大的区域，蓝色代表应力较小的区域(见图5、图6)。

图5 应力云图与实际腐蚀对比(一)

图6 应力云图与实际腐蚀对比(二)

通过图5、图6中数值模拟的应力云图与实际腐蚀对比分析可以看出，立柱与螺旋桩的连接部位以及叶片部位腐蚀明显，且表现出明显的应力集中现象。立柱与螺旋桩的连接部位的应力集中，原因在于整个光伏支架所受的力，全部通过这个区域传递给螺旋地桩，由于连接部位采用钢结构基座，不能有效地调节应力的均匀分布，使连接部位出现应力集中明显的现象；叶片部位的应力集中，原因在于叶片部位的截面和应力发生突变，使叶片下部承受较大的应力，从而出现应力集中现象。数值分析及实际腐蚀表明，应力集中部位的腐蚀速度要远大于应力较小的部位，从而较好地解释了螺旋地桩不同部位的腐蚀程度不同的原因。其他部位的腐蚀现象可能与螺旋桩的材质、土壤特性以及防腐保护层的破坏等原因有关，不属于应力腐蚀。

3.4 腐蚀事故的处理措施

根据现场螺旋钢桩的实际腐蚀状况，结合当地设计及施工技术经验，对不同腐蚀程度的钢桩，采取不同的处理方案。

(1)严重腐蚀的钢桩

根据钢桩检测鉴定的结果，严重腐蚀的钢桩已无法继续利用，采取拆除上部光伏面板及支架，将钢桩拔出报废，重新进行支架基础设计。由于部分滩涂地区土壤的腐蚀性较强，考虑到支架基础的受力性能及耐久性等因素，通过多方案比选后，经参见各方共同研究，最终选择人工挖孔灌注桩方案。桩径250 mm，桩长2 m，桩身混凝土强度等级为C30，混凝土内掺入适量的防腐剂，桩身主筋采用6φ12，箍筋采用φ8@200(100)，支架立柱预埋插入桩身长度不小于0.5 m，钢筋混凝土的保护层厚度不小于50 mm。

(2)中等腐蚀的钢桩

对于场地内发生中等腐蚀的钢桩，采用将桩周土体挖除，对整个桩身腐蚀性进行检查，先对腐蚀部位进行除锈处理，然后重新喷涂防腐保护层，再对桩周粉刷1∶2水泥砂浆(掺入适量的防腐剂)保护层，厚度不小于50 mm，最后采用无腐蚀性砂土进行分层压实回填，立柱与钢桩之间增设钢筋混凝土基座。

(3)轻微或未腐蚀的钢桩

对于场地内发生轻微或未腐蚀的钢桩，采用将地面以下0.5 m范围内的桩周土体挖除，对该范围内的腐蚀性进行检查，其余处理步骤与(2)相同。

4 防腐蚀控制建议

螺旋地桩是地面光伏电站结构体系的重要组成部分，其耐久性是薄弱环节，腐蚀问题成为影响耐久性的关键问题。在对钢桩腐蚀的类型及机理归纳总结的基础上，根据气候、地形及土壤的特殊性状，结合众多案例的成功经验[1-3,15-21]，针对螺旋地桩防腐蚀的问题，在工程实施阶段，建议从桩身材料、保护层、改善受力性能、外加电流等方面做好地桩的防腐蚀对策：

(1)在具有腐蚀性土壤的地区，应要求地质勘察单位现场取样进行腐蚀性测试，提供可靠的腐蚀性分析报告。

(2)设计时，应提供便于实施的防腐蚀措施，如使用有机、无机涂层或金属镀层，加强外部保护层的作用；采用阴极保护措施，通过外加电流，使土壤液形成的腐蚀电池成为阴极，延缓或降低电化学反应；与支架的连接应采取钢筋混凝土基座。

(3)采购时，应择优选取质量有保证的生产厂家，严把桩身材料的质量关，从根源上提高耐腐蚀性能。

(4)施工过程中，应避免对腐蚀保护层产生破坏，如遇施工区内土层较硬或含碎、块石，应采取引孔辅助措施，减小对保护层的破坏作用；地桩螺旋钻进过程中，造成桩周土层松动，可采取压实或注浆挤密桩周土体，提供抗腐蚀能力。

(5)运营期间，应定期对地桩进行维护检查，发现腐蚀及时处理，减缓腐蚀。

在深入分析螺旋地桩腐蚀类型和机理的基础上，积极加强防腐蚀控制的对策，必将会在地面光伏工程中得到更广泛的应用。