耐候钢应用于光伏支架的耐腐蚀优势

何荣华，王夏秋

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

2022 年两会，“碳达峰”“碳中和”被首次写入政府工作报告，也进一步成为网络热词走入公众视野。随着国家对低碳新能源的越发重视，光伏发电作为一种重要的可再生新能源，得到了市场的广泛认可，需求量也在不断提高。光伏发电不仅不产生碳排放和污染物，对环境污染小，而且太阳是一种无限能源，可以满足人类能源的需求。随之而来的便是市场对于光伏支架的需求。

1 气候条件对光伏支架的耐腐蚀性的技术参数要求

1.1 云南气候环境特点

云南省地处高原，山峦起伏，山地面积占全省总面积的94%。境内地形错综复杂，有众多的山脉、河流和湖泊。具有两大地貌类型，西部为横断山纵谷区，东部为广袤的云南高原。云南省地势北高南低，属低纬高原季风气候，四季温差小，干湿季分明，立体气候特征明显。其主要表现为： ①气候的区域差异和垂直变化十分明显。②年温差小，日温差大。③降水充沛，干湿分明，分布不均。④交通条件较差，工程区范围较大，各区域之间地形起伏变化较小，坡度一般为5°~20°不等，植被发育良好。⑤地层主要由基岩及小于5 m 的覆盖层组成，场地类别为Ⅰ0 或Ⅰ1 类。根据《中国地震动参数区划图》，设计地震分组为第三组，场地地震动峰值加速度为0.30 g，基本地震基本烈度为Ⅳ度，反应谱特征周期为0.45 s。

1.2 对光伏支架耐腐蚀性的技术参数要求

本次分析，以滇东北会泽地区的地理环境气候特点为背景，要求地区光伏支架必须具有非常好的耐候性，能在室外严酷的环境下长期稳定可靠地运行，满足防腐、抗拔、抗压、抗震等要求。金属长期暴露在室外，经受风吹雨淋日晒，会对其造成多种多样的破坏，其中最常见的就是腐蚀破坏，金属腐蚀后将造成十分巨大的危害，不仅会降低光伏支架自身的价值和使用年限，而且还会造成资源浪费，所以耐腐蚀的工作就显得十分重要。针对耐腐蚀这一特性，推出了热镀锌作为光伏支架的主要材料，热镀锌是将锌锭高温熔化，加入一些辅料，然后浸入工件中，即镀一层锌。热镀锌加工是一种有效的金属防腐的方法，但是热镀锌的缺点也随之而来，例如，镀锌层易脱落、施工时容易划伤等。在热镀锌的加工过程中容易对环境造成污染，整个镀锌过程是在高温下进行的，助镀剂中的NH4Cl 极易受热分解与挥发, 产生大量的NH3、HCl 等剌激性气体和NH4Cl浓烟,污染环境，高温环境下，也极其容易产生锌蒸汽、锌粉尘，对操作人员造成危害。光伏支架在新型防腐镀层发展方向的同时，按不锈钢研发思路，研发出介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢产品——耐候钢。这种支架材料强度高、重量轻，其钢结构可实现轻化量25%~30%，而且支架安装效率高，节省钢材、便于安装、生产、加工便利、免涂装、免维护、经济适用、绿色低碳环保，具有非常好的应用前景。

2 耐候钢材料特性分析

2.1 耐候钢耐腐蚀特点

耐候钢，又叫做耐大气腐蚀钢，是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢，通过在钢中加入少量Cu、P、Cr、Ni 等合金元素，使钢铁材料表面在大气环境下生成一层致密、具有保护性的锈层，阻止大气中氧和水向钢铁基体渗入，减缓了锈蚀向钢铁材料纵深发展，从而提高耐大气腐蚀能力。

耐候钢光伏支架采用热轧工艺制作，免镀锌，免涂装，使用过程中表面形成的锈层具有保护基体的作用，支架25 年腐蚀减薄量仅为0.1 mm 左右（项目地域不同略有差异）。

支架使用初期表面颜色会随时间发生变化。初始颜色为灰色，自然条件下，在空气中水分或雨水作用下表面发生局部锈蚀，锈蚀产物为棕黄色，呈不均匀分布。随时间延长，锈蚀面积逐渐扩大并且趋于均匀分布，颜色向棕红色转变，锈层稳定后呈丹霞色。

表面颜色达到稳定丹霞色所需时间与所在地点空气湿度或降水情况有关。空气湿度越低，降雨越少，所需时间越长。支架表面出现锈蚀对使用性能没有影响。

2.2 耐候钢耐腐蚀性能对比

光伏支架材料的高强度轻量化、新型防腐镀层和自耐腐三个发展方向，在当前低碳环保、技术创新和产业转型升级等政策影响下，越来越多的光伏支架生产企业经过材料特点比较和综合成本考虑，放弃了原有的热镀锌生产工艺，采购更加低碳环保的新型材料进行光伏支架生产。

表1 不同材料特点比较

由上表可以看出，绿色耐候钢具有更大的轻量化优势和低碳环保优势，在市场价格合理的情况下，拥有更为理想的经济性优势。

在C3 环境下，采用热浸锌支架，镀锌量：双面500 g/m2，防腐年限25 年，在C3 环境下，采用镀锌铝镁锌镀锌层在150 g/m2，可满足25 年的防腐要求。在C3 环境下，采用耐候钢，可保证25 年均匀腐蚀减薄量不超过0.2 mm。因此在相同的环境下，材料防腐性能满足规范及设计要求。

2.3 光伏支架耐候钢腐蚀量预测

按照GB/T 19292-2018《金属和金属的腐蚀性大气腐蚀性》，大气腐蚀性分类是根据标准试样第一年腐蚀速率的测定值进行腐蚀性评估。对应于每个腐蚀性等级的标准金属第一年的腐蚀速率见表2。

表2 不同腐蚀性等级标准金属暴晒第一年的腐蚀速率表

Q235 钢在项目所在地的腐蚀速率按照腐蚀等级预测方法--基于环境因素和钢化学成分的预测方法进行预测。

该方法主要是腐蚀损失随时间变化的对数曲线外推法。用公式（1）表示。

式中：C—腐蚀损失；t—时间；A，B—常量；

A是t=1 时的腐蚀损失；B是logC随logt变化的斜率。

依据公式（2）和公式（3），系数A和B被计算为环境因素和合金元素影响的线性组合。

式中：

A和B为公式1 定义的腐蚀损失指数函数的常数，A0 和B0 为表3 中给出的常数；Ai和Bi为表3中给出的环境因素或合金元素的常数；Xi为各环境因素参数和合金元素的组成。

表3 基于环境因素参数和钢成分计算速率常数A、B 的常数和系数

参照此方法，结合项目所在地的大气环境参数，结合Q235 钢的化学成分，可以获得Q235 钢在项目所在地的第一年平均腐蚀速度预测值为：12 μm/a。参照 GB/T 19292-2018《金属和金属的腐蚀性 大气腐蚀性》和表1 可以判断：云南光伏发电项目所在地腐蚀性等级属于C2 等级。

3 结语

通过以云南省会泽地区地理气候环境特点为光伏电站支架设计应用背景，可以看出高强度的绿色耐候钢为主材的支架选材经济最优。其生产和使用过程中免涂装、免维护，能够有效降低后期维护成本。特别是绿色耐候钢，不存在支架连接点防腐和后期维护问题，相比热镀锌和镀锌铝镁材料的光伏支架后期维护成本更低。总之，耐候钢支架是设计上投入了大量的技术力量、选材上经过精心对比，加工工艺经过反复推敲，才最终得到的耐腐蚀性能好、强度高、重量轻、安装效率高、加工周期短、性能经得住考验的低碳环保型光伏支架。