李廣一，朱濤，楊歡紅，劉新超，朱偉星，楊小玲

1.上海奉賢燃機發(fā)電有限公司，上海 201449

2.上海電力大學電氣工程學院，上海 200090

在當今碳達峰和碳中和的“雙碳”背景下，清潔能源產(chǎn)業(yè)將會是未來發(fā)展的重要方向。清潔能源產(chǎn)業(yè)是為全社會提供清潔能源產(chǎn)品或服務的產(chǎn)業(yè)，太陽能是八大清潔能源產(chǎn)業(yè)之一。我國目前在發(fā)電領域主要依賴火力發(fā)電，太陽能發(fā)電量呈現(xiàn)逐步增長的趨勢，圖1為國家統(tǒng)計局統(tǒng)計的近3年太陽能發(fā)電量趨勢圖。光伏發(fā)電作為太陽能發(fā)電的主力軍，在未來將扮演落實“雙碳”背景下清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要角色[1]。

圖1 太陽能發(fā)電量變化趨勢圖Figure 1 Trend chart of solar power generation

光伏發(fā)電100萬kW需要光伏支架鋼材約4萬t，隨著光伏發(fā)電量的逐年增加，光伏支架鋼材用量也在逐年上漲[2]。光伏發(fā)電多處于沙漠、戈壁灘、灘涂等空曠地帶，環(huán)境比較惡劣，支架材料容易被腐蝕，而光伏發(fā)電對光伏支架材料的服役壽命要求又較高，一般不能少于25年[3-5]?；痣姀S中的煙氣成分復雜，SO2是煙氣中主要的有害氣體[6-7]。SO2氣體不僅污染環(huán)境和腐蝕金屬材料，還是造成酸雨的重要因素，若控制不當，將嚴重影響分布式光伏支架材料的使用壽命和安全性[8-10]。因此，研究光伏支架材料在火電廠復雜煙氣和酸雨條件下的腐蝕行為極其重要。Q235鋼是分布式光伏支架的主要材料，本文研究了Q235鋼在某火電廠中受SO2氣體及酸雨腐蝕的情況，對比了空白Q235鋼及其鍍鋅后的腐蝕行為，并依據(jù)實驗和元胞自動機模擬結果，給出了Q235鋼表面鍍鋅層的建議厚度。

1 實驗

1.1 材料

研究試樣為空白Q235鋼及鍍鋅鋁合金的Q235鋼，線切割成10 mm × 10 mm × 3 mm大小。Q235鋼鍍鋅鋁合金的主要步驟為“熱軋酸洗→退火→熱鍍鋅鋁合金”，鍍層厚度約15 μm。

1.2 試驗方法

1.2.1 加速腐蝕試驗

腐蝕試驗前，先用酒精超聲清洗樣品，再用砂紙打磨樣品表面和斷面，接著用粒度為W2.5的拋光膏在拋光機上對樣品表面和斷面進行拋光。

模擬火電廠廠區(qū)的酸性腐蝕環(huán)境進行加速腐蝕試驗。將空白鋼和鍍鋅鋁合金鋼浸于裝有模擬液的培養(yǎng)皿中，再放入SO2氣氛的密閉試驗箱，保持6 h。模擬液由100 μmol/L H2SO4和200 μmol/L NaOH組成。

利用荷蘭Phenom Pro型臺式掃描電鏡(SEM)觀察試樣的腐蝕形貌，并使用附帶的能譜儀(EDS)分析腐蝕產(chǎn)物的元素組成。

1.2.2 腐蝕形貌的模擬分析

使用元胞自動機模型來模擬服役中的材料腐蝕形貌，分析通過元胞自動機模擬火電廠中光伏支架材料腐蝕情況的可行性。

2 結果與討論

2.1 腐蝕產(chǎn)物的宏觀特征

從圖2可知，加速腐蝕試驗后，空白鋼呈均勻的全面腐蝕。鍍鋅鋁合金鋼的腐蝕程度比空白鋼輕，腐蝕產(chǎn)物多分布在邊緣。二者的腐蝕產(chǎn)物顏色也有明顯差異：空白鋼表面的腐蝕產(chǎn)物呈銹紅色，鍍鋅鋁合金鋼表面腐蝕產(chǎn)物的銹紅色則較淺，并夾雜些許白色物質。

圖2 空白鋼(a)和鍍鋅鋁合金鋼(b)的宏觀腐蝕形貌Figure 2 Macroscopic morphologies of corroded blank steel (a) and hot-dip Zn-Al alloy coated steel (b)

2.2 腐蝕產(chǎn)物的元素組成分析

從圖3可知，空白鋼表面均勻分布著大量微小的腐蝕坑，與宏觀腐蝕形貌對應，說明空白鋼表面的腐蝕產(chǎn)物較疏松，未能起到良好的隔絕腐蝕介質的作用，使Q235鋼整體不斷被腐蝕而嚴重受損。從能譜分析結果可知，腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物為主，氧化元素主要是S和O。

圖3 空白Q235鋼的微觀腐蝕形貌及能譜圖Figure 3 Microscopic morphology and energy-dispersive spectrum of corroded blank Q235 steel

從圖4可知，鍍鋅鋁合金鋼的腐蝕形貌與空白鋼的腐蝕形貌差別較大。鍍鋅鋁合金鋼中沒有明顯的腐蝕坑，表面的腐蝕產(chǎn)物大體分為兩層，表層產(chǎn)物呈片層狀分布，內(nèi)層產(chǎn)物顏色較外層淺。

圖4 鍍鋅鋁合金鋼的微觀腐蝕形貌Figure 4 Microscopic morphology of corroded hot-dip Zn-Al alloy coated steel

分別對圖4中的點1和點2進行能譜分析。從圖5可知，鍍鋅鋁合金鋼的腐蝕產(chǎn)物中含有Zn元素和Al元素，都來自鋅鋁合金鍍層，說明Zn和Al在基體表面形成了致密的保護層，起到了良好的保護作用。表面腐蝕層中含Zn、不含Al，內(nèi)部腐蝕層則含Al、不含Zn。這是因為Zn的化學性質比Al活潑，會優(yōu)先與S和O反應，Al再與剩余的O反應生成灰白色的致密氧化膜，從而與表層Zn的氧化腐蝕產(chǎn)物膜共同構成保護基體不受腐蝕的兩道防線。

圖5 鍍鋅鋁合金鋼表層(a)和內(nèi)層(b)腐蝕產(chǎn)物的能譜圖Figure 5 Energy dispersive spectra of corrosion product outer layer (a) and internal layer (b) of surface corrosion products

因此，Q235鋼直接用作光伏支架時不能對抗火電廠中的腐蝕環(huán)境而容易被腐蝕。在Q235鋼表面鍍鋅鋁合金能夠有效提高其耐蝕性，進而提高光伏設備的安全性，延長其服役壽命。

2.3 腐蝕行為的模擬分析

為探索光伏支架表面鍍鋅鋁合金的腐蝕行為，對現(xiàn)有鍍鋅鋁合金層厚度為15 μm的服役中的光伏支架的截面腐蝕形貌進行觀察，并基于元胞自動機原理采用Matlab軟件對光伏支架表面鋅鋁合金鍍層的腐蝕形貌進行模擬計算。如圖6所示，實際的鍍鋅層截面腐蝕形貌與模擬腐蝕形貌有較好的對應關系，說明采用元胞自動機模型來分析光伏支架表面鍍鋅鋁合金層的腐蝕行為可行，并在此基礎上對鍍層厚度進行優(yōu)化。

圖6 模擬和真實腐蝕截面形貌Figure 6 Simulated and actual cross-sectional morphologies of corroded sample

為確定鍍覆不同厚度鋅鋁合金對提高光伏支架在服役年限中安全性的影響，利用元胞自動機模型模擬了鍍覆不同厚度鋅鋁合金鋼在火電廠廠區(qū)腐蝕環(huán)境下的腐蝕形貌。從圖7可知，鋅鋁合金鍍層厚度為17.5 μm時，隨著腐蝕的進行，基體表面有3處出現(xiàn)腐蝕坑，鍍層沒有起到良好的保護作用。鋅鋁合金鍍層厚度為20.0 μm時，腐蝕情況有所改善，但依舊有兩處形成了腐蝕坑，其最深處距離基體很近。鋅鋁合金鍍層厚度為22.5 μm時只有1個接近基體表面的腐蝕坑，鍍層耐蝕性進一步得到改善。鋅鋁合金鍍層厚度為25.0 μm時未出現(xiàn)直達或靠近基體表面的腐蝕坑，說明該厚度的鍍層能夠阻止介質與基體接觸，起到很好的保護作用。

圖7 不同厚度鍍鋅鋁合金層的模擬腐蝕結果Figure 7 Simulated corrosion of hot-dip Zn-Al alloy coating with different thicknesses

然而上述模擬結果是基于Q235鋼表面平整且鋅鋁合金鍍層厚度均勻的前提下得到的，現(xiàn)實中用于服役的光伏支架鋼表面平整性和鍍層均勻性都很難達到理想狀態(tài)(如圖8所示)，這也是圖2b中呈現(xiàn)不均勻腐蝕狀態(tài)的原因之一[11]。因此建議實際應用中鍍層厚度至少為30 μm，以35 μm為佳，如此才能保證光伏支架材料具有足夠的耐腐蝕性能和服役壽命。

圖8 鍍鋅鋁合金層的微觀形貌Figure 8 Micromorphology of hot-dip Zn-Al alloy coating

3 結論

1) 對分布式光伏支架表面鍍覆的鋅鋁合金層在火電廠的服役環(huán)境中能夠形成致密的保護膜，對光伏支架起到良好的保護作用。

2) 鋅鋁合金鍍層的厚度顯著影響光伏支架的服役壽命，建議在實際工況中鋅鋁合金鍍層的平均厚度至少為30 μm，以保證光伏支架在服役壽命期間的安全性。