張 亮 劉壯志

(1.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039；2.普洛斯投資(上海)有限公司，上海 200120)

0 引言

隨著太陽能資源利用的不斷發(fā)展，大規(guī)模地面光伏電站工程的建設(shè)迅速發(fā)展，鋼質(zhì)螺旋地樁在光伏支架基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用越來越廣泛，其安裝施工便捷、工期短、對(duì)環(huán)境破壞小等優(yōu)點(diǎn)，已突出顯示。螺旋地樁作為地面光伏支架系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，起到承上啟下的連接與支撐作用。由于螺旋地樁樁身采用熱鍍鋅Q235鋼材，長(zhǎng)期處于土壤環(huán)境中，易產(chǎn)生腐蝕破壞事故，影響整個(gè)光伏系統(tǒng)的使用。近幾年，已陸續(xù)出現(xiàn)螺旋地樁嚴(yán)重腐蝕事故的工程教訓(xùn)，因此，螺旋地樁的腐蝕問題已成為影響推廣應(yīng)用的急需解決的關(guān)鍵問題之一[1-2]。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)及事故概況

西北某大型地面光伏電站工程，光伏支架基礎(chǔ)采用熱鍍鋅Q235鋼質(zhì)大葉片螺旋樁，支架與基礎(chǔ)的連接方式采用緊固螺栓連接，螺旋地樁的規(guī)格為φ76×4×2000 mm，建成后的工程見圖1。

2015年，部分螺旋地樁出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象(見圖2)，將腐蝕受損嚴(yán)重的螺旋樁挖出，并對(duì)腐蝕事故進(jìn)行鑒定分析處理。

1.2 工程自然條件

工程所在地處于毛烏素沙漠邊緣，屬蘆河流域的沙灘草甸地貌。地形平坦，植被稀少低矮，光照充足，氣溫日差較大，太陽能資源豐富。該地區(qū)季節(jié)性降水明顯，7、8月份地下水位會(huì)大幅上升，其他月份土壤含水率較低，為干燥性土壤，局部洼地常年含水率較高，地表土以第四系松散堆積物為主，主要由沖洪積粉砂和粉質(zhì)黏土構(gòu)成，含鹽量高，pH值為7.5～7.9，屬于弱堿性的鹽漬土，存在季節(jié)性凍土，最大凍深約1.2 m，局部基巖出露，基巖以砂巖為主。

圖1 建成后的地面光伏電板

2 鋼質(zhì)螺旋地樁的腐蝕機(jī)理概述

2.1 螺旋地樁的腐蝕環(huán)境

按照所處的環(huán)境，螺旋地樁的腐蝕可分為大氣腐蝕和土壤腐蝕兩種類型[1-2]。

大氣腐蝕：當(dāng)?shù)貥堵对诳諝庵?，與其表面溫度較高的空氣接觸時(shí)，大氣中的水蒸氣在金屬表面凝結(jié)結(jié)露，形成水膜，由于水膜溶解空氣中的氣體及其他雜質(zhì)，起到電解液的作用，從而引起地樁表面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

土壤腐蝕：土壤是一種復(fù)雜的三相結(jié)構(gòu)，主要由土顆粒、水、空氣和無機(jī)物等組成，土顆粒之間存在大量毛細(xì)孔隙，空氣和水充填到孔隙中，常形成膠體結(jié)構(gòu)，具有導(dǎo)電性，屬于離子導(dǎo)體。當(dāng)鋼質(zhì)地樁與土壤導(dǎo)體接觸時(shí)，會(huì)形成腐蝕原電池，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

由于螺旋地樁通常都設(shè)計(jì)埋入地面以下，故其產(chǎn)生的腐蝕都屬于土壤腐蝕。

2.2 土壤腐蝕機(jī)理

鋼質(zhì)地樁金屬材料受到周圍土壤介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)作用而產(chǎn)生破壞，含水的土壤是一種電解質(zhì)，鋼質(zhì)地樁的腐蝕過程涉及氧化還原反應(yīng)，其腐蝕機(jī)理過程的電化學(xué)方程式見式(1)—式(7)[2-7]。

(1)陰極反應(yīng)過程：

(1)

(2)陽極反應(yīng)過程：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

上述腐蝕過程，一方面，F(xiàn)e(OH)2會(huì)被繼續(xù)緩慢氧化為更穩(wěn)定的Fe3O4；另一方面，F(xiàn)eOOH也可以與金屬表面的Fe2+結(jié)合形成Fe3O4，這就是內(nèi)層Fe3O4含量較高且具有保護(hù)性的原因，也是銹層增厚，顏色加深的原因[5-7]。

2.3 土壤腐蝕的影響因素

鋼質(zhì)地樁在土壤中腐蝕速率的大小與土壤中的各種物理、化學(xué)性質(zhì)及環(huán)境因素均有關(guān)，各種因素相互作用，引起土壤腐蝕性比其他介質(zhì)的腐蝕性更為復(fù)雜。根據(jù)土壤腐蝕的機(jī)理，其主要影響因素有孔隙度、含水量、含鹽量、電阻率、pH值、腐蝕電位等[3-11]。

(1)孔隙度 土壤中的孔隙度較大時(shí)，有利于氧氣、水分等組分的滲透和擴(kuò)散，腐蝕介質(zhì)濃度增大，會(huì)促進(jìn)腐蝕的發(fā)生，加速腐蝕反應(yīng)。

(2)含水量 土壤中的水是形成腐蝕電解質(zhì)的主要成分之一，含水量是金屬材料在土壤中產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的重要影響因素之一。土壤含水量增大，各種可溶鹽溶解量增加，電阻率降低，腐蝕反應(yīng)加快，加速腐蝕作用。

(4)電阻率 土壤中的電阻率與含水量、含鹽量、可溶鹽種類、孔隙度等多種因素有關(guān)。一般而言，隨著含水量、含鹽量、孔隙度的增大，電阻率變小，腐蝕速率增大。

(5)pH值 我國(guó)大部分地區(qū)土壤屬中性，pH值在6～8之間，一般來說，pH值越小，腐蝕性越強(qiáng)，即，酸性土壤的腐蝕性比堿性土壤的腐蝕性更強(qiáng)一些。

(6)腐蝕電位 在酸性和中性土壤中，腐蝕電位在0～400 mV之間，金屬腐蝕現(xiàn)象不明顯；在堿性土壤中，腐蝕電位在-200～-600 mV之間，電位越負(fù)，腐蝕現(xiàn)象越明顯，而且會(huì)出現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕。

除上述幾種主要因素外，還受土壤中微生物以及溫度等的影響。

2.4 螺旋地樁的應(yīng)力腐蝕

金屬材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的三個(gè)基本條件是：敏感的材料、特定的腐蝕介質(zhì)、承受一定的拉應(yīng)力[9,12-14]。金屬材料的腐蝕是一種不均勻的破壞，腐蝕的發(fā)展過程較快，一旦在金屬構(gòu)件表面發(fā)生，腐蝕的蝕坑就會(huì)向四周迅速擴(kuò)展，使金屬構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，而應(yīng)力集中現(xiàn)象又會(huì)反過來加快金屬材料的腐蝕速率。

由于螺旋地樁實(shí)際的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，承受一定的拉應(yīng)力作用，在腐蝕介質(zhì)的共同作用下，鋼樁表面會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。通常情況下，應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的金屬構(gòu)件的破壞屬于脆性破壞，同一種材料的強(qiáng)度和硬度越高，抵抗應(yīng)力腐蝕的能力越差；韌性和塑性越好，抵抗應(yīng)力的腐蝕能力越強(qiáng)[12-14]。

3 螺旋地樁腐蝕事故實(shí)例分析

3.1 地樁腐蝕事故的現(xiàn)狀調(diào)查及分析

該地面光伏電站工程運(yùn)營(yíng)4年，發(fā)現(xiàn)部分螺旋地樁出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，將腐蝕區(qū)域的地樁開挖拔出，進(jìn)行研究處理。

(1)地表立柱及連接部位的腐蝕

部分地表處支架立柱及與地樁連接部位出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕痕跡，地表腐蝕區(qū)域典型的地表土特點(diǎn)及腐蝕特征見圖3、圖4。

從現(xiàn)場(chǎng)照片可以看出，地表有一層白色晶體析出，地表土含水量較高，支架立柱與地樁的連接部位表面出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象。 西北地區(qū)鹽堿土具有“春出鹽，秋出硝”的特點(diǎn)，地面白色的析出結(jié)晶體，主要成分為氯化物。表面大量的氯鹽，在潮濕的土壤中，形成良好的腐蝕介質(zhì)，侵蝕立柱及地樁的防腐鍍鋅保護(hù)層，同時(shí)氯離子與鋅發(fā)生反應(yīng)，在鍍鋅層形成氯化鋅。 因此，地表的白色晶體主要為氯化鈉和氯化鋅的混合物，對(duì)鋼質(zhì)材料具有較強(qiáng)的腐蝕作用。

圖3 地表腐蝕典型特征的現(xiàn)場(chǎng)照片

立柱與螺旋樁連接部位表面出現(xiàn)褐紅色及黑色物質(zhì)，主要成分是以Fe2O3、Fe3O4為主的鐵氧化腐蝕物。 氯化鋅在潮濕的土壤中，溶解速率較快，鍍鋅保護(hù)層受到腐蝕失去作用后，內(nèi)部的鐵具有表面活性的特點(diǎn)，會(huì)失去電子，引起一系列的氧化反應(yīng)，最終生成Fe2O3、Fe3O4，F(xiàn)e2O3為褐紅色，F(xiàn)e3O4為黑色晶體，附著在立柱及地樁表面。

(2)地面以下螺旋地樁的腐蝕

圖4為埋入土壤中地樁的上部圓桿位置(葉片上端)。從現(xiàn)場(chǎng)照片可以看出，螺旋地樁表層布滿了黑色晶體，而且局部還出現(xiàn)了深黑色點(diǎn)蝕區(qū)域。埋入土壤中腐蝕嚴(yán)重的地樁所處的位置，土壤含水量較大，土壤已達(dá)到近似溶液狀態(tài)，形成了較均勻的腐蝕介質(zhì)，使地樁表面局部出現(xiàn)比較均勻的腐蝕。

圖4 地下腐蝕典型特征的現(xiàn)場(chǎng)照片

深黑色斑點(diǎn)為局部腐蝕(坑蝕)點(diǎn)。一般是由于氯離子到達(dá)地樁表面的不均勻性造成的，特別是氯離子集中作用在地樁的局部區(qū)域時(shí)，呈現(xiàn)出局部區(qū)域?yàn)殛枠O，形成了大陰極小陽極的腐蝕，這種坑蝕或點(diǎn)蝕對(duì)鋼質(zhì)構(gòu)件的危害較大。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的土壤性狀及腐蝕特征，可以得出：由于表層蒸發(fā)作用，土壤含水量較少，腐蝕速率較慢，隨著土層含水量的增大，腐蝕速度加快，所以在下部先出現(xiàn)了Fe3O4黑色晶體。

3.2 地樁腐蝕事故的原因分析

在分析螺旋地樁腐蝕機(jī)理及影響因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合該工程的土壤性狀及腐蝕特征，筆者認(rèn)為造成螺旋地樁嚴(yán)重腐蝕的主要原因如下：

(1)地勘工作不夠完善，僅進(jìn)行了水樣分析，沒有對(duì)土壤電阻率、含鹽量等進(jìn)行取樣試驗(yàn)，沒有土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性的相關(guān)評(píng)價(jià)；

(2)設(shè)計(jì)工作考慮不全面，未考慮土壤條件對(duì)鋼質(zhì)螺旋地樁的腐蝕影響；在具有腐蝕性的土壤條件下，立柱支架與螺旋地樁的連接采用鋼結(jié)構(gòu)基座，易造成連接部位地樁應(yīng)力集中明顯，地面溫度通過鋼結(jié)構(gòu)較好地向下傳遞，造成土壤溫度提高；

(3)施工工藝不到位，在施工過程或基座連接時(shí)，部分地樁的防腐保護(hù)層可能已被破壞；

(4)螺旋地樁局部熱鍍鋅工藝不足，鍍鋅液純度低，導(dǎo)致鍍鋅層雜質(zhì)多，或鍍鋅層厚度及鋅層附著力不足，導(dǎo)致鍍鋅層過早被腐蝕破壞；

(5)在具有腐蝕性的土壤中，地面光伏工程采用全鋼結(jié)構(gòu)的支架和基礎(chǔ)，由于鋼結(jié)構(gòu)具有良好的導(dǎo)熱性能，使土壤長(zhǎng)期處于較高的溫度中，增強(qiáng)了土壤的腐蝕性。

3.3 地樁應(yīng)力腐蝕的數(shù)值模擬分析

本次采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)大葉片螺旋地樁的應(yīng)力腐蝕進(jìn)行有限元建模分析。數(shù)值模擬應(yīng)力云中，黃色代表應(yīng)力較大的區(qū)域，藍(lán)色代表應(yīng)力較小的區(qū)域(見圖5、圖6)。

圖5 應(yīng)力云圖與實(shí)際腐蝕對(duì)比(一)

圖6 應(yīng)力云圖與實(shí)際腐蝕對(duì)比(二)

通過圖5、圖6中數(shù)值模擬的應(yīng)力云圖與實(shí)際腐蝕對(duì)比分析可以看出，立柱與螺旋樁的連接部位以及葉片部位腐蝕明顯，且表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。立柱與螺旋樁的連接部位的應(yīng)力集中，原因在于整個(gè)光伏支架所受的力，全部通過這個(gè)區(qū)域傳遞給螺旋地樁，由于連接部位采用鋼結(jié)構(gòu)基座，不能有效地調(diào)節(jié)應(yīng)力的均勻分布，使連接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中明顯的現(xiàn)象；葉片部位的應(yīng)力集中，原因在于葉片部位的截面和應(yīng)力發(fā)生突變，使葉片下部承受較大的應(yīng)力，從而出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。數(shù)值分析及實(shí)際腐蝕表明，應(yīng)力集中部位的腐蝕速度要遠(yuǎn)大于應(yīng)力較小的部位，從而較好地解釋了螺旋地樁不同部位的腐蝕程度不同的原因。其他部位的腐蝕現(xiàn)象可能與螺旋樁的材質(zhì)、土壤特性以及防腐保護(hù)層的破壞等原因有關(guān)，不屬于應(yīng)力腐蝕。

3.4 腐蝕事故的處理措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)螺旋鋼樁的實(shí)際腐蝕狀況，結(jié)合當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)及施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同腐蝕程度的鋼樁，采取不同的處理方案。

(1)嚴(yán)重腐蝕的鋼樁

根據(jù)鋼樁檢測(cè)鑒定的結(jié)果，嚴(yán)重腐蝕的鋼樁已無法繼續(xù)利用，采取拆除上部光伏面板及支架，將鋼樁拔出報(bào)廢，重新進(jìn)行支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。由于部分灘涂地區(qū)土壤的腐蝕性較強(qiáng)，考慮到支架基礎(chǔ)的受力性能及耐久性等因素，通過多方案比選后，經(jīng)參見各方共同研究，最終選擇人工挖孔灌注樁方案。樁徑250 mm，樁長(zhǎng)2 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，混凝土內(nèi)摻入適量的防腐劑，樁身主筋采用6φ12，箍筋采用φ8@200(100)，支架立柱預(yù)埋插入樁身長(zhǎng)度不小于0.5 m，鋼筋混凝土的保護(hù)層厚度不小于50 mm。

(2)中等腐蝕的鋼樁

對(duì)于場(chǎng)地內(nèi)發(fā)生中等腐蝕的鋼樁，采用將樁周土體挖除，對(duì)整個(gè)樁身腐蝕性進(jìn)行檢查，先對(duì)腐蝕部位進(jìn)行除銹處理，然后重新噴涂防腐保護(hù)層，再對(duì)樁周粉刷1∶2水泥砂漿(摻入適量的防腐劑)保護(hù)層，厚度不小于50 mm，最后采用無腐蝕性砂土進(jìn)行分層壓實(shí)回填，立柱與鋼樁之間增設(shè)鋼筋混凝土基座。

(3)輕微或未腐蝕的鋼樁

對(duì)于場(chǎng)地內(nèi)發(fā)生輕微或未腐蝕的鋼樁，采用將地面以下0.5 m范圍內(nèi)的樁周土體挖除，對(duì)該范圍內(nèi)的腐蝕性進(jìn)行檢查，其余處理步驟與(2)相同。

4 防腐蝕控制建議

螺旋地樁是地面光伏電站結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，其耐久性是薄弱環(huán)節(jié)，腐蝕問題成為影響耐久性的關(guān)鍵問題。在對(duì)鋼樁腐蝕的類型及機(jī)理歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上，根據(jù)氣候、地形及土壤的特殊性狀，結(jié)合眾多案例的成功經(jīng)驗(yàn)[1-3,15-21]，針對(duì)螺旋地樁防腐蝕的問題，在工程實(shí)施階段，建議從樁身材料、保護(hù)層、改善受力性能、外加電流等方面做好地樁的防腐蝕對(duì)策：

(1)在具有腐蝕性土壤的地區(qū)，應(yīng)要求地質(zhì)勘察單位現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行腐蝕性測(cè)試，提供可靠的腐蝕性分析報(bào)告。

(2)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)提供便于實(shí)施的防腐蝕措施，如使用有機(jī)、無機(jī)涂層或金屬鍍層，加強(qiáng)外部保護(hù)層的作用；采用陰極保護(hù)措施，通過外加電流，使土壤液形成的腐蝕電池成為陰極，延緩或降低電化學(xué)反應(yīng)；與支架的連接應(yīng)采取鋼筋混凝土基座。

(3)采購(gòu)時(shí)，應(yīng)擇優(yōu)選取質(zhì)量有保證的生產(chǎn)廠家，嚴(yán)把樁身材料的質(zhì)量關(guān)，從根源上提高耐腐蝕性能。

(4)施工過程中，應(yīng)避免對(duì)腐蝕保護(hù)層產(chǎn)生破壞，如遇施工區(qū)內(nèi)土層較硬或含碎、塊石，應(yīng)采取引孔輔助措施，減小對(duì)保護(hù)層的破壞作用；地樁螺旋鉆進(jìn)過程中，造成樁周土層松動(dòng)，可采取壓實(shí)或注漿擠密樁周土體，提供抗腐蝕能力。

(5)運(yùn)營(yíng)期間，應(yīng)定期對(duì)地樁進(jìn)行維護(hù)檢查，發(fā)現(xiàn)腐蝕及時(shí)處理，減緩腐蝕。

在深入分析螺旋地樁腐蝕類型和機(jī)理的基礎(chǔ)上，積極加強(qiáng)防腐蝕控制的對(duì)策，必將會(huì)在地面光伏工程中得到更廣泛的應(yīng)用。