火电厂区域分布式光伏支架表面锌铝合金镀层的腐蚀行为_李广一.pdf

1 【防腐技术【防腐技术/Anticorrosion Technology】DOI:10.19289/j.1004-227x.2023.04.001 火电厂区域分布式光伏支架表面锌铝合金镀层的腐蚀行为火电厂区域分布式光伏支架表面锌铝合金镀层的腐蚀行为 李广一1，朱涛1，杨欢红2,*，刘新超1，朱伟星1，杨小玲1 1.上海奉贤燃机发电有限公司，上海 201449 2.上海电力大学电气工程学院，上海 200090 摘要：摘要：通过加速腐蚀试验模拟了空白 Q235 钢及热浸镀锌铝合金钢在火电厂酸性腐蚀环境中的腐蚀行为，通过扫描电镜和能谱仪对比了它们的腐蚀形貌和腐蚀产物组成。结果发现，锌铝合金镀层能够有效提高 Q235 钢的耐蚀性，因 Zn 和 Al 氧化腐蚀形成的双层致密膜层共同构成了保护 Q235 基体的两道防线。基于元胞自动机原理，通过 Matlab 软件模拟了 Q235 钢表面锌铝合金镀层的截面腐蚀形貌，并与在火电厂中服役的镀锌铝合金钢的实际情况进行对比，确定了镀锌铝合金钢的腐蚀规律。模拟计算了不同厚度镀锌层的腐蚀情况，再结合热浸镀工艺和光伏支架材料的现实情况，建议表面镀锌铝合金层的平均厚度至少为30 m，这样才能保证光伏支架的安全性和服役寿命。关键词：关键词：碳钢；热浸镀；锌铝合金；火电厂；腐蚀；模拟 中图分类号：中图分类号：TQ153.2;TG178 文献标志码：文献标志码：A 文章编号：文章编号：1004 227X(2023)04 0001 05 Corrosion behavior of hot-dip ZnAl alloy coating on distributed photovoltaic bracket in thermal power plant LI Guangyi 1,ZHU Tao 1,YANG Huanhong 2,*,LIU Xinchao 1,ZHU Weixing 1,YANG Xiaoling 1 1.Shanghai Fengxian Gas Turbine Power Generation Co.,Ltd.,Shanghai 201499,China 2.College of Electrical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China Abstract:The corrosion behavior of Q235 steel with and without a hot-dip ZnAl alloy coating in acidic corrosion environment of thermal power plant was simulated by accelerated corrosion test.Their corrosion morphologies and components of corrosion product were compared based on the scanning electron microscopic observation and energy-dispersive spectroscopic analysis.It was found that the corrosion resistance of Q235 steel could be effectively improved by hot-dip coating with a ZnAl alloy layer,due to the formation of a compact double-layered film comprising the oxides of Zn and Al offering two defense lines to protect the Q235 substrate.The corrosion morphology of ZnAl alloy coating on Q235 steel substrate was simulated by Matlab software based on the principle of cellular automata and compared with the actual cross-sectional morphology of hot-dip ZnAl alloy coated steel serving in a thermal power plant.The general corrosion rule of hot-dip ZnAl alloy coating was then determined.The corrosion of hot-dip ZnAl alloy coatings with different thicknesses were calculated by simulation.Considering the actual situation of hot-dip coating process and the materials of photovoltaic brackets,it is recommended that the average thickness of hot-dip ZnAl alloy coating should be at least 30 m to ensure the safety and service life of photovoltaic brackets.Keywords:carbon steel;hot-dip coating;zincaluminum alloy;thermal power plant;corrosion;simulation 在当今碳达峰和碳中和的“双碳”背景下，清洁能源产业将会是未来发展的重要方向。清洁能源产业是为全社会提供清洁能源产品或服务的产业，太阳能是八大清洁能源产业之一。我国目前在发电领域主要依赖火力发电，太阳能发电量呈现逐步增长的趋势，图 1 为国家统计局统计的近 3 年太阳能发电量趋势图。光伏发电作为太阳能发电的主力军，在未来将扮演落实“双碳”背景下清洁能源产业发展的重要角色1。光伏发电 100 万 kW 需要光伏支架钢材约 4 万 t，随着光伏发电量的逐年增加，光伏支架钢材用量也在逐年上涨2。光伏发电多处于沙漠、戈壁滩、滩涂等空旷地带，环境比较恶劣，支架材料容易被腐蚀，而光伏发电对光伏支架材料的服役寿命要求又较高，一般不能少于 25 年3-5。火电厂中的烟气成分复杂，SO2是烟气中主要的有害气体6-7。SO2气体不仅污染环境和腐蚀金属材料，还是造成酸雨的重要因素，若控制不当，收稿日期：收稿日期：20221101 修回日期：修回日期：20230106 基金项目：基金项目：国家自然科学基金（51777119）。第一作者：第一作者：李广一（1990），男，硕士，工程师，研究方向为电气工程及其自动化、分布式光伏安全性和技术改造。通信作者：通信作者：杨欢红（1965），女，硕士，副教授，研究方向为电力系统、设备和材料的运行可靠度与安全性。引用格式：引用格式：李广一,朱涛,杨欢红,等.火电厂区域分布式光伏支架表面锌铝合金镀层的腐蚀行为J.电镀与涂饰,2023,42(4):1-5.LI G Y,ZHU T,YANG H H,et al.Corrosion behavior of hot-dip ZnAl alloy coating on distributed photovoltaic bracket in thermal power plant J.Electroplating&Finishing,2023,42(4):1-5.火电厂区域分布式光伏支架表面锌铝合金镀层的腐蚀行为 2 图图 1 太阳能发电量变化趋势图太阳能发电量变化趋势图 Figure 1 Trend chart of solar power generation 将严重影响分布式光伏支架材料的使用寿命和安全性8-10。因此，研究光伏支架材料在火电厂复杂烟气和酸雨条件下的腐蚀行为极其重要。Q235 钢是分布式光伏支架的主要材料，本文研究了 Q235 钢在某火电厂中受 SO2气体及酸雨腐蚀的情况，对比了空白 Q235 钢及其镀锌后的腐蚀行为，并依据实验和元胞自动机模拟结果，给出了 Q235 钢表面镀锌层的建议厚度。1 实验实验 1.1 材料材料 研究试样为空白 Q235 钢及镀锌铝合金的 Q235 钢，线切割成 10 mm 10 mm 3 mm 大小。Q235 钢镀锌铝合金的主要步骤为“热轧酸洗退火热镀锌铝合金”，镀层厚度约 15 m。1.2 试验方法试验方法 1.2.1 加速腐蚀试验加速腐蚀试验 腐蚀试验前，先用酒精超声清洗样品，再用砂纸打磨样品表面和断面，接着用粒度为 W2.5 的抛光膏在抛光机上对样品表面和断面进行抛光。模拟火电厂厂区的酸性腐蚀环境进行加速腐蚀试验。将空白钢和镀锌铝合金钢浸于装有模拟液的培养皿中，再放入 SO2气氛的密闭试验箱，保持 6 h。模拟液由 100 mol/L H2SO4和 200 mol/L NaOH 组成。利用荷兰 Phenom Pro 型台式扫描电镜(SEM)观察试样的腐蚀形貌，并使用附带的能谱仪(EDS)分析腐蚀产物的元素组成。1.2.2 腐蚀形貌的模拟分析腐蚀形貌的模拟分析 使用元胞自动机模型来模拟服役中的材料腐蚀形貌，分析通过元胞自动机模拟火电厂中光伏支架材料腐蚀情况的可行性。2 结果与讨论结果与讨论 2.1 腐蚀产物的宏观特征腐蚀产物的宏观特征 从图 2 可知，加速腐蚀试验后，空白钢呈均匀的全面腐蚀。镀锌铝合金钢的腐蚀程度比空白钢轻，腐蚀产物多分布在边缘。二者的腐蚀产物颜色也有明显差异：空白钢表面的腐蚀产物呈锈红色，镀锌铝合金钢表面腐蚀产物的锈红色则较浅，并夹杂些许白色物质。2.2 腐蚀产物的元素组成分析腐蚀产物的元素组成分析 从图 3 可知，空白钢表面均匀分布着大量微小的腐蚀坑，与宏观腐蚀形貌对应，说明空白钢表面的腐蚀产物较疏松，未能起到良好的隔绝腐蚀介质的作用，使 Q235 钢整体不断被腐蚀而严重受损。从能谱分析结果可知，腐蚀产物以铁的氧化物为主，氧化元素主要是 S 和 O。火电厂区域分布式光伏支架表面锌铝合金镀层的腐蚀行为 3 (a)(b)图图 2 空白钢(空白钢(a)和镀锌铝合金钢()和镀锌铝合金钢(b)的宏观腐蚀形貌)的宏观腐蚀形貌 Figure 2 Macroscopic morphologies of corroded blank steel(a)and hot-dip ZnAl alloy coated steel(b)图图 3 空白空白 Q235 钢的微观腐蚀形貌及能谱图钢的微观腐蚀形貌及能谱图 Figure 3 Microscopic morphology and energy-dispersive spectrum of corroded blank Q235 steel 从图 4 可知，镀锌铝合金钢的腐蚀形貌与空白钢的腐蚀形貌差别较大。镀锌铝合金钢中没有明显的腐蚀坑，表面的腐蚀产物大体分为两层，表层产物呈片层状分布，内层产物颜色较外层浅。图图 4 镀锌铝合金钢的微观腐蚀形貌镀锌铝合金钢的微观腐蚀形貌 Figure 4 Microscopic morphology of corroded hot-dip ZnAl alloy coated steel 分别对图 4 中的点 1 和点 2 进行能谱分析。从图 5 可知，镀锌铝合金钢的腐蚀产物中含有 Zn 元素和 Al元素，都来自锌铝合金镀层，说明 Zn 和 Al 在基体表面形成了致密的保护层，起到了良好的保护作用。表面 (a)(b)图图 5 镀锌铝合金钢表层(镀锌铝合金钢表层(a)和内层()和内层(b)腐蚀产物的