光伏支架用镀层产品的选择方法|光伏支架|凝露|合金|碳钢|钢板|镀层|高强

客户在购买含镁镀层板时，最为关心的问题是怎样选择使用含镁镀层板？科学合理选择使用含镁镀层板主要有三个方面：一是镀层的含铝量和含镁量，二是镀层的厚度或附着量，三是材料的种类及机械性能。

1 使用环境腐蚀级别的选择 1.1 产品的使用寿命

在一定的服役环境下，镀层产品的使用寿命是与镀层的厚度或附着量成正比的，因此在选择材料时首先根据其使用寿命的要求来选择镀层的厚度或附着量。比如，光伏支架的设计使用寿命是25年，公路护栏的设计使用寿命是30年，这是设计规范规定的，是最为原始的要求。

1.2 使用环境的分级

另一个重要方面就是服役的环境对镀层产品的使用寿命影响很大。为此，国际上通用的方法是将使用环境进行分等，一般分为C1~C5五个基本等级，其中C3是中等腐蚀环境，C1和C2是很低和低水平的腐蚀环境，C4和C5是高和很高水平的腐蚀环境。随着环境污染的严重，又增加了及其恶劣的CX级，一共六个等级。那么，又是如何分级的呢？国际标准恰恰就是根据常见的钢铁、锌、铜等金属材料每年的腐蚀厚度来分级的。或者说每个等级与金属材料每年的腐蚀厚度是一一对应的。因此，只要明确了使用环境的等级，就可以确定所需要的镀层厚度。

另外需要说明的是，从C1~C5级的腐蚀水平不是等差的关系，而是等比的关系，基本上是呈两倍增长的。

1.3 环境级别的确定

材料使用环境分为室内和室外两大类。

当材料用于室内环境时，主要腐蚀介质是水汽，根据水汽的严重程度进行分级。国际标准举例各级别室内环境的分级如表1所示。

表1 室内环境分级举例

腐蚀

等级

腐蚀

水平

典型环境（举例）

很低

可采暖的室内,湿度相对较低，污染可忽略不计。如办公室、学校、博物馆

低

无采暖的空内,温度有变化，相对溯湿,较少产生凝露,污染较低。如仓库、体育馆

中等

室内有时产生凝露，生产过程造成中度污染，如食品加工厂、洗衣房、酿酒厂、牛奶厂

高

室内经常产生凝露，生产过程造成高度污染。如工业生产厂房、游冰池

很高

室内凝露非常频繁、受或同时受生产过程高度污染，例如工业用洞窟、热带和亚热带地区通风不良的库栅

极高

室内几乎完全处于凝露状态或长期处于极潮湿的环境中，受或同时受生产过程高度污染。例如,潮湿热带气候区不通风的库棚内，并有室外污染物，如氯化物、腐蚀刺激的粒状物质飘入

当材料用于室外环境时，主要腐蚀介质是硫化物、氯离子等，根据腐蚀介质的严重程度和气候等特点进行分级。国际标准举例各级别室外环境的分级如表2所示。

表2 室外环境分级举例

腐蚀

等级C

腐蚀

水平

典型环境（举例）

很低

干燥或寒冷地区，污染非常低，很少凝露的大气环境。例如：某些沙漠、北极、南极洲的中心地区

低

温带气候区，污染较低的大气环境。例如：农村、小城镇、干燥或寒冷区。

大气环境且有短的时间内湿润、例如沙漠、次北极地区

中等

温带气候区，中等污染或有一些氯化物影响的大气环境。如市区、低氯化物沉积的沿海地区。

大气污染较低的亚热带和热带地区

高

温带气候区，高污染或氯化物影响较大的大气环境。如污染的市区、工业区、无海水飞溅的海滩、除冰盐影响严重地域。

中度污染的热带和亚热带大气环境

很高

温带和亚热带地区，严重污染(SO2：90μg/m3~250 μg/m3)，有或同时有氯化物严重影响的大气环境。如工业区、沿海地区海滩上的遮阳棚

极高

亚热带和热带地区(大部分时候是潮湿气候)，大气环境污染极其严重(SO₂浓度高于250μg/m),同时伴有工业污染和氯化物影响，例如，极端的工业污染区域、偶尔有海水飞溅的海岸和滨海区域

对于某一地区的实际环境到底适用哪个腐蚀等级水平，需要进行长期的试验，根据具体数据确定。我国典型地区实际试验得到的腐蚀水平等级如表3所示。从中可以看出，腐蚀水平与当地的气候干燥程度、氯离子浓度的关系很大。

表3 我国室外环境实际试验分级举例

腐蚀

等级C

腐蚀

水平

典型环境（举例）

很低

无

低

漠河、拉萨、敦煌、三亚

中等

北京站、万宁市内试验场、

湛江、宁德、宁波、

高

重庆江津

很高

重庆珞璜

极高

万宁近海试验场

2 镀层厚度或附着量的选择

2.1 批量镀锌层厚度的选择

镀锌是最为常见的耐腐蚀处理工艺，如前所述，每个腐蚀等级与金属材料每年的腐蚀厚度是一一对应的，所需要的镀层厚度可以根据使用环境的等级确定。

而传统的镀锌工艺是指溶剂法的批量热浸镀工艺，且一般是先成形后镀锌。其特点：一是由于镀层是在重力作用下自然流淌以后残留在工件上的，所以镀锌层厚度严重不均匀；二是采用酸洗后的溶剂法热浸镀，所以镀层附着力不好，漏镀等缺陷较多。以上两个方面的因素，使得批量镀锌的耐腐蚀性能不能最大化发挥出来，需要严格控制镀层厚度，有平均镀层厚度的要求和最低镀层厚度的要求。相关标准GB/T19355.1-2016 锌覆盖层钢铁结构防腐蚀的指南和建议第1部分:设计与防腐蚀的基本原则，该国际标准采用了ISO14713-1:2009，其表1提供了不同腐蚀环境等级下镀锌层每年腐蚀的厚度，锌的密度是7.14。据此测算，当使用寿命为25年时，不同腐蚀环境等级所需的批量镀锌层厚度如表3所示。

由于工艺的限制镀层实际厚度有一个最低极限和最大极限，在实际生产中C1、C2级一般按照最低所能够生产的厚度控制。C5级所需镀锌层的厚度生产难度很大，而CX级仅采用镀锌层基本无法满足要求。一般C5和CX都采用镀锌和其他复合防腐措施。

表3 批量镀锌层厚度选择

腐蚀

等级

腐蚀

水平

锌的腐蚀速率/（μm/a）

所需批量镀锌层厚度/μm

平均

最低

很低

≤0.1

低

0.1~0.7

中等

0.7~2

高

2~4

120

100

很高

4~8

（250）

（200）

极高

8~25

2.2 连续镀锌层厚度的选择

传统的批量热浸镀锌不但产品质量较差，而且对环境影响大、劳动强度和环境差、生产效率低，因此必须逐步淘汰，推广应用连续热浸镀锌工艺。

连续热浸镀工艺采用了氢气还原和气刀控制镀层工艺，生产的钢板表面镀锌层厚度均匀性、镀层附着力、镀层表面质量得到了大幅度提高，因此镀层抗腐蚀效率也得到大幅度改善。连续镀锌工艺采用更加精确的附着量控制方法，锌的密度是7.14。连续热镀锌层的最低厚度是平均厚度的85%以上。不同附着量的镀锌层在不同的腐蚀环境下的使用寿命。

由于工艺的限制镀层实际厚度有一个最低极限和最大极限，在实际生产中C1级一般按照最低所能够生产的厚度控制。C4级所需镀锌层的厚度生产难度很大，而C5、CX级仅采用镀锌层基本无法满足要求。一般C4~CX级都采用镀锌和其他复合防腐措施。

据此推算，连续镀锌层附着量及厚度选择如表4所示。

表4 连续镀锌层附着量及厚度选择

腐蚀

等级

腐蚀

水平

所需连续镀锌层双面附着量/g/m2

及单面厚度/μm

平均

附着量

平均

厚度

最低

附着量

最低

厚度

很低

4.5

低

350

300

中等

800

728

高

（1600）

（120）

（1400）

（80）

很高

极高

2.3 低铝类镀锌镁厚度的选择

低铝类的锌镁镀层成分比较复杂，而锌铝镁镀层产品的耐腐蚀性能与其铝含量和镁含量关系很大，所以在选择其镀层厚度或附着量时需要充分考虑成分的因素，特别是少数企业存在以次充好的现象，必须掌握实际的镀层成分。

下面以国内常见的1.5Al1Mg和2.5Al2Mg两种成分的锌镁镀层产品为例，研究其镀层厚度的选择。虽然大量的研究认为，这两种成分的锌镁镀层在中等腐蚀水平环境下的耐腐蚀性能是镀锌的3~6倍，但我们在选材时还是保守地将其镀层厚度确定为镀锌的62%倍和50%。1.5Al1Mg和2.5Al2Mg两种成分的锌镁镀层的理论密度分别为6.84和6.62。同时，连续热镀锌层的最低厚度是平均厚度的85%以上，而且连续镀锌工艺采用更加精确的附着量控制方法。

由于工艺的限制镀层实际厚度有一个最低极限和最大极限，在实际生产中C1级一般按照最低所能够生产的厚度控制。C4级采用1.5Al1Mg成分所需镀锌镁层的厚度生产难度很大，而CX级仅采用镀锌镁层基本无法满足要求。一般C5~CX级都采用镀锌镁和其他复合防腐措施。

据此推算，低铝类镀锌镁层附着量及厚度选择如表5所示。

表5 低铝类镀锌镁层附着量及厚度选择

腐蚀

等级

腐蚀

水平

所需镀锌镁层双面附着量/g/m2及单面厚度/μm

1.5Al1Mg

2.5Al2Mg

平均双面附着量

最低双面附着量

最低单面厚度

平均双面附着量

最低双面附着量

最低单面厚度

很低

低

250

219

200

159

中等

500

437

400

318

高

（1200）

（875）

（64）

750

636

很高

（2000）

（1751）

（128）

（1500）

（1271）

（96）

极高

2.4 中铝类锌铝镁厚度的选择

中铝类锌铝镁典型的成分有6Al3Mg和6Al3Mg两种。虽然很多资料介绍11Al3Mg锌铝镁的耐腐蚀性能是镀锌的10倍以上，但是根据GB/T31447-2015 预镀公路护栏的规定：当采用镀锌时，要求平均镀层厚度84휇m；当采用镀11Al3Mg的锌铝镁时，要求平均镀层厚度25휇m。所以选用材料时，11Al3Mg锌铝镁的耐腐蚀性能按照镀锌的3.3倍选择，即11Al3Mg的锌铝镁厚度可以按照镀锌的30%选择。

根据资料：Kohei Tokuda， NEW CORROSION RESISTANT “ZN-AL-MG ALLOY HOT-DIP GALVANIZED STEEL SHEET, 13th International Conference on Zinc & Zinc Alloy Coated Steel Sheet (GALVATECH 2023)，October 15~19, 2023 / COEX, Seoul, Korea，所介绍的不同成分锌铝镁进行腐蚀试验时的腐蚀量ΔG与含铝量[Al]和含镁量[Mg]关系如图所示。

根据大量数据统计得到的回归公式为：ΔG=74.24-1.20[Al]-5.26[Mg]。据此，11Al3Mg锌铝镁的耐腐蚀性能是6Al3Mg的1.13倍。所以选用材料时，6Al3Mg的锌铝镁厚度可以按照11Al3Mg的113%选择。

由于工艺的限制镀层实际厚度有一个最低极限和最大极限，在实际生产中C1级一般按照最低所能够生产的厚度控制。C5级采用6Al3Mg成分所需镀锌铝镁层的厚度生产难度很大，而CX级仅采用镀锌铝镁层基本无法满足要求。一般C5~CX级都采用镀锌铝镁和其他复合防腐措施。

据此推算，中铝类镀锌铝镁层附着量及厚度选择如表6所示。

表5 中铝类镀锌铝镁层附着量及厚度选择

腐蚀

等级

腐蚀

水平

所需镀锌铝镁层双面附着量/g/m2及单面厚度/μm

6Al3Mg

11Al3Mg

平均双面附着量

最低双面附着量

最低单面厚度

平均双面附着量

最低双面附着量

最低单面厚度

很低

低

100

中等

200

168

180

141

高

400

336

350

283

很高

（800）

（671）

（54）

700

566

极高

3 钢板材质性能的选择

光伏支架用钢板属于结构钢大类，其特征是可以进行简单的辊压加工成为型材后使用，使用中可以承受一定的载荷。由于光伏支架用钢板厚度跨度比较大，从0.5mm~6.0mm。因此，材料的品种很复杂。根据钢种分为：碳素结构钢、低合金高强度结构钢；根据生产工艺分为：热轧钢、冷轧退火钢、半退火钢；根据热轧板宽度分为：宽带钢、中宽带和窄带钢。

3.1 不同钢种材质的选择

光伏支架用钢板根据钢种分为碳素结构钢和低合金高强度结构钢两大类。

碳素结构钢又叫普通碳素结构钢，简称普碳钢，执行国家标准GB/T700 碳素结构钢，是最为常用和普通的钢材。普碳钢材质的重点保证机械性能，按照屈服强度进行分级和选材。在机械性能指标中以强度为重点，兼顾塑性指标即延伸率。其化学成分就是普通的碳、硅、锰、磷、硫。其中，磷和硫是有害元素，越低越好，按照磷和硫含量分为A、B、C、D四个级别。硅和锰对提高强度有益，但在普碳钢里面硅和锰不是有意加进去的。随着碳的增加强度增加，但塑性下降，因此不能靠增加碳来改善性能，所以普碳钢的性能有限，热轧板常用的只有Q235和Q275两个牌号，经过冷轧退火以后，晶粒细化，屈服强度可以超过350MPa。作为镀层产品，钢种用G表示，牌号有：S250G、S280G、S300G、S320G、S350G。如果采用普碳钢生产的产品，标注S350以上的牌号，用户就要多确认一下。

提高结构钢强度的合理方法是增加合金，因此选用高强度的钢材必须采用低合金高强钢，主要是加锰，俗称锰钢，执行国家标准GB/T1591 低合金高强度结构钢，是比普碳钢性能更加优越的结构钢。低合金高强度结构钢在熔炼时对有害元素磷和硫控制更加严格，而且通过加锰来提高性能，不是通过牺牲延伸率来提高强度，所以不但强度高，延伸率也高，热轧板有Q355和Q390两个牌号，经过冷轧退火以后，晶粒细化，屈服强度可以超过550MPa。作为结构用镀层产品，钢种用LAD表示，牌号有：S350LAD、S390LAD、S420LAD、S450LAD、S550LAD。特别需要一提的是，其机械性能的稳定性很好，这就可以保证加工以后型钢的形状精度良好。

3.2 不同生产工艺的选择

光伏支架用钢板根据生产工艺分为：热轧钢、冷轧退火钢、冷轧半退火钢。

热轧钢是采用热轧板在酸洗镀锌线上，经过酸洗、加热、还原以后进行热浸镀，由于没有经过冷轧，所以不需要进行再结晶退火，基本保持了原热轧板的性能，具有良好的强度和塑性。一般厚度规格在2.0mm以上的钢板直接使用热轧钢，由于材料性能的均匀性好，无论是加工成焊管还是冷弯型钢，形状精度比较高。作为镀层产品，牌号有：S250G、S280G、S350LAD、S390LAD。

冷轧退火钢是采用热轧板在冷轧线上经过酸洗、冷轧成轧硬板以后，在镀锌线经过碱洗、加热、还原、退火以后进行热浸镀，由于经过冷轧，所以必须进行完全再结晶退火，冷轧以后，使得晶粒得到细化，强度有所增加。作为镀层产品，牌号有：S250G、S280G、S300G、S320G、S350G、S350LAD、S390LAD、S420LAD、S450LAD、S550LAD。

冷轧半退火钢是在进行冷轧成轧硬板以后，在退火过程中采用不完全退火的办法，通过牺牲材料的塑性延伸率来提高强度，生产出所谓的“高强钢”。不加合金，不增加成本就能够生产出高强钢，效益似乎很诱人。但是，半退火的板温在再结晶温度以下、接近再结晶温度的范围，工艺窗口很小，就像烤牛肉的“五分熟”一样，非常难以控制，特别是带钢的宽度与牛肉不可同日而语，温度的均匀性，也就是生产出产品性能的均匀性很差。这就意味着加工成形性很差，极易产生开裂现象，即使不开裂加工以后的管材、型材的形状也很难保证，因此采购这样的产品一定要慎重又慎重！作为结构用镀层产品，钢种用FH表示，牌号有：S350FH、S390FH、S420FH、S450FH、S550FH。

3.3 不同宽度规格的选择

光伏支架用钢带根据热轧板宽度分为：宽带钢、中宽带和窄带钢。一般宽带钢的宽度≥1000mm，窄带钢≤500，中宽带处于两者之间。

钢带宽度的甄别很简单，但差别很大。从原理上讲，宽度越窄，生产线越落后，生产效率越低，人工成本越高，总生产成本也越高，价格越高才对。但实际上宽度越窄，价格越低。究其原因，就是采用陈旧的设备、简陋的工艺和文化程度低的操作工，加上偷工减料，才能生存下来，其产品质量就可想而知了。本来国家早就明文规定淘汰窄带钢，但由于有关部门疏于管理，一直没有得到淘汰，甚至出现了劣币驱良币现象，大行其道，建议采购时也要慎之又慎！

关于光伏支架选材问题可以联系许秀飞教授（）

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