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太陽光架台の宿命：腐食の基本理論

Data:2020-08-27

太陽光架台に使う材料は鋼材です、鋼材腐食は架台設計時に重点的に考慮しなければならない内容である。この文章はまず簡単な腐食原理から着手し、次の文章はそれぞれ「大気腐食」、「土壌腐食」、「接触腐食」などの部分から検討し、どのように設計段階で腐食による影響を考慮して避けるかを説明する。

鋼材の宿命

鋼材の物理機械性能は安定していて、塑性が良く、強度が高いため、工業建築の中で、鋼材は最も広い範囲の金属材料を使用しています。しかし、自然の中で鋼太陽光架台の支柱は腐食しやすく、軽者が錆を起こして美観に影響し、重層者が構造の品質を破壊し、建物の倒壊を招き、事故を引き起こします。世界の鋼材の10分の1が腐食で廃棄されていると言われていますが、腐食は鋼鉄が避けられない永遠の話題です。

アメリカのドラマ「権力のゲーム」の中の経典のひと言はそうです
“AllMen(Metal) Must Die”

ネジの試験

高校に酸化還元反応を学んだ時、常にネジの腐食について説明します。ここで小樹はみんなを連れてこの部分の知識を復習して、これによって鋼鉄の腐食の基本的な理論を引き出します。

Aセットの釘：水を添加します。水と酸素を含みます。
Ｂセットの釘：水、塩化ナトリウムを添加します。水、酸素、塩素イオンを含みます。
Cセットの釘：加熱後の水、油を添加し、水のみを含む。
Dセットの釘：塩化カルシウムを添加します。酸素だけを含みます。

その中のAグループは参考グループで、残りの各グループの実験にはそれぞれ水、酸素、塩素イオンの3種類の元素が含まれています。これらの3つの元素のネジへの影響を比較します。

何日を経て、実験結果は明らかになりました。AとBセットのネジだけが錆びています。そしてBグループの鉄錆はAセットより深刻です。CとDセットは錆びた形跡がない。この実験は以下の結論を得ることができます。

BセットはAセットと比較して，塩素イオンが鉄の腐食を加速させたと説明した
CセットはAセットと比較して，酸素が腐食の必要条件であることを説明した
DセットはAセットと比較し、水は腐食の必要条件を説明する。

以上の実験に基づいて，腐食の原因について一部の感性的な認識が可能であるが，腐食のメカニズムを本当に理解するには理論的に深く研究する必要がある。鋼材が腐食した後に新しい物質が発生することを観察したが、この種の変化はいずれもある化学反応に由来することが分かった。

鉄、酸素、水という三つの元素が合わさって「元電池」ができますが、この腐食は「電気化学腐食」とも言われています。その本質は酸化還元反応で、根本的な原因はつまり私達がよく言う「電子移動」です。

酸化還元の理論を理解すると，腐食の機構を定量的に説明することができる。
鉄原子は酸素の作用で電子を失い、酸化鉄を発生する
水は反応中の電子移動に必要な電解質として作用した
大自然の中の酸塩基性物質は触媒として反応を加速させた。

鉄の腐食例

鉄の腐食原理は簡単に見えるが、時々みんながこの現象を理解していないため、かえって多くの残念な事故を引き起こしました。その中で有名なのは「滄州鉄獅子」です。

滄州の鉄獅子：「鎮海吼」とも呼ばれ、後周広順三年（西暦935年）に建てられました。今から千年以上の歴史があります。前世紀の50年代、ソビエト連邦の「専門家」の提案によると、滄州文保のある鉄獅子の上に風雨を遮る小さなあずまやをかぶせて、鉄獅子のさらなる腐食を遅らせたいですが、あずまやは水蒸気の急速な蒸発を妨げて、鉄獅子、水、酸素はあずまやの中で「元電池」を構成して、かえって鉄獅子の腐食速度を速めました。あずまやは建築から20年後に解体されました。

架台の腐食

太陽光架台の設計については、主に3つの方面からの腐食の影響を考慮し、それぞれは以下の通りです。
大気腐食：大気中に露出した上部ステント構造は、空気中の酸素や水と相互作用して腐食します。この腐食は最も一般的で、最も発見されやすいものです。
土壌腐食：地下に深く埋められた鋼の杭の基礎は、土壌中の各種物質の作用により、より複雑な化学反応を起こし、腐食を生じる。長い間土壌の中でこの腐食は発見されにくい。
▵接触腐食：異なる金属間では、電位差によって電子の損得が発生し、電気化学の腐食が発生します。このような腐食はしばしばデザイナーに無視されます。

小樹は後のシリーズの中で、どのように設計の初期の時、定量的な考慮と計算の上の3種類の腐食状況を説明します。

腐食方法

鋼材の腐食を避けるために、業界でよく見られる方法は鋼材の表面に「亜鉛メッキ」、亜鉛元素の25℃時の標準電位は-0.76 Vで、鉄の-0.45 Vより低いので、亜鉛の「活発性」は鉄より強いです。亜鉛と鉄は湿潤な環境の中で「原電池」を形成しています。すべての電気化学腐食の原理と同じです

陽極（亜鉛）を犠牲にして陰極（鉄）を保護します。

各元素の標準電位

順位が低いほど、電子を失いやすくなります。

亜鉛と鉄による元電池効果のため、亜鉛めっき層が輸送または取り付け中に発生する軽微な損傷であっても、亜鉛めっき層の腐食防止能力には影響しません。もちろん、深い損傷には十分注意して、これらの領域に対して亜鉛を補う処理が必要です

亜鉛と鉄と酸素は湿潤な環境で作られた電池です
亜鉛メッキ層が軽い傷を負っても腐食能力に影響しません。
また、亜鉛は空気と水と反応して、アルカリ性炭素酸亜鉛という物質の表面が緻密で、しかも水に溶けにくいので、空気と鉄をよく遮断できます。このようにして、また「物理的保護」が形成され、鋼材の腐食をさらに遅くしました。

一般的な亜鉛メッキプロセスは、熱亜鉛メッキ、亜鉛メッキ、電気亜鉛メッキ（冷亜鉛メッキ）です。ここで亜鉛メッキの方法と手順についてはあまり説明しません。もちろん、どの亜鉛メッキプロセスでも、その亜鉛層自体は多くの異なる物質で構成されています。