光伏支架中螺栓連接和拉鉚連接腐蝕前后抗剪性能對(duì)比試驗(yàn)研究

張廣平，楊飛龍，張 軼，楊俊芬，李立和，焦瑞婕

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán) 甘肅省電力設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；3.西安建筑科技大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

光伏支架是電站系統(tǒng)的骨骼，決定了光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其結(jié)構(gòu)形式也決定了光伏系統(tǒng)接收太陽能輻照的能力[1]，因此，光伏支架應(yīng)具備足夠的安全性和穩(wěn)定性[2]，它的性能直接決定了光伏系統(tǒng)的使用壽命和成本.光伏支架長期暴露在戶外，螺栓極易發(fā)生腐蝕造成節(jié)點(diǎn)承載能力降低，進(jìn)而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全.陳慶偉等[3]研究了M24高強(qiáng)螺栓腐蝕后的力學(xué)性能，隨腐蝕時(shí)間的增長，屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度下降明顯，但對(duì)伸長率、斷面收縮率的影響較小.Wang H L等[4]研究了高強(qiáng)度螺栓的腐蝕疲勞性能，建立了高強(qiáng)螺栓腐蝕斷裂裂紋模型和疲勞壽命模型.Wen Juan等[5]研究了高強(qiáng)度螺栓腐蝕的產(chǎn)物，推測(cè)高強(qiáng)度螺栓斷裂失效與大氣腐蝕(酸雨)、工業(yè)粉塵、道路粉塵等環(huán)境腐蝕有關(guān).徐善華等[6]對(duì)腐蝕后的鋼板進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明銹蝕率、局部腐蝕深度及蝕坑的相對(duì)尺寸是影響銹蝕鋼材拉伸性能的主要因素.

拉鉚連接作為一種新型連接方式，具有良好的防腐蝕性能，適合代替螺栓連接應(yīng)用于光伏支架中.拉鉚釘[7]又稱環(huán)槽鉚釘，利用虎克定律并采用專門的鉚接工具，在軸向拉伸鉚釘?shù)耐瑫r(shí)徑向擠壓套環(huán)，使套環(huán)金屬流動(dòng)到鉚釘?shù)沫h(huán)槽中，形成永久的金屬塑性變形連接以實(shí)現(xiàn)緊固安裝.其安裝過程如圖1[8]所示.

目前，國內(nèi)外關(guān)于光伏支架中拉鉚連接抗剪性能研究相對(duì)較少，鄧華等[9]分析了鋁合金板件環(huán)槽鉚釘搭接連接破壞模式及鉚釘孔徑、端距、邊距等參數(shù)的影響.張欽等[10]對(duì)環(huán)槽鉚釘進(jìn)行了設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證，研究分析了鉚接接頭夾緊力、拉脫力、剪切力及其疲勞性能.易志宏等[7, 11]開展了雙摩擦面的環(huán)槽鉚釘抗剪試驗(yàn)和環(huán)槽鉚釘預(yù)緊力試驗(yàn)，并與普通高強(qiáng)螺栓進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果顯示，環(huán)槽鉚釘滑移后承載力降低程度小于普通高強(qiáng)度螺栓.張?zhí)煨鄣萚12]對(duì)大量M20鉚釘進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，結(jié)果顯示，鉚釘?shù)脑牧铣恋碛不筒讳P鋼05Cr17Ni4Cu4Nb具有較高的強(qiáng)度及較好的延性.Sun J P等[13]研究了端距和邊距對(duì)高強(qiáng)鋁合金環(huán)槽鉚釘節(jié)點(diǎn)失效模式、載荷-位移曲線等力學(xué)性能的影響.Urban[14]分析了采用了普通鉚釘鉚接 的旋翼飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中的影響.Repetto[15]采用了有限元方法對(duì)鉚接的變形過程進(jìn)行了模擬和分析研究.Cheraghi[16]從疲勞產(chǎn)生角度對(duì)部件 間的連接方式作了具體的研究.

現(xiàn)階段，國內(nèi)外關(guān)于拉鉚連接抗剪性能研究較少，且未研究腐蝕對(duì)于拉鉚連接靜力學(xué)性能的影響.為研究光伏支架中拉鉚釘代替螺栓的可行性，選用光伏支架中常用的M8、M10、M12的4.8級(jí)普通螺栓和同規(guī)格的小直徑拉鉚釘，進(jìn)行腐蝕前后的抗剪承載力試驗(yàn)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到兩種連接方式腐蝕后力學(xué)性能的下降程度，通過觀察腐蝕介質(zhì)對(duì)兩類連接的侵蝕情況，分析兩類連接的抗剪承載力下降程度出現(xiàn)差異性的原因，以期對(duì)拉鉚連接在光伏支架中的應(yīng)用提出建議.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

腐蝕前后抗剪試驗(yàn)均在CSS-WAW300DL型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試件兩端分別連接在萬能試驗(yàn)機(jī)上施加拉力，使得螺栓和拉鉚釘承受剪力.腐蝕前后抗剪承載力試驗(yàn)各設(shè)計(jì)了18個(gè)試件，根據(jù)連接形式和規(guī)格分為6組，每組包含3個(gè)完全相同的試件.各組連接分別選用M8、M10、M12的4.8級(jí)冷鍍鋅普通螺栓和LMY8、LMY10、LMY12的拉鉚釘，節(jié)點(diǎn)板材選用Q355級(jí)鋼材，為保證拉鉚釘和螺栓在加載過程中的同軸度，在試件的兩端設(shè)置了夾持端，試件樣式及構(gòu)造如圖2、圖3所示，根據(jù)螺栓緊固扭矩規(guī)范分別采用11 N·M、23 N·M、45 N·M作為螺栓的緊固力矩，拉鉚釘利用廠家提供的鉚接工具進(jìn)行連接.

腐蝕前抗剪承載力試驗(yàn)試件可直接進(jìn)行試驗(yàn)，腐蝕后抗剪承載力試驗(yàn)需對(duì)試件進(jìn)行腐蝕處理.根據(jù)《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》GB/T10125—2012[17]采用銅加速乙酸鹽霧試驗(yàn)縮短試驗(yàn)時(shí)間，其腐蝕速率是中性鹽霧試驗(yàn)的7～8倍，在科迪KD-200鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn).

選擇濃度為50 g/L的NaCl溶液，加入濃度為0.26±0.02 g/L氯化銅(CuCl2·2H2O)，pH值在3.1～3.3范圍內(nèi)，進(jìn)行為期90 d的噴淋，相當(dāng)于自然腐蝕約50 a.試驗(yàn)結(jié)束后立即取出試樣，在23 ℃下以20%的檸檬酸二胺水溶液中浸泡10 min，然后先用水清洗試樣，然后用乙醇清洗，自然干燥后再用清水流淌洗滌，最后將試件放置在自然通風(fēng)的條件下自然風(fēng)干，自然風(fēng)干后進(jìn)行抗剪承載力試驗(yàn).

1.2 材性試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試件取樣位置及試件制備》(GB/T2975—2018)[18]和《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)：第一部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T228.1—2010)[19]在同批Q355B鋼板上用線切割截取制作拉伸試件，試件數(shù)目為3，試件規(guī)格如圖4所示，各材性指標(biāo)見表1.

表1 Q355B板材性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)材性試驗(yàn)結(jié)果，板材的強(qiáng)屈比均大于1.2，伸長率大于20%，故所選板材性能滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017—2017)[20]要求.

試驗(yàn)中采用的螺栓為4.8級(jí)普通螺栓，材料性能符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017—2017).試驗(yàn)中所用的拉鉚釘均為5.8級(jí)拉鉚釘，其中,LMY8、LMY10拉鉚釘由原材料LMB-T12.Φ10.2加工而成，LMY12拉鉚釘由原材料LMY-T16.Φ15.7加工而成，根據(jù)相關(guān)規(guī)范材性試驗(yàn)試件尺寸如圖5和表2所示，各規(guī)格試件數(shù)目為3，拉鉚釘各試件材性指標(biāo)如表3所示.

表2 拉鉚釘材性試驗(yàn)棒材尺寸表

表3 拉鉚釘材性試驗(yàn)結(jié)果

拉鉚釘其力學(xué)性能由生產(chǎn)廠家提供，如表4所示.連接件鋼材均為Q355B.

表4 拉鉚釘力學(xué)性能

1.3 加載方式

將連接節(jié)點(diǎn)夾持端連接到萬能試驗(yàn)機(jī)上施加拉力，萬能試驗(yàn)機(jī)如圖6所示，正式加載前，需對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，檢查各部分的連接情況，包括加載裝置是否偏心、拉鉚釘/螺栓是否松動(dòng)、整個(gè)試驗(yàn)裝置是否可靠.正式加載采用控制位移的加載方式，加載速率為1.2 mm/min.當(dāng)試驗(yàn)過程中發(fā)生功能以下現(xiàn)象之一時(shí)終止加載：(1)試件(Q355B板件或螺栓/鉚釘)斷裂；(2)試件不能夠繼續(xù)維持所加荷載.圖7所示試件在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載.

試驗(yàn)過程中荷載和位移的測(cè)量主要是通過試驗(yàn)機(jī)自身傳感器進(jìn)行測(cè)量記錄.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)荷載較小時(shí)試件無明顯變化，隨著荷載不斷增加,摩阻力被克服，螺栓和拉鉚釘產(chǎn)生孔壁承壓，在某個(gè)峰值處螺栓和拉鉚釘突然被剪斷，連接節(jié)點(diǎn)破壞前沒有顯著預(yù)兆，為脆性破壞，并且發(fā)生破壞會(huì)時(shí)伴隨著巨大的響聲.由于選用的板材強(qiáng)度足夠，孔壁處的變形約束力較強(qiáng)，觀察到螺栓孔并未發(fā)生明顯的變形，試驗(yàn)最終均以螺栓和拉鉚釘?shù)募魯喽K止，連接節(jié)點(diǎn)喪失承載力，螺栓和拉鉚釘斷口位置均為其受剪截面處，腐蝕前與腐蝕后螺栓和鉚釘?shù)钠茐男螒B(tài)如圖8所示.

2.2 抗剪承載力試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)得各連接節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力.表5給出了腐蝕前后螺栓連接和拉鉚連接抗剪性能的各項(xiàng)指標(biāo).

表5 螺栓及鉚釘連接腐蝕前后抗剪性能試驗(yàn)結(jié)果

為了更加直觀對(duì)比螺栓和拉鉚釘腐蝕后抗剪承載力下情況，兩種連接腐蝕后抗剪承載力下降率柱狀圖見圖9所示.

由表5及圖9可以明顯看出，經(jīng)過90 d的腐蝕后，螺栓和拉鉚釘抗剪承載力均有下降，但螺栓的抗剪承載力下降更為顯著.各規(guī)格螺栓連接腐蝕后抗剪承載力下降幅度均超過6%，最多可達(dá)到8.73%，而拉鉚連接腐蝕后承載力下降幅度相差較小，最大僅為3.97%.因此可以得到，相較于普通螺栓，拉鉚釘具有更好的抗腐蝕性能.同時(shí)拉鉚釘和普通螺栓鍍鋅層完全相同，兩種連接材料的抗腐蝕性能相同，拉鉚釘防腐性能優(yōu)異僅與其構(gòu)造有關(guān).

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 構(gòu)造分析

通過激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀察螺栓及拉鉚釘牙型特征及工作原理，可以看出螺栓螺桿的牙型都比較一致，呈現(xiàn)三角狀，緊固后牙型并不會(huì)發(fā)生很大的變化，螺母螺紋與螺栓螺紋僅在牙紋側(cè)邊形成點(diǎn)接觸，接觸面積占總面積比例較小，咬口間有較大空隙，腐蝕介質(zhì)易進(jìn)入空隙造成螺栓連接節(jié)點(diǎn)內(nèi)部腐蝕，螺栓的鍍鋅層會(huì)很快被破壞喪失保護(hù)基體的能力，而腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)長時(shí)間在潮濕的縫隙中停留，這加速了螺栓的腐蝕.如圖10所示螺栓工作狀態(tài)牙型圖.

拉鉚釘在緊固后，由于套環(huán)在外力擠壓下發(fā)生了較大的塑性變形，套環(huán)的內(nèi)側(cè)光面會(huì)和原鉚桿接觸并被擠壓形成牙型凹槽與鉚桿的螺紋緊緊咬合在一起，且鉚桿牙型呈現(xiàn)圓弧狀，套環(huán)與鉚桿的連接有更大的接觸面積，其緊固程度也有很大提高，拉鉚釘獨(dú)特的過盈配合連接方式，在腐蝕環(huán)境中可以更好地抵御腐蝕介質(zhì)的滲透，如圖11所示在拉鉚釘工作狀態(tài)牙型圖.

此外，拉鉚釘?shù)逆i緊槽牙型由連續(xù)多段不同直徑的圓弧組合而成，而螺栓牙型為60°的等邊三角形結(jié)構(gòu)，拉鉚釘?shù)难赖讏A角半徑較大，相比之下，螺栓牙底的圓角半徑較小，如圖12所示，因此在承受相同荷載作用的條件下，螺栓存在的缺口效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中效應(yīng)，相比于螺栓牙型，拉鉚釘牙型則有更小應(yīng)力集中效應(yīng)，根據(jù)張欽等人[21]的研究成果表明：螺栓牙型的最大應(yīng)力約為拉鉚釘牙型應(yīng)力的4倍，拉鉚釘牙型的圓弧結(jié)構(gòu)可以有效地降低牙底和牙頂?shù)膽?yīng)力集中，而在相同腐蝕環(huán)境下，應(yīng)力的存在會(huì)顯著提高鋼材表面的腐蝕活性，從而加速表面腐蝕形貌的發(fā)展[22].

因此，對(duì)比兩種連接方式，拉鉚連接在構(gòu)造上有天然的優(yōu)勢(shì)，在工作中可以更好地抵御腐蝕介質(zhì)對(duì)連接進(jìn)一步腐蝕，在同樣條件下螺栓螺桿腐蝕更加嚴(yán)重，因此，最終在腐蝕后拉鉚連接抗剪承載力下降程度較小.

3.2 腐蝕后試件宏觀形貌分析

對(duì)拉鉚和螺栓連接節(jié)點(diǎn)試件按照銅加速乙酸鹽霧試驗(yàn)方法開展為期90 d的腐蝕試驗(yàn)，開始狀態(tài)如圖13所示.經(jīng)過觀察，在30 d的腐蝕后，連接件表面金屬光澤度明顯減低，部分區(qū)域出現(xiàn)表層粉化現(xiàn)象和紅褐色腐蝕物，但是螺栓和拉鉚釘并未出現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象，如圖14所示.試驗(yàn)進(jìn)行到第60天后，連接件金屬外表面出現(xiàn)起泡、龜裂和部分脫落等老化現(xiàn)象，并開始出現(xiàn)大面積紅褐色腐蝕產(chǎn)物，螺栓和拉鉚釘外露部分表面均勻覆蓋著白色的腐蝕產(chǎn)物，如圖15所示.90 d后，連接件表面開始被大面積紅褐色和黑褐色鐵銹覆蓋，拉鉚釘和螺栓表面鍍鋅層不可見金屬光澤，褐色腐蝕產(chǎn)物覆蓋在拉鉚釘和螺栓表面，細(xì)看可見伴有明顯的老化現(xiàn)象，部分區(qū)域的腐蝕產(chǎn)物開始大面積剝落，隨著鹽霧腐蝕時(shí)間的延長，紅色銹跡覆蓋面積不斷擴(kuò)大，原本殘留的少量白色腐蝕產(chǎn)物逐漸被紅色鐵銹覆蓋，同時(shí)位于紅色鐵銹處的銹蝕坑也變得越來越深，如圖16所示.

觀察腐蝕后螺栓及拉鉚釘?shù)淖兓?，螺栓暴露在外面部分與腐蝕介質(zhì)直接接觸腐蝕最為嚴(yán)重，其次是螺栓螺桿和螺母接觸的部位，這是由于螺栓擰緊能阻止一部分腐蝕介質(zhì)進(jìn)入縫隙產(chǎn)生腐蝕，腐蝕后的螺桿和螺帽如圖17所示.對(duì)斷口進(jìn)行觀察，螺栓的橫截面四周朝著截面圓心方向已經(jīng)被腐蝕，螺栓橫截面的有效面積減少，抗剪承載力降低，腐蝕后的螺栓連接斷口如圖18所示.

拉鉚釘腐蝕后外露的套環(huán)腐蝕較為嚴(yán)重，套環(huán)外表面布滿了紅褐色與棕褐色相間的腐蝕產(chǎn)物，其中與板材孔壁接觸的鉚桿外表面只是受到輕微腐蝕，其上可見少量的黃褐色腐蝕產(chǎn)物，外表面仍有金屬光澤如圖19，鉚桿上鍍鋅層較為完整，這說明拉鉚釘在工作時(shí)具有較好的密封性.而產(chǎn)生少量腐蝕的原因是拉鉚釘和鉚接孔之間有一定的空隙，腐蝕介質(zhì)進(jìn)入空隙中導(dǎo)致發(fā)生腐蝕.對(duì)比觀察腐蝕后拉鉚釘?shù)臄嗫谌鐖D20，與螺栓連接相比，其腐蝕程度較輕.

與拉鉚連接相比，螺栓連接的腐蝕情況更加嚴(yán)重，在外觀上拉鉚連接表現(xiàn)出更好的防腐蝕性能，故而拉鉚釘腐蝕后的抗剪承載力下降幅度低于同規(guī)格螺栓.

3.3 腐蝕后試件微觀形貌分析

對(duì)發(fā)生腐蝕后的螺栓和拉鉚釘進(jìn)行酸洗去銹處理，然后對(duì)其進(jìn)行線切割后對(duì)兩者的表面微觀腐蝕相貌進(jìn)行對(duì)比分析.

通過觀察，螺栓的螺桿全段均發(fā)生了腐蝕，螺栓表面鍍鋅層幾乎完全腐蝕殆盡，喪失對(duì)基體的保護(hù)作用，外表面分布有密集細(xì)小的蝕坑，部分蝕坑連城一片，發(fā)展為明顯的微裂紋，如圖21所示.觀察螺栓斷口，可以明顯地看到截面因腐蝕產(chǎn)生較大削弱，如圖22所示.

相比較于其他部位，直接暴露在外與腐蝕介質(zhì)直接接觸的部位拉鉚釘腐蝕痕跡明顯，表面出現(xiàn)大面積蝕坑和剝落層，如圖23、圖24所示，說明此處鍍鋅層已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重破壞，金屬基體也發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕而剝落.拉鉚連接腐蝕后其中與板材孔壁接觸部分的鉚桿段腐蝕較為輕微，表現(xiàn)為小范圍內(nèi)可見麻面現(xiàn)象，部分鍍鋅層剝落如圖25所示，拉鉚釘基體表面鍍鋅層基本完整，依然對(duì)基體有保護(hù)作用，但是依稀可見基體有被破壞的特征，基體出現(xiàn)蝕坑.由于拉鉚釘緊固程度較大，拉鉚釘鉚桿與套環(huán)咬合緊固部位幾乎沒有明顯腐蝕現(xiàn)象，鍍鋅層有金屬光澤.

對(duì)比分析螺栓和拉鉚釘腐蝕后的微觀形貌特征，與宏觀腐蝕形貌對(duì)比結(jié)果較為一致，在同樣的腐蝕條件下，螺栓腐蝕后鍍鋅層破壞更為嚴(yán)重，基體腐蝕情況也更加嚴(yán)重，對(duì)螺桿截面產(chǎn)生較大的截面削弱，產(chǎn)生更多的腐蝕坑，腐蝕產(chǎn)生的蝕坑和裂紋會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中效應(yīng)，當(dāng)集中應(yīng)力超過基體材料的強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)導(dǎo)致斷裂發(fā)生，而拉鉚連接則腐蝕較為輕微.

因此，螺栓腐蝕后抗剪承載力下降的主要原因是腐蝕坑產(chǎn)生的應(yīng)力集中和腐蝕對(duì)螺桿截面的削弱，拉鉚釘腐蝕后抗剪承載力下降的主要原因是腐蝕坑產(chǎn)生的應(yīng)力集中.由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，拉鉚釘腐蝕輕微，隨著腐蝕時(shí)間的增加，拉鉚釘也會(huì)因?yàn)楦g產(chǎn)生截面削弱，其削弱程度也會(huì)明顯小于螺栓，其抗腐蝕的優(yōu)異性也會(huì)更加明顯.

3.4 物理表征分析

針對(duì)拉鉚和螺栓連接節(jié)點(diǎn)中發(fā)生破壞的螺栓和拉鉚釘試樣，在掃描電鏡下取拉鉚釘和螺栓局部面積，探究腐蝕后螺栓和拉鉚釘外表面鍍鋅層的破壞和基體腐蝕程度.采用系統(tǒng)自帶的能譜儀對(duì)所選擇的部位微區(qū)內(nèi)元素進(jìn)行定量分析，其中Zn元素代表鍍鋅層、Fe元素代表基體、Cu元素和Cl元表腐蝕產(chǎn)物以及代表腐蝕介質(zhì).

由圖26的元素分布可知，拉鉚釘?shù)谝蝗β菁y處的鍍鋅層并沒有受到嚴(yán)重的腐蝕破壞，保留得相對(duì)比較完整，對(duì)基體依然有較好的保護(hù)作用，鐵元素出現(xiàn)的地方說明鍍鋅層遭到了腐蝕破壞，金屬基體暴露，如果繼續(xù)處在腐蝕環(huán)境中，失去鍍鋅層保護(hù)的基體將發(fā)生進(jìn)一步的腐蝕，氧元素表明觀察部位發(fā)生腐蝕產(chǎn)生了氧化產(chǎn)物，在一定程度上可以和鐵元素結(jié)合來判斷試樣的受腐蝕程度，另外氯元素和銅元素的分布，表明此處堆積殘留了較多的腐蝕介質(zhì).

由圖27的元素分布，觀察到拉鉚釘外露部位分布的鋅元素較少，鍍鋅層已經(jīng)被破壞，和圖24相比，這個(gè)區(qū)域所含的鐵元素和氧元素含量較高，說明已經(jīng)發(fā)生了比較嚴(yán)重的腐蝕，產(chǎn)生了較多的氧化腐蝕產(chǎn)物.從氯元素和銅元素的分布來看，此部位沒有過多腐蝕介質(zhì)堆積.

從圖28、圖29的元素分布可知，螺栓外表面含有較多的氧元素和鐵元素分布，其中在螺紋牙型的頂部可見少量鋅元素，鍍鋅層發(fā)生較為嚴(yán)重破壞，金屬基體發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生了較多的氧和鐵的化合物，聚集了較多的腐蝕產(chǎn)物，說明螺栓在服役的過程中，螺桿和螺紋之間的縫隙使得腐蝕介質(zhì)的侵入和轉(zhuǎn)移，最終使得整個(gè)螺栓主體發(fā)生腐蝕.在觀察的區(qū)域內(nèi)可見均勻分布的氯元素和少量銅元素可以證明這一點(diǎn).

通過上面的觀察和分析，拉鉚釘鉚桿和套環(huán)的過盈配合可以抵御腐蝕介質(zhì)的侵入，切斷腐蝕介質(zhì)的轉(zhuǎn)移路徑，只要合理控制連接件的孔徑，可保護(hù)拉鉚釘主體只發(fā)生輕微腐蝕甚至一些部位不發(fā)生腐蝕，從而減緩其力學(xué)性能的衰退.

4 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

在拉鉚釘生產(chǎn)方面，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)規(guī)格為LMY10-20拉鉚釘采購價(jià)格在0.5～3元不等，4.8級(jí)的M10-M20螺栓采購價(jià)格在0.3～2元不等，造成價(jià)格差異的主要原因是拉鉚釘?shù)氖袌隹傮w需求相比螺栓要少，螺栓的產(chǎn)能要大于拉鉚釘，螺栓的市場供應(yīng)大于市場需求，導(dǎo)致價(jià)格低迷，廠家價(jià)格競爭激烈且利潤微薄.反觀拉鉚釘，由于技術(shù)條件限制，許多緊固件加工企業(yè)不具備生產(chǎn)拉鉚釘?shù)哪芰?，?dǎo)致市場供給端較少，價(jià)格略偏高，但隨著拉鉚釘在建筑和光伏行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，拉鉚釘?shù)男枨髮?huì)迎來爆發(fā)式增長，生產(chǎn)成本也會(huì)隨之下降，其性價(jià)比將進(jìn)一步體現(xiàn).

在連接件的施工上，螺栓的安裝可采用力矩扳手或電動(dòng)扳手，力矩扳手的使用更靈活，但擰緊時(shí)間較長約40 s，電動(dòng)扳手的使用僅需約2 s，但需要電源支持.拉鉚釘?shù)陌惭b只能采用專門的錨槍安裝，同樣需要電源支持，安裝約2 s.使用拉鉚釘進(jìn)行安裝可以大大減少安裝過程所花費(fèi)的時(shí)間，提高施工效率，有效地縮短施工工期.

在后期維護(hù)運(yùn)營方面，通常情況下光伏支架因需要平均半年進(jìn)行一次檢修，每次檢修費(fèi)用每兆瓦500～1 000元不等.例如位于青海戈壁灘的青海塔拉灘光伏發(fā)電站，是全球機(jī)裝容量最大的發(fā)電園區(qū)，總裝機(jī)容量15 730兆瓦.青海塔拉灘光伏發(fā)電站因?yàn)槁菟▎栴}每年檢修費(fèi)用將高達(dá)1 573～3 146萬元不等.使用拉鉚連接可以減少檢修費(fèi)用的同時(shí)減小光伏支架坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，降低了事故導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失.

因此，綜合考慮小直徑拉鉚釘代替普通螺栓應(yīng)用于光伏支架中是可行的，提高了連接處的抗腐蝕性能，能夠節(jié)約成本，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益.

5 結(jié)論

本研究通過光伏支架中螺栓連接和拉鉚連接腐蝕前后的抗剪試驗(yàn)，并對(duì)兩種連接的腐蝕機(jī)理、腐蝕后的宏觀和微觀形貌、構(gòu)造進(jìn)行分析，揭示了兩種連接腐蝕后抗剪承載力下降程度產(chǎn)生差異的原因，主要結(jié)論如下：

(1)經(jīng)過銅加速鹽霧腐蝕90 d，螺栓連接抗剪承載力下降最多可達(dá)到8.79%，而拉鉚連接最大僅為3.97%，表明拉鉚連接腐蝕后抗剪承載力下降更少，具有更好的抗腐蝕性能；

(2)傳統(tǒng)螺栓的螺母螺紋與螺栓螺紋僅在牙紋側(cè)邊形成點(diǎn)接觸，咬口間有較大空隙，腐蝕介質(zhì)易進(jìn)入空隙造成螺栓連接節(jié)點(diǎn)內(nèi)部腐蝕，拉鉚釘套環(huán)與鉚桿有更大的接觸面積，加強(qiáng)了緊固程度，有利于抵御腐蝕介質(zhì)的侵入，因此，拉鉚釘腐蝕后抗剪承載力下降程度較小；

(3)腐蝕發(fā)生主要是由于連接件與腐蝕溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致鍍鋅層的脫落和鐵元素的氧化.連接件表面的不均勻腐蝕使得連接件表面產(chǎn)生大量蝕坑，不僅削弱了截面，還使得受力過程中易發(fā)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致兩類連接的承載力下降；

(4)拉鉚釘套環(huán)和鉚桿咬合緊密，合理控制連接件的孔徑，可以切斷腐蝕介質(zhì)的轉(zhuǎn)移路徑，可保護(hù)拉鉚釘主體只發(fā)生輕微腐蝕甚至一些部位不發(fā)生腐蝕，從而減緩其力學(xué)性能的衰退；

(5)小直徑拉鉚釘代替普通螺栓應(yīng)用于光伏支架中是可行的，提高了連接處的抗腐蝕性能.