銹蝕鋼構(gòu)件安全評(píng)定指標(biāo)初探

鐘宏偉,徐善華,李 軍,孔正義

(1.西安建筑科技大學(xué)土木學(xué)院,陜西西安 710055;2.安徽海杰建設(shè)工程有限公司,安徽合肥 230051)

銹蝕鋼構(gòu)件安全評(píng)定指標(biāo)初探

鐘宏偉1,徐善華1,李 軍2,孔正義1

(1.西安建筑科技大學(xué)土木學(xué)院,陜西西安 710055;2.安徽海杰建設(shè)工程有限公司,安徽合肥 230051)

鋼結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,由于周圍環(huán)境的影響,鋼構(gòu)件表面發(fā)生不同程度的銹蝕,當(dāng)銹蝕程度達(dá)到一定量時(shí),將對(duì)鋼結(jié)構(gòu)造成安全隱患。應(yīng)用粗糙度理論對(duì)鋼材表面點(diǎn)蝕進(jìn)行了分析,采用一組低碳鋼試件進(jìn)行試驗(yàn)研究,首先對(duì)試件進(jìn)行人工化學(xué)銹蝕,除銹后再利用粗糙度檢測(cè)儀對(duì)試件表面銹蝕情況進(jìn)行檢測(cè)。繪出了試件表面銹蝕坑輪廓圖,提出了兩種銹蝕坑缺陷面積的計(jì)算方法,初步提出了用缺口系數(shù)來(lái)描述銹蝕鋼構(gòu)件安全評(píng)價(jià)指標(biāo),該概念的提出為進(jìn)一步研究銹蝕鋼構(gòu)件、乃至鋼結(jié)構(gòu)安全評(píng)定提供了一種新思路。

銹蝕鋼構(gòu)件;安全評(píng)定;蝕坑;粗糙度;缺陷面積;缺口系數(shù)

0 引 言

腐蝕形態(tài)主要分為全面腐蝕、局部腐蝕。全面腐蝕是指整個(gè)構(gòu)件表面各處具有相同的腐蝕速率,截面尺寸均勻減薄的腐蝕;局部腐蝕主要是點(diǎn)蝕,是在金屬表面局部形成一些小而深的孔洞,見圖1所示。

圖1 蝕坑形狀

腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷是很嚴(yán)重的,有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致工程事故的發(fā)生。2004年發(fā)生的萊蕪鋼鐵股份有限公司特鋼廠煉鋼主廠房倒塌,2004年陜西重型機(jī)器廠鑄鋼車間倒塌和2005年發(fā)生在俄羅斯丘索沃伊市的游泳館鋼結(jié)構(gòu)頂棚坍塌,1965年美國(guó)一條輸油管線因腐蝕破裂引起大火,造成17人死亡,1980年我國(guó)北海油田某采油平臺(tái)發(fā)生腐蝕破壞,致使123人喪生等,這些事故起因都是由于構(gòu)件的腐蝕造成的,其不僅給國(guó)家?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,也造成了人員傷亡[1]。因此,如何對(duì)腐蝕后的構(gòu)件進(jìn)行安全性評(píng)估,已成為各國(guó)學(xué)者研究的一個(gè)重要課題。

1 問(wèn)題提出

全面腐蝕是因?yàn)榻孛娉叽绲木鶆驕p薄,在評(píng)定時(shí)可以直接對(duì)構(gòu)件截面進(jìn)行折減,局部腐蝕因?yàn)槭蔷植繕?gòu)件截面損失,常引起應(yīng)力集中,如直接對(duì)構(gòu)件截面進(jìn)行折減,將影響到構(gòu)件的安全,同時(shí)點(diǎn)蝕深度、形狀、位置、數(shù)量具有很大的隨機(jī)性,因此,如何評(píng)定點(diǎn)蝕對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能的影響是評(píng)估中的重點(diǎn),而點(diǎn)蝕的表征方法是評(píng)估點(diǎn)蝕的一個(gè)難點(diǎn)工作,因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)點(diǎn)蝕做了大量的研究工作。

2 表征方法提出

文獻(xiàn)[2,3]在實(shí)驗(yàn)室對(duì)鈍態(tài)不鑄鋼坑腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果,

式中:t為腐蝕時(shí)間(d);μ為介質(zhì)濃度(%);T為環(huán)境溫度(℃);ε為誤差為隨機(jī)變量;xmax為孔蝕最大深度(cm);β=(β0,β1,β2,β3)為系數(shù)向量,可由樣本估計(jì)。

文獻(xiàn)[4]對(duì)實(shí)驗(yàn)室坑蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,提出用Logistic模型來(lái)處理坑蝕數(shù)據(jù),并用數(shù)據(jù)表明其優(yōu)于極值I型分布規(guī)律;進(jìn)行統(tǒng)計(jì)理論分析,表明坑蝕最大深度的分布符合極值I型分布規(guī)律

式中:π為失效概率,試樣上出現(xiàn)穿孔時(shí)即為失效;x為函數(shù)變量;i為獨(dú)立變量的個(gè)數(shù),β =(β0,β1,β2,β3)為系數(shù)向量,可由樣本估計(jì)。

文獻(xiàn)[5,6]通過(guò)試驗(yàn)分析了銹蝕鋼筋的力學(xué)性能,采用了截面損失率和最大截面損失率來(lái)考慮點(diǎn)蝕影響。重量損失率:

文獻(xiàn)[7]給出了點(diǎn)蝕評(píng)定辦法,把蝕坑分為七類,見圖2所示。

圖2 蝕坑等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)樣圖

以上這些研究主要是針對(duì)最大點(diǎn)蝕深度統(tǒng)計(jì)規(guī)律,或者直接用平均截面損失率或最大截面損失率來(lái)表征局部腐蝕,而通過(guò)對(duì)腐蝕后的力學(xué)性能的試驗(yàn)研究,尤其疲勞性能,發(fā)現(xiàn)影響其性能的有蝕坑形狀、尺寸、深度,還有表面粗糙度、厚度、材料等[8],因此,用最大點(diǎn)蝕深度或平均截面損失率、最大截面損失率并不能很好的表征局部銹蝕。

表面粗糙度是指加工面上具有較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀,用來(lái)描述機(jī)械鑄造表面質(zhì)量的,通過(guò)二維表面粗糙度儀可測(cè)出機(jī)械表面的粗糙度,即機(jī)械表面二維輪廓線,類似波浪,如圖3,然后通過(guò)參數(shù):輪廓中心線Ra、輪廓谷深Yv、輪廓高度Yp、輪廓單峰平均間距S等等來(lái)評(píng)估機(jī)械表面加工質(zhì)量對(duì)機(jī)械性能的影響[9]。

粗糙度可以描述表面幾何形狀,從30年代起,各國(guó)學(xué)者對(duì)表面粗糙度定量評(píng)定參數(shù)進(jìn)行了研究,如美國(guó)的Abbott就提出用距表面輪廓峰頂?shù)纳疃群椭С虚L(zhǎng)度率曲線來(lái)表征表面粗糙度。1936年出版了Schmaltz論述表面粗糙度的專著,對(duì)表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)和數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化提出了建議。如今,在鑄造金屬方面,機(jī)械加工方面,粗糙度理論應(yīng)用已很廣泛,各國(guó)也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),文獻(xiàn)[10]給出了粗糙度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 粗糙度輪廓圖

銹蝕構(gòu)件除銹后其表面局部銹蝕引起的蝕坑形狀也是具有一定幾何形狀的,因此可以利用粗糙度理論對(duì)腐蝕后的表面進(jìn)行分析,即可以利用粗糙度作為金屬和合金點(diǎn)蝕的表征方法。

輪廓中心線Ra為損失后的截面平均值,輪廓谷深Yv為點(diǎn)蝕深度與輪廓中心線Ra之間距離;輪廓最大谷深Rm即為最大點(diǎn)蝕深度與輪廓中心線Ra之間的距離;輪廓高度Yp為蝕坑邊緣與輪廓中心線Ra的距離;輪廓最大高度Rp即為截面損失最小處與輪廓中心線Ra的距離;相鄰輪廓高度之間距離為點(diǎn)蝕尺寸,從而把點(diǎn)蝕與粗糙度很好地進(jìn)行了結(jié)合。

但是粗糙度理論有很多參數(shù),很難運(yùn)用某幾個(gè)參數(shù)對(duì)腐蝕構(gòu)件進(jìn)行安全評(píng)定,但可以借助粗糙度檢測(cè)儀來(lái)測(cè)量銹坑深度,從而為安全評(píng)定提供手段。

3 試驗(yàn)研究

從自然銹蝕低碳鋼構(gòu)件上切取部分,加工成拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件,一組共3個(gè)試件,在加入緩沖劑的 12%(質(zhì)量比)的鹽酸溶液中浸泡20min～30 min后,用鋼絲刷清除表面銹蝕產(chǎn)物,除銹前后的試件如圖4、圖5。

圖4 除銹前試件

圖5 除銹后試件

清水沖洗干凈后,用TR300粗糙度測(cè)量?jī)x分別測(cè)量其銹蝕表面輪廓,取樣長(zhǎng)度為15 mm,取樣間隔為1 μ m,采樣點(diǎn)數(shù)為15 000見圖6。

圖6 銹蝕表面輪廓

4 數(shù)據(jù)處理與分析

測(cè)出曲線后,可以采取如下計(jì)算方法:

假設(shè)蝕坑如圖7所示,將板面上銹蝕區(qū)域長(zhǎng)度Lx進(jìn)行等間距分割,假設(shè)進(jìn)行n等分,每段長(zhǎng)度為x,通過(guò)測(cè)量可得每一等分點(diǎn)處的銹蝕深度,計(jì)為d0,d1,d2,……dn-1,dn,如圖8所示。當(dāng)n足夠大時(shí),那么我們就可以認(rèn)為銹蝕損失面積可表示為:

對(duì)于復(fù)雜的銹蝕輪廓曲線,也可以在matlab中輸入數(shù)據(jù),對(duì)曲線進(jìn)行分段擬合,擬合后對(duì)曲線采用微積分,來(lái)求得面積損失,如下式:

圖7 板銹蝕輪廓示意圖

圖8 銹蝕面積求解方法示意圖

其中d是x的函數(shù),從而可以求得面積損失A。同樣,分段越細(xì),A值也就越精確。

根據(jù)粗糙度檢測(cè)儀測(cè)得數(shù)據(jù),利用公式(1),分別求出面積(a)、(b)、(c)損失為 13.77 mm2、17.96 mm2、21.95 mm2。

如今,在機(jī)器零件上對(duì)臺(tái)階、鍵槽、油孔、螺紋等處存在的應(yīng)力集中,常采用疲勞缺口系數(shù)來(lái)考慮其對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響,因?yàn)閼?yīng)力集中常導(dǎo)致在較低的名義應(yīng)力下產(chǎn)生疲勞斷裂[11],同時(shí)疲勞裂紋常常從零件表面開始,因此表面狀態(tài)對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響也較大[12],為表示應(yīng)力集中和表面加工對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響,引入疲勞缺口系數(shù)。

從而很好的解決了機(jī)械疲勞壽命的預(yù)測(cè)問(wèn)題[13]。

蝕坑對(duì)強(qiáng)度的影響可以仿效疲勞中缺口系數(shù)Kf來(lái)建立與強(qiáng)度等力學(xué)性能的退化模型,此處缺口系數(shù)Kf:

Kf與缺陷面積A值有關(guān),然而兩者之間關(guān)系,還在進(jìn)一步研究。

有了Kf后即可以進(jìn)行構(gòu)件安全評(píng)定,以腐蝕后受拉桿件為例:

式中:σ為應(yīng)力,N為拉力設(shè)計(jì)值,A為鋼材截面積,f為銹蝕前設(shè)計(jì)強(qiáng)度,從而可以看出通過(guò)Kf可以對(duì)銹蝕后構(gòu)件進(jìn)行安全評(píng)定。對(duì)于腐蝕后受彎等構(gòu)件,同樣可以在銹蝕前設(shè)計(jì)強(qiáng)度基礎(chǔ)上除以Kf系數(shù)來(lái)進(jìn)行安全評(píng)定。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文首次運(yùn)用粗糙度理論對(duì)鋼材表面點(diǎn)蝕進(jìn)行了分析,利用粗糙度檢測(cè)儀檢測(cè)出了蝕坑尺寸,并求出蝕坑缺陷面積,提出用缺口系數(shù)Kf來(lái)建立腐蝕鋼材強(qiáng)度退化模型,對(duì)腐蝕后鋼構(gòu)件安全評(píng)定進(jìn)行了初步探討。

[1]潘典書.銹蝕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受彎承載性能研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2009.

[2]張九淵,盧建樹,吳國(guó)章,等.應(yīng)用統(tǒng)計(jì)理論中的極值分布對(duì)鈍態(tài)金屬小孔腐蝕的研究[J].浙江工學(xué)院學(xué)報(bào),1991,2(4):3-9.

[3]張九淵,洪明庚,盧建樹,等.不銹鋼小孔腐蝕統(tǒng)計(jì)規(guī)律的研究[J].金屬科學(xué)與工藝,1992,(2):13-16.

[4]張九淵,盧建樹,洪明庚,等.孔蝕統(tǒng)計(jì)規(guī)律的對(duì)比研究[J].中國(guó)腐蝕與防腐學(xué)報(bào),1994,8(6):161-167.

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[10]GB3505-1983.表面粗糙度術(shù)語(yǔ)表面及其參數(shù)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1984.

[11]趙少汴.抗疲勞設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.

[12]Buch A.Fatigue strength calculation[M].Trans.Tech.Pub:Switzerland-Ger many-UK-USA,1988:35-127.

[13]趙少汴,王忠保.疲勞設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

Discussion on Indexes for Safety Assessment of Corrosion Steel Structures

ZHONG Hong-wei1,XU Shan-hua1,LI Jun2,KONG Zheng-yi1
(1.College of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an,Shaanxi710055,China;2.Anhui Haijie Construction Engineering Co.,Ltd.,Hefei,Anhui230051,China)

The surface corrosion on steel structures would cause the latent troubles in safety.The surface roughness theory is used here to analyze the pitting corrosion of steel,and the roughness tester is used for detection of the corrosion pit size,so the defecting area is calculated.At last,the notch coefficients is suggested to establish themodel of strength degradation for the corrosion steel.All these as mentioned above would provide a new idea for the safety assessment of steel structures.

corrosion steel member;safety assessment;corrosion pit;roughness;defect area;notch coefficient

TU503

A

1672—1144(2010)02—0006—03

2009-12-18

2010-01-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50778151);十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目(2006BAJ03A02);城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目、北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(EESR2009-06)

鐘宏偉(1977—),男(漢族),河南駐馬店人,碩士研究生,主要從事鋼結(jié)構(gòu)耐久性研究。

徐善華(1963—),男(漢族),江蘇南通人,教授,博導(dǎo),研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)可靠性。