鋼結(jié)構(gòu)涂層受風(fēng)沙沖蝕程度評價和相似性分析

郝贠洪，任 瑩，段國龍，朱敏俠，楊風(fēng)利，張宏杰

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100055）

內(nèi)蒙古中西部地區(qū)位于中國北部邊疆，自西向東分布著六大沙漠和沙地，沙塵暴頻繁發(fā)生［1－3］.該地區(qū)沙漠周邊建有大量的通信塔、橋梁、輸電塔架等鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施，這些鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施表面的涂層長期受到風(fēng)沙環(huán)境的侵蝕作用而過早失效，使得鋼結(jié)構(gòu)外露銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性降低.

鋼結(jié)構(gòu)涂層受風(fēng)沙環(huán)境的侵蝕，實質(zhì)上是沙粒子對涂層的沖蝕磨損破壞.目前，對于風(fēng)沙環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕磨損機(jī)理、沖蝕磨損程度評價研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展［4－7］，但關(guān)于沖蝕時間與實際工況的相似性分析未見報道.本文通過氣流挾沙噴射法模擬了風(fēng)沙環(huán)境對鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕磨損情況，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，提出了評價涂層沖蝕磨損程度的評價公式，并運用相似性理論，將試驗結(jié)果與實際工況進(jìn)行了對比分析.所得結(jié)果可為工程實際中準(zhǔn)確評價鋼結(jié)構(gòu)涂層受風(fēng)沙侵蝕程度提供理論依據(jù).

1 試驗部分

1.1 沙粒特征及風(fēng)沙沖蝕力學(xué)參數(shù)

（1）試驗用沙取自內(nèi)蒙古中西部鄂爾多斯北部高原庫布齊沙漠，由篩分試驗可知，其中粒徑為0.05～0.25mm的沙粒含量1）本文涉及的含量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).達(dá)到了87%以上，粒徑為0.25mm以上和0.05mm 以下的沙粒含量都不足10%.使用光學(xué)顯微鏡對沙粒形狀進(jìn)行觀測后發(fā)現(xiàn)，沙粒基本呈圓形或橢圓形，只有少數(shù)的尖角粒子，這主要是由于沙粒在沙漠中長時間運動過程中相互撞擊和磨損造成的.

（2）風(fēng)沙沖蝕力學(xué)參數(shù)主要包括沖蝕速度、沖蝕角度、沖蝕濃度和沖蝕時間.根據(jù)內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的風(fēng)沙環(huán)境特征，沖蝕速度v 設(shè)定為13，16，18，20，23，26和30 m／s；沖蝕角度α 設(shè)定為15°，30°，45°，60°，75°和90°；沖蝕濃度采用下沙率M 來表示，設(shè)定為90，150和240g／min；沖蝕時間t設(shè)定為12min.

1.2 涂層制備

涂層材料為奔騰鐵紅醇酸防銹漆（底漆）和晨虹白色磁漆（面漆）.試樣基體為普通碳素鋼薄鋼板，尺寸為40mm×40mm.按照GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》中“鋼結(jié)構(gòu)涂裝工程”工藝要求進(jìn)行噴涂.涂層的干膜厚度為1 mm.按照GB／T 6739—1996《涂膜硬度鉛筆測定法》測定的涂層硬度為較低的B 級.按照GB／T 1731—1993《漆膜柔韌性測定法》，采用漆膜彈性儀來測定涂層的柔韌性，結(jié)果為4mm，說明其柔韌性較好.

1.3 沖蝕試驗裝置及測量方法

試驗裝置由高壓氣源系統(tǒng)、供沙系統(tǒng)、沖蝕系統(tǒng)三部分組成［8］.利用精密電子天平（可讀性d＝0.000 1g）測量沖蝕試驗前后鋼結(jié)構(gòu)涂層的質(zhì)量變化，據(jù)此確定沖蝕磨損質(zhì)量損失.

1.4 沖蝕試驗結(jié)果

圖1 涂層沖蝕磨損質(zhì)量損失與沖蝕角度的關(guān)系Fig.1 Relationship between erosion mass loss and erosion angle

圖1是在下沙率M 為90，150，240g／min，沖蝕速度v為20m／s，時間t為12min的條件下，涂層的沖蝕磨損質(zhì)量損失wt與沖蝕角度α的關(guān)系圖.由圖1可知，α為45°時涂層的沖蝕磨損質(zhì)量損失達(dá)到最大，α 為90°時涂層的沖蝕磨損質(zhì)量損失最小.這主要是因為，在低沖角時，涂層的硬度決定了沖蝕磨損質(zhì)量損失，在高沖角時，涂層的柔韌性決定了沖蝕磨損質(zhì)量損失.本試驗涂層的硬度較低，柔韌性較好，因此低沖角時的沖蝕磨損質(zhì)量損失大于高沖角時的沖蝕磨損質(zhì)量損失.

圖2 是在下沙率M 為150g／min，時間t 為12min條件下得出的沖蝕磨損質(zhì)量損失wt隨沖蝕速度v變化的曲線.由圖2可知，隨著沖蝕速度的增大，涂層的沖蝕磨損質(zhì)量損失也不斷增加，這是由于沖蝕速度增大會加大沙粒的沖蝕動能，加劇涂層的沖蝕磨損.

圖2 涂層沖蝕磨損質(zhì)量損失與沖蝕速度的關(guān)系Fig.2 Relationship between erosion mass loss and erosion speed

2 沖蝕磨損程度評價公式

以Bitter的沖蝕變形磨損理論［9－10］和文獻(xiàn)［5］中的評價公式為基礎(chǔ)，并根據(jù)涂層的物理力學(xué)性能以及沖蝕試驗結(jié)果，對文獻(xiàn)［5］中的評價公式進(jìn)行了調(diào)整，提出以下評價公式：

式中：wt，wc，wd分別為總沖蝕磨損質(zhì)量損失、切削沖蝕磨損質(zhì)量損失、變形沖蝕磨損質(zhì)量損失，g；ms為沙塵質(zhì)量，g；ε1，ε2為調(diào)整系數(shù)，ε1＝0.95，ε2＝1.05；α0為臨界沖蝕角，α0＝π／2n，其中n 為水平回彈率因素（當(dāng)α＝α0時，sin（nα0）＝1，則有n＝π／2α0），另外，當(dāng)α＜α0時，切削沖蝕磨損質(zhì)量損失大于變形沖蝕磨損質(zhì)量損失，當(dāng)α＞α0時，變形沖蝕磨損質(zhì)量損失大于切削沖蝕磨損質(zhì)量損失；ψ 為切削沖蝕磨損能耗因數(shù)，m2／s2；η 為變形沖蝕磨損能耗因數(shù)，m2／s2.根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算得出：ψ＝1.16×106m2／s2；η＝1.36×107m2／s2；n＝1.23；α0＝73.17°.

2.1 沖蝕磨損質(zhì)量損失與沖蝕角度的關(guān)系

設(shè)沖蝕速度為20m／s，沖蝕時間為12min，下沙率分別為90，240g／min；采用式（1），（2）計算不同沖蝕角度下的沖蝕磨損質(zhì)量損失并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示.

由圖3可見，2種下沙率下，計算數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)2條曲線的走勢都比較接近，說明由評價公式得出的計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合.因此利用本文提出的評價公式進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕磨損程度評價是可靠的.

2.2 沖蝕磨損質(zhì)量損失與沖蝕速度的關(guān)系

設(shè)下沙率為150g／min，沖蝕時間為12min，沖蝕角度α分別為45°，60°和90°，采用式（1），（2）計算不同沖蝕速度下的沖蝕磨損質(zhì)量損失并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示.

由圖4可見，3種沖蝕角度下，計算數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)2條曲線的走勢都比較接近，說明由本文提出的評價公式得出的計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合.因此利用本文提出的評價公式進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕磨損程度評價是可靠的.

首先，對決策矩陣規(guī)范化處理，按照式(3)～式(4)。求出每一指標(biāo)的理想解，構(gòu)造求取權(quán)重指標(biāo)的決策模型。根據(jù)式(5)～式(10)，應(yīng)用Matlab計算。求得權(quán)重結(jié)果為：

3 沖蝕試驗結(jié)果相似性分析

利用相似性理論把試驗結(jié)果與實際工況進(jìn)行對比，找到模擬試驗結(jié)果與實際風(fēng)沙環(huán)境對涂層沖蝕磨損的相關(guān)性，是將試驗結(jié)果應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)耐久性評估的一個關(guān)鍵問題［11］.

經(jīng)統(tǒng)計1990年～2012年內(nèi)蒙古中西部地區(qū)發(fā)生沙塵暴次數(shù)最多的年份為1990年和2004年，各有15次，最少是1991年、1994年和1997年，各有1次.根據(jù)氣象統(tǒng)計［12－14］，大范圍爆發(fā)強(qiáng)沙塵暴的標(biāo)準(zhǔn)是3個及以上觀測站的風(fēng)速≥20m／s，區(qū)域起沙量達(dá)7.8mg／（m2·s），1次沙塵暴中高風(fēng)速持續(xù)時間大部分在30min以內(nèi).如果考慮100m2范圍內(nèi)對1個鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響，經(jīng)計算該范圍內(nèi)的下沙率Mp應(yīng)達(dá)到46.8g／min.

以試驗中沖蝕速度vm＝30m／s，下沙率Mm＝360g／min，沖蝕時間t＝12 min 為例.根據(jù)動能公式：可知，決定風(fēng)沙粒子流動能的2個因素是其質(zhì)量和速度.現(xiàn)在速度是固定的，即模型速度vm＝30m／s，原型速度vp＝20m／s；模型中沙粒質(zhì)量是隨著時間的增加而增加的.因此，根據(jù)相似性理論［15－16］，先計算風(fēng)沙持續(xù)1min時各物理量的相似比.

圖4 不同沖蝕角度時沖蝕磨損質(zhì)量損失的計算數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison of calculated data with tested data of erosion mass loss at different erosion angles

由此可見，計算結(jié)果與相似理論相符.

以內(nèi)蒙古中西部地區(qū)1年發(fā)生1次強(qiáng)沙塵暴為例，模型的沖蝕時間t＝12min，原型的1次沙塵暴持續(xù)時間t＝30min.則模型與原型的動能比為：

即試驗中沙粒的動能約相當(dāng)于實際沙粒動能的7倍.換言之，12min的沖蝕磨損試驗對涂層的沖蝕損傷，相當(dāng)于該地區(qū)按照1年發(fā)生1次強(qiáng)沙塵暴的頻率，鋼結(jié)構(gòu)涂層經(jīng)受了83.0個月的沖蝕磨損.

由于沙塵暴年發(fā)生次數(shù)不定，所以對沙塵暴發(fā)生次數(shù)進(jìn)行了假設(shè).按照沖蝕速度為30m／s，下沙率為360g／min，沖蝕時間不同的試驗結(jié)果，可以推算出實際工況下鋼結(jié)構(gòu)涂層經(jīng)受風(fēng)沙沖蝕磨損的時間，如表1所示.

表1 按不同沖蝕時間下的試驗結(jié)果推算的實際工況下沖蝕磨損時間Table 1 Actual condition erosion time calculated by the experimental results at different erosion time

由于實驗室中不同下沙率對涂層的沖蝕磨損程度不同，按照沖蝕速度為30m／s，沖蝕時間為12min，下沙率不同的試驗結(jié)果，可以推算出實際工況下鋼結(jié)構(gòu)涂層受風(fēng)沙沖蝕磨損的時間，見表2.由表2可知，試驗中的下沙率越大，由試驗結(jié)果推算的實際工況中沖蝕磨損時間越長.

表2 按不同下沙率下的試驗結(jié)果推算的實際工況下的沖蝕磨損時間Table 2 Actual condition erosion time calculated by the experimental results at different sand－dose

4 結(jié)論

（1）鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕磨損質(zhì)量損失隨著沖蝕速度的增加而增加.

（2）在沖蝕角度為45°時涂層的沖蝕磨損質(zhì)量損失最大，而在90°時最小.

（3）由本文提出的評價公式計算的結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，說明利用該評價公式進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕磨損程度評價是可靠的.

（4）運用相似性理論對試驗結(jié)果進(jìn)行了分析，推算出了鋼結(jié)構(gòu)涂層在實際工況下的沖蝕磨損時間.

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