在役拉吊索外護(hù)套損傷機(jī)理及壽命預(yù)測方法研究

楊世聰，張勁泉2,，姚國文

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.交通運輸部 公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引 言

外護(hù)套是拉吊索的主要防護(hù)組件之一，其劣化壽命直接影響整個拉吊索的服役壽命。拉吊索服役環(huán)境復(fù)雜，外護(hù)套極易劣化。通過調(diào)研以及文獻(xiàn)檢索，發(fā)現(xiàn)多數(shù)拉吊索換索原因是因為外護(hù)套破損嚴(yán)重，破損處的索體鋼絲直接暴露在服役環(huán)境中，在腐蝕性離子與交變荷載耦合作用下，索體鋼絲發(fā)生腐蝕-疲勞損傷,引起服役拉吊索可靠性降低(表1)。一些極端的外部環(huán)境，如：浙江臺州椒江二橋，由于附近存在海螺水泥廠，該地區(qū)酸雨濃度極大；云南、西藏等高原地區(qū)的紫外線很強(qiáng)，外護(hù)套劣化尤甚。所以，一些拉索的外護(hù)套在服役幾年就發(fā)生嚴(yán)重褪色、破損、開裂等現(xiàn)象。

表1 部分拉吊索病害調(diào)查Table 1 Disease investigation of partial pulling slings

拉吊索的設(shè)計壽命為30年，盡管設(shè)計者針對拉吊索的防護(hù)體系嘗試了多種方式，而從表1拉吊索病害及換索工程可看出，現(xiàn)有的防護(hù)手段均難以讓人滿意，拉吊索遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到理想的使用壽命。

國內(nèi)外針對PE(Polyethylene)外護(hù)套性能退化以及剩余壽命評估進(jìn)行了很多有價值的研究。國內(nèi)李國芬等[1]運用人工日光老化及鹽霧試驗對南京長江三橋的拉索HDPE(high density polyethylene)外護(hù)套進(jìn)行了材料耐環(huán)境應(yīng)力開裂(environmental stress crack resistance，ESCR)、自然老化及老化后微觀分析；張春雷等[2]通過人工日光老化試驗認(rèn)為應(yīng)變不是HDPE外護(hù)套嚴(yán)重開裂主要原因。國外M. PARSONS等[3]對應(yīng)變速率與HDPE慢速裂縫增長的相關(guān)性展開了研究；L. KURELEC等[4]建議HDPE耐環(huán)境應(yīng)力開裂由應(yīng)變強(qiáng)化模量來度量；R.SCHOUWENAARS等[5]研究了制作缺陷對HDPE管慢速裂紋增長和失效的影響；J. V. GULMINE等[6]運用紫外線和氙燈模擬人工老化試驗，結(jié)合電子顯微鏡分析了聚乙烯材料的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。以上對外護(hù)套劣化壽命的研究大都集中在試驗?zāi)M、理論推斷研究階段，而對在役拉吊索的外護(hù)套劣化壽命的研究不多。

在役拉吊索的外護(hù)套從原材料選擇到制作、安裝再到服役環(huán)境各階段，存在著很大差異和不確定性因素，而這些因素將直接或間接地影響外護(hù)套的劣化壽命。目前，外護(hù)套無論是設(shè)計階段的設(shè)計壽命還是服役期間的預(yù)估壽命，大都依據(jù)外護(hù)套原材料的試驗數(shù)據(jù)來推斷其劣化壽命，顯然缺乏理論支持。筆者分析了外護(hù)套損傷演化機(jī)理以及影響其使用壽命的多種因素，基于現(xiàn)場多次檢測的外護(hù)套數(shù)據(jù)，運用對數(shù)-概率作圖法預(yù)測外護(hù)套劣化壽命，探索一種預(yù)測在役拉吊索外護(hù)套的劣化壽命方法。研究結(jié)論可為拉吊索的設(shè)計、制作、養(yǎng)護(hù)以及換索決策提供參考。

1 外護(hù)套的損傷演化及其營運壽命的影響因素

1.1 外護(hù)套耐環(huán)境應(yīng)力開裂

在服役狀況下，拉吊索外護(hù)套長期暴露在外界腐蝕環(huán)境中，受到交變營運荷載、風(fēng)荷載、紫外線、溫度等多種不利因素耦合作用，隨時間的延長，外化套在一些比較薄弱的部位率先發(fā)生蠕變、破損、開裂等病害。外護(hù)套抵抗環(huán)境應(yīng)力開裂的能力稱為耐環(huán)境應(yīng)力開裂(ESCR)。耐環(huán)境應(yīng)力開裂的持續(xù)時間即劣化壽命[7]。

實驗室測定這種耐環(huán)境應(yīng)力開裂的方法是將表面帶刻痕的試樣彎曲后,置入特定的環(huán)境介質(zhì)中,觀察發(fā)生試件破損數(shù)目及相對應(yīng)的時間，然后采用作圖法,得到試樣在某工況下當(dāng)破損率達(dá)到50%的時間F50，該時間即試樣在此工況下的劣化壽命。

1.2 外護(hù)套破損病害誘因

1.2.1 原材料因素

目前，高密度聚乙烯標(biāo)準(zhǔn)中HDPE材料指標(biāo)多參考了電纜行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，HDPE材料性能與拉吊索實際所處的服役環(huán)境是否相符的相關(guān)研究不多。

正常情況下，拉吊索外護(hù)套原材料配方應(yīng)與其服役環(huán)境相匹配，尤其是一些極端的服役環(huán)境(海洋、紫外線強(qiáng)的高原地區(qū)等)。不同的外護(hù)套其原材料配方應(yīng)不同，使其具有不同的性能，以適應(yīng)不同的服役環(huán)境。但是，拉吊索外護(hù)套原材料一般選用聚乙烯材料，難以適應(yīng)拉吊索某些特定的服役環(huán)境[8]。

外護(hù)套材料中的樹脂是發(fā)生ESCR的主要誘因。為了滿足服役環(huán)境如酸雨、紫外線、溫差等的影響，外護(hù)套材料配方內(nèi)通常加入炭黑及抗氧劑等改性劑，但這些外加劑同時也弱化了外護(hù)套材料的ESCR性能。

炭黑是一種光屏蔽劑，吸收太陽光中波長為290～400 nm的紫外光。樹脂中摻加炭黑可避免紫外線侵入聚乙烯，阻止聚乙烯分子鏈分解及斷裂。但由圖1可看出，PE外護(hù)套的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能隨著炭黑摻量增加而降低，當(dāng)炭黑摻加超過1%時，外護(hù)套耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能呈直線降低，原因是炭黑的加入增加了分子間的距離,削弱了分子間的作用力。材料在外部營運荷載以及腐蝕環(huán)境耦合作用下更容易劣化。為此，在樹脂中加入炭黑的同時應(yīng)加入適量改性劑EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)，以提高外護(hù)套的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能。不同的服役環(huán)境，樹脂、炭黑、抗氧劑等改性劑的配比也不一樣。

圖1 炭黑摻量對PE護(hù)套料ESCR性能的影響Fig. 1 Influence of black carbon quantity on ESCR property of PE sheath material

1.2.2 生產(chǎn)控制溫度、盤卷及施工安裝因素

1)制作溫度。在生產(chǎn)過程中，預(yù)熱溫度、擠出機(jī)內(nèi)塑料溫度、模口塑料溫度的控制非常關(guān)鍵。拉吊索護(hù)套原材料是顆粒狀，經(jīng)擠塑機(jī)加熱揉化后被覆在鋼絲索股上〔圖2(a)〕，在原材料揉合過程中如果溫度過高，PE基料將發(fā)生炭化，索體表面非常光滑，但發(fā)生炭化的PE料必定縮短外護(hù)套的壽命；而溫度過低，PE顆粒得不到充分融化，沒有充分融化的顆粒潛伏在索體表面阻斷了樹脂分子相互之間的聯(lián)系，該處也最容易出現(xiàn)病害。

2)冷卻溫度。擠塑后，外護(hù)套溫度過高會出現(xiàn)表面毛糙、甚至開裂的現(xiàn)象，必須對其進(jìn)行降溫處理。在降溫過程中，如果降溫速率過快、不均勻,外護(hù)套將產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力和表面淬化，降低PE材料韌性，進(jìn)而外護(hù)套表面產(chǎn)生裂紋，失去防護(hù)效果。試驗證明，階梯式冷卻〔圖2(b)〕、逐節(jié)降溫能消除PE料包裹在鋼絲束上時的內(nèi)應(yīng)力和表面淬化問題，避免了PE外護(hù)套裂紋的產(chǎn)生。

圖2 外護(hù)套擠塑及冷卻工藝Fig. 2 Extrusion and cooling processes of external sheath

3)盤卷。黃芳瑋等[9]試驗驗證了盤卷因素對拉索的耐久性也有重大影響。出于打盤運輸?shù)男枰跛髦谱鲿r需進(jìn)行扭絞。扭絞角度大，拉吊索就可以以更小的直徑盤卷。但扭絞本身對外護(hù)套是有損傷的，因為拉吊索在受力時，索體鋼絲會伸長，經(jīng)過扭絞的鋼絲會退扭，外護(hù)套就會隨著鋼絲的退扭發(fā)生拉伸運動，隨著時間的推移，外護(hù)套即產(chǎn)生蠕變。試驗證明，扭絞角度在2～4° 范圍內(nèi)，鋼絲的扭絞對外護(hù)套的壽命影響最小，可以忽略不計。但對于長索，制造商為了便于運輸，將拉吊索的盤卷直徑減小(規(guī)范規(guī)定，拉吊索的盤卷直徑不小于其直徑的20倍)，相應(yīng)的鋼絲扭絞角度也就增大，有些拉索的扭絞角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過4°，這就為拉索破損埋下隱患。有些拉索在服役過程中出現(xiàn)45°斜線開裂，即是由于鋼絲的扭絞角度偏大而造成的。

4)施工安裝。在拉吊索施工安裝時，專用放索盤是保護(hù)拉吊索很好的方法。但也出現(xiàn)個別拉索施工因缺少專業(yè)的吊裝隊伍而野蠻施工，缺少對拉索采取必要的保護(hù)措施，甚至用卷揚機(jī)強(qiáng)行拖拽，造成護(hù)套裂開甚至鋼絲外露(圖3)[10]。這些都會造成拉索外護(hù)套在服役前就帶病工作，影響其服役壽命。

圖3 運輸、施工時外護(hù)套損傷Fig. 3 External sheath damage during transportation and construction

1.2.3 外部環(huán)境因素

1)交變應(yīng)力作用。拉吊索在營運過程中受到營運荷載、風(fēng)震等交變荷載的作用，當(dāng)交變荷載形成的彈性應(yīng)變能等于或大于外護(hù)套自身表面自由能之間能量時,外護(hù)套將產(chǎn)生破損和裂紋[11]：

(1)

式中：W為彈性應(yīng)變能，J；U為表面自由能，J；e為裂紋大小，μm。

2)環(huán)境作用，包括各種廢氣、酸雨作用，海水的鹽霧作用，紫外光作用等。

聚乙烯的光老化是紫外光在氧參與下的一系列復(fù)雜反應(yīng)的結(jié)果，這一過程又叫氧化光降解。300～400 nm的紫外光使聚乙烯呈激發(fā)狀態(tài)，但若有氧存在，則被激發(fā)的碳?xì)滏I易被氧脫除，然后按氧化反應(yīng)自由基鏈?zhǔn)綒v程進(jìn)行，這是一個由光能引發(fā)的自動氧化過程。紫外光對聚乙烯分子鏈的破壞，宏觀性能表現(xiàn)為斷裂標(biāo)稱應(yīng)變的下降，當(dāng)斷裂標(biāo)稱應(yīng)變的保留率小于50%時，外護(hù)套發(fā)生損壞。

2 外護(hù)套壽命預(yù)測方法

GB/T 1842—2008《塑料 聚乙烯環(huán)境應(yīng)力開裂試驗方法》中，聚乙烯環(huán)境應(yīng)力開裂的試驗方法沒有考慮外部的腐蝕環(huán)境和交變應(yīng)力耦合作用的影響，因此試驗室預(yù)測的劣化壽命相比于實橋偏大。

筆者以現(xiàn)場的多次檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，參考GB/T 1842—2008確定環(huán)境應(yīng)力開裂時間F50的方法，采用對數(shù)-概率坐標(biāo)作圖法預(yù)測F50，擬合外護(hù)套破損函數(shù)。對拉吊索外護(hù)套在外部腐蝕環(huán)境和交變應(yīng)力耦合作用下的劣化壽命F50進(jìn)行預(yù)測。

3 實例分析

西南某長江大橋為雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，橋跨為149 m + 330 m + 149 m，橋梁全長為631 m。索塔為倒Y型，全高為163 m；斜拉索呈扇形布置，全橋斜拉索有8種規(guī)格，共208根，分8個區(qū)域，每個區(qū)域26根。8個區(qū)域分別描述為：北塔上游邊、中跨，北塔下游邊、中跨，南塔上游邊、中跨，南塔下游邊、中跨。該橋于1997年建成通車。

研究人員于2004年、2006年、2009年分別對該橋進(jìn)行了檢測。采用爬索車進(jìn)行近距離目視檢查(圖4)，用數(shù)碼相機(jī)拍照及文字記錄相結(jié)合進(jìn)行記錄。

限于篇幅，筆者只列出了南塔上游邊、中跨拉索破損、開裂部位檢查結(jié)果，見表2。

圖4 檢測爬索車Fig. 4 Climbing detection vehicle

拉索編號2004年破損開裂2006年破損開裂2009年破損開裂拉索編號2004年破損開裂2006年破損開裂2009年破損開裂中1#1 11邊1#中2#1邊2#中3#113邊3#121中4#2邊4#13中5#1 14邊5#532中6#14邊6#中7#5邊7#121中8#2邊8#1111中9#2邊9#中10#邊10#中11#邊11#1中12#1邊12#中13#1 11邊13#中14#邊14#中15#邊15#1中16#邊16#中17#邊17#111中18#邊18#11中19#邊19#中20#1 11邊20#121中21#1 21邊21#11中22#邊22#11中23#邊23#中24#邊24#11中25#邊25#中26#邊26#

現(xiàn)場檢測的拉索外護(hù)套破損率f=x/(n+1),其中：n為拉索總數(shù)，根；x為拉索破損數(shù)，根。

圖5 外護(hù)套破損時間lg h與破損率f的關(guān)系Fig. 5 Relationship between lg h and f

根據(jù)筆者提出的方法，以破損時間h(單位：d)的對數(shù)lgh為縱坐標(biāo)，現(xiàn)場檢測的拉索外護(hù)套破損率f為橫坐標(biāo)，做出北塔、南塔的上游、下游的邊跨、中跨相應(yīng)的關(guān)系，如圖5。由圖5得出各拉索護(hù)套破損時間和破損率方程：

北塔上游邊跨：lgh=5.057 71 + 7.548f

北塔上游中跨：lgh=6.198 42 + 3.928f

北塔下游邊跨：lgh=6.191 67 + 5.619f

北塔下游中跨：lgh=6.368 24 + 3.359f

南塔上游邊跨：lgh=6.958 17 + 2.959f

南塔上游中跨：lgh=6.619 00 + 3.836f

南塔下游邊跨：lgh=7.004 72 + 2.538f

南塔下游中跨：lgh=6.165 79 + 4.650f

假設(shè)北塔下游邊跨拉索破損達(dá)到F50，即f=50%，根據(jù)方程得lgh=6.191 67+5.619 × 0.5=9.001 17，則服役年限y=h/365=22.2(a)。由于該橋北塔上游中跨和北塔下游中跨的拉索已達(dá)到F50，因此該橋的拉吊索外護(hù)套病害已非常嚴(yán)重。

4 結(jié) 語

筆者分析了影響在役拉吊索外護(hù)套壽命的多種因素，包括內(nèi)因(原材料)，及外因(制作、安裝、服役環(huán)境、營運荷載)等。采用對數(shù)-概率作圖法，結(jié)合現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，創(chuàng)新性地提出了一種評估在役拉吊索外護(hù)套剩余壽命的方法。實例分析證明：本文方法是可行的，研究結(jié)果可以為拉吊索的設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)以及換索的決策提供參考。

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