橋梁纜索高強(qiáng)鋼絲均勻腐蝕及點蝕的規(guī)律

蔣 超，吳 沖，姜 旭

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

吊桿、拉索是索承式橋梁的重要受力構(gòu)件，其耐久性直接影響著橋梁結(jié)構(gòu)的安全性.近20年來，我國已有多座橋梁在服役15年內(nèi)更換了吊桿或拉索，包括宜賓南門大橋、廣州海印大橋、江陰長江大橋等[1].吊桿、拉索更換的原因與其內(nèi)部鋼絲嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象有關(guān)[2-3].在腐蝕影響下，鋼絲力學(xué)性能大幅下降，威脅著吊桿和拉索的使用安全.

纜索高強(qiáng)鋼絲的腐蝕類型可以分為均勻腐蝕與局部腐蝕，局部腐蝕以點蝕為主.均勻腐蝕減小了鋼絲截面，削弱了鋼絲承載力等靜力性能[4]；點蝕產(chǎn)生的蝕坑會形成裂紋萌生源，減小鋼絲的疲勞壽命[5].因此，纜索高強(qiáng)鋼絲腐蝕規(guī)律是研究鋼絲力學(xué)性能衰退規(guī)律、建立力學(xué)性能時變模型的關(guān)鍵.

國內(nèi)外很多學(xué)者對鋼材料的腐蝕規(guī)律進(jìn)行了研究.Melchers[6]提出了低合金鋼腐蝕深度均值及標(biāo)準(zhǔn)差的雙線性模型.Linder等[7]給出了碳鋼在海水中均勻腐蝕深度的冪函數(shù)模型.曹楚南[8]給出了碳鋼在我國部分地區(qū)大氣下的腐蝕數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)同樣遵循冪函數(shù)規(guī)律.點蝕方面，Aziz[9]、Shibata[10]采用極值統(tǒng)計分析和分塊極值模型對最大點蝕深度進(jìn)行了研究，該方法將試驗數(shù)據(jù)按表面積進(jìn)行分塊，記錄每塊區(qū)域的最大點蝕深度，發(fā)現(xiàn)最大點蝕深度符合極值I型分布(Gumbel分布).Stewart等[11]采用點蝕系數(shù)——最大點蝕深度與均勻腐蝕深度的比值來定義點蝕程度，并給出了點蝕系數(shù)與不同分布形式的比較.上述研究為纜索高強(qiáng)鋼絲均勻腐蝕及點蝕規(guī)律提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù).但高強(qiáng)鋼絲與上述研究對象材料不同，鍍鋅與冷拔過程極大地提高了鋼絲的抗腐蝕能力，同時以往研究對象大部分采用板件形式，腐蝕規(guī)律是否適用于鋼絲尚未可知.Li等[12]采用輪廓粗糙度儀對高強(qiáng)鋼絲的腐蝕規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了高強(qiáng)鋼絲均勻腐蝕及點蝕模型，但研究對象腐蝕程度較輕，該方法的適用范圍和有效性尚未得到充分檢驗.

基于此，本文采用酸性鹽霧試驗得到了6組共30根不同腐蝕程度的鋼絲試件，試件最大質(zhì)量損失率超過15%，研究了鋼絲均勻腐蝕深度隨時間的發(fā)展規(guī)律.通過三維掃描技術(shù)，獲取了腐蝕鋼絲表面三維數(shù)據(jù)，探究三維數(shù)據(jù)的處理方法，分析了點蝕深度的分布規(guī)律，建立最大點蝕深度的預(yù)測模型，為定量研究鋼絲力學(xué)性能衰退規(guī)律提供參考.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

橋梁纜索高強(qiáng)鋼絲試件采用江蘇法爾勝纜索有限公司提供的B87MnQL型號鋼絲盤條切割而成，鋼絲化學(xué)成分如表1所示.試件直徑為7 mm，鍍鋅層厚度約50 μm，長度取500 mm.由于考慮后續(xù)疲勞試驗的要求，鋼絲兩端各包裹長度為100 mm的膠帶以避免腐蝕，并內(nèi)置標(biāo)簽記錄編號，因此實際腐蝕區(qū)域長300 mm.試驗采用冰乙酸混合氯化鈉溶液的酸性鹽霧進(jìn)行人工加速腐蝕，按標(biāo)準(zhǔn)《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗：GB/T 10125—2012》[13]進(jìn)行，用來模擬橋梁結(jié)構(gòu)可能處在的近海環(huán)境.腐蝕溶液的氯化鈉質(zhì)量濃度為(50±5)g·L-1，pH值為3.0，鹽霧環(huán)境溫度提高到(50±2)℃，以進(jìn)一步提高鋼絲腐蝕速率.

表1 纜索高強(qiáng)鋼絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of high-strength bridge wires

鋼絲試件分為A～F共6組，每組5根鋼絲，鹽霧腐蝕的時長隨編號遞增，具體腐蝕時長如表2所示.部分A組和F組的預(yù)腐蝕鋼絲試件如圖1所示.從圖中可以很明顯地看出，A組試件表面尚存在白色的鋅銹，而F組試件表面已經(jīng)堆滿了疏松的紅褐色鐵銹，試件表面粗糙度較高.

表2 纜索高強(qiáng)鋼絲腐蝕時長Tab.2 Corrosion time of high-strength bridge wires

a A組b F組

1.2 質(zhì)量損失與均勻腐蝕深度計算

每組試件腐蝕完成后，立即從鹽霧箱內(nèi)取出，并按照標(biāo)準(zhǔn)《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除：GB/T 16545—2015)》[14]進(jìn)行試件清洗.先在流水中用軟毛刷進(jìn)行輕微機(jī)械清洗，去除附著不牢固或疏松的腐蝕產(chǎn)物，然后在25 ℃室溫下將試件浸在酸洗液中清洗10 min.最后，用自來水、蒸餾水、乙醇依次沖洗，吹風(fēng)機(jī)吹干后冷卻至室溫.酸洗液采用規(guī)范[14]規(guī)定的鐵或鋼的清洗溶液，由500 mL濃鹽酸、3.5 g六次甲基四胺以及適量蒸餾水配制而成.

考慮到無腐蝕鋼絲試件在酸洗液中也會產(chǎn)生質(zhì)量損失，試驗設(shè)置3根未腐蝕的對照試件，故腐蝕鋼絲的質(zhì)量損失率可以表達(dá)為

(1)

式中：ηnk為腐蝕時間k時的第n根鋼絲的質(zhì)量損失率；mn0、mnk分別為第n根鋼絲腐蝕前和腐蝕時間k時的質(zhì)量；le為試件實際腐蝕長度，為300 mm；ln為試件總長度，為500 mm；mc1、mc2分別為對照試件初始質(zhì)量和清洗后的質(zhì)量.

根據(jù)鋼絲試件的質(zhì)量變化，均勻腐蝕深度可通過質(zhì)量與面積損失的關(guān)系推導(dǎo)得出

(2)

式中：ρ為材料密度，考慮到鋼和鋅密度相近，且鍍鋅層未耗盡時就會產(chǎn)生鋼、鋅的共同腐蝕，ρ統(tǒng)一取鋼的密度；D為鋼絲直徑；du,nk為腐蝕時間k時的第n根鋼絲的均勻腐蝕深度.當(dāng)du,nk?D時，均勻腐蝕深度可簡化為

(3)

1.3 三維掃描及數(shù)據(jù)處理

試驗采用北京天遠(yuǎn)三維科技有限公司生產(chǎn)的照相式三維掃描儀對鋼絲試件進(jìn)行掃描，掃描儀型號為OKIO-5M，儀器最高測量精度為5 μm，平均采樣間距最小為40 μm，滿足分析的精度要求.掃描步驟為：試件涂抹顯像劑并干燥，通過支架將腐蝕鋼絲試件固定，調(diào)整掃描精度開始掃描，掃描好后將試件翻轉(zhuǎn)90°繼續(xù)掃描，從而獲得整根試件的表面三維數(shù)據(jù).鋼絲掃描數(shù)據(jù)通過三維軟件Geomagic Studio顯示的圖像如圖2所示.

a 整體b 局部

表面三維數(shù)據(jù)以三角形網(wǎng)格的方式存儲于文件中.該文件無法直接輸出點坐標(biāo)，需要使用逆向工程軟件進(jìn)行處理.本文采用軟件NX Imageware進(jìn)行點云處理，并結(jié)合軟件AutoCad獲取點坐標(biāo).具體步驟如下：步驟1，通過平移和旋轉(zhuǎn)調(diào)整鋼絲試件，采用平面徑向上切割三角形網(wǎng)格，生成每個切面上的點云；步驟2，采用內(nèi)插法曲線，通過點云生成切面的輪廓曲線；步驟3，通過輪廓曲線構(gòu)建均勻分布的點云，導(dǎo)出成dxf文件，通過軟件AutoCad的數(shù)據(jù)提取功能生成點云坐標(biāo).

通過步驟2、3，可以將切面上數(shù)量眾多且間距不一的點云轉(zhuǎn)換為給定數(shù)量的等間距點云.本文徑向上切割的間距為0.25 mm；每個輪廓曲線上構(gòu)建120個點，即截面每隔3°取1個點.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 均勻腐蝕深度

A～F組試件均勻腐蝕深度的統(tǒng)計特性如表3所示.隨著腐蝕時間的增加，鋼絲均勻腐蝕深度的均值增大，變異系數(shù)減小.A組試件的變異系數(shù)遠(yuǎn)大于其他組，原因是一方面鍍鋅層尚未完全耗盡，部分鋼絲基體與尚存的鍍鋅層同時受到腐蝕，腐蝕速率不穩(wěn)定，腐蝕深度不確定性較大；另一方面是鋼絲均勻腐蝕深度較小，對腐蝕深度的波動更敏感.

所有鋼絲試件均勻腐蝕深度隨腐蝕時長變化的關(guān)系如圖3所示，兩者呈非線性關(guān)系，均勻腐蝕深度的增長速度逐漸減慢.采用冪函數(shù)來擬合試驗數(shù)據(jù)，得到試件均勻腐蝕深度隨腐蝕時長的變化關(guān)系為

du(t)=1.009t0.764

(4)

表3 均勻腐蝕深度統(tǒng)計特性Tab.3 Statistical properties of uniform corrosion depth

圖3 均勻腐蝕深度隨腐蝕時長變化關(guān)系Fig.3 Uniform corrosion depth versus exposure time

擬合曲線以及95%的置信區(qū)間如圖3所示.可以看出，纜索高強(qiáng)鋼絲在腐蝕下均勻腐蝕深度同樣遵循冪函數(shù)規(guī)律.

2.2 點蝕深度

根據(jù)徑向與周向上的等間距點云坐標(biāo)，可以得到試件任意角度下的表面輪廓線.以試件F-1為例，所選角度為0°、90°、180°、270°的輪廓線如圖4所示，角度為鋼絲圓周面上的旋轉(zhuǎn)角度，取靠近掃描儀的水平方向為0°.從圖中可以看出，同一根鋼絲在不同角度下的腐蝕情況相差較大，角度為0°、180°的表面鋼絲腐蝕情況好于角度為90°、270°的表面.因此，僅根據(jù)有限個角度下的表面輪廓線無法精確計算鋼絲的腐蝕情況.

基于每個試件120條輪廓線，可以得到腐蝕鋼絲的腐蝕深度等高線.以試件C-1為例，等高線如圖5所示.從圖中可以看出明顯的蝕坑分布，腐蝕時長為997 h時，部分蝕坑深度已超過300 μm.

a 0°

b 90°

c 180°

d 270°圖4 試件不同角度下的表面輪廓線Fig.4 Surface profiles

圖5 試件C-1腐蝕深度等高線Fig.5 Contour of corrosion depth

每個試件120條輪廓線構(gòu)成了試件的表面輪廓二維矩陣，對矩陣進(jìn)行蝕坑識別，可以得到蝕坑長、寬、深度的信息，從而對蝕坑三維進(jìn)行統(tǒng)計分析.經(jīng)過假設(shè)檢驗發(fā)現(xiàn)，正態(tài)分布對于各組試件的點蝕深度均能通過顯著性水平為95%的K-S檢驗.正態(tài)分布的概率密度函數(shù)表達(dá)式為

(5)

式中：μ和σ均為分布參數(shù).不同腐蝕時長試件的點蝕深度分布見圖6.圖中點蝕深度正態(tài)分布模型的概率密度函數(shù)向右移動且寬度逐漸變大，表明點蝕深度的均值和離散度隨腐蝕程度的增加而增大.

圖6 試件點蝕深度分布Fig.6 Distribution of corrosion depth

試件分布參數(shù)與質(zhì)量損失率的關(guān)系如圖7、8所示.考慮到質(zhì)量損失率為0%時分布參數(shù)均為0，因此，同樣采用冪函數(shù)來擬合分布參數(shù).表達(dá)式分別為

圖7 μ與質(zhì)量損失率的關(guān)系Fig.7 μ versus weight loss

圖8 σ與質(zhì)量損失率的關(guān)系Fig.8 σ versus weight loss

(6)

式中：η為質(zhì)量損失率.

3 最大點蝕深度模型

3.1 模型推導(dǎo)

最大點蝕深度是影響腐蝕構(gòu)件疲勞壽命的決定性因素，準(zhǔn)確的最大點蝕深度預(yù)測模型是建立腐蝕構(gòu)件疲勞衰退模型的基礎(chǔ).根據(jù)上文分析可知，纜索高強(qiáng)鋼絲點蝕深度服從正態(tài)分布，分布參數(shù)可通過鋼絲質(zhì)量損失率結(jié)合式(4)、(5)計算得到.點蝕深度的概率密度函數(shù)如式(3)所示，分布函數(shù)的表達(dá)式為

(7)

最大點蝕深度模型與點蝕深度模型的最值模型等價，可以通過點蝕深度模型的尾部分布推導(dǎo)

(8)

當(dāng)x→+∞時，

(9)

所以正態(tài)分布的尾部深度服從極值I型分布(Gumbel分布)[15].極值I型分布的分布函數(shù)形式為

(10)

式中：a為尺度參數(shù)；b為位置參數(shù).

當(dāng)蝕坑個數(shù)n較大時，可以解得模型參數(shù)為[16]

(11)

蝕坑個數(shù)n經(jīng)試驗結(jié)果統(tǒng)計分析可得

(12)

式中：L為鋼絲長度，m；η為質(zhì)量損失率.

3.2 模型驗證

根據(jù)各試件點蝕深度模型的參數(shù)及蝕坑個數(shù)，可以計算得到試件最大點蝕深度dp max服從的極值I型分布參數(shù).在已知分布下，通過蒙特卡洛模擬生成符合該分布的1 000個隨機(jī)數(shù)，模擬值與實測最大點蝕深度如表4所示.從表中可以看出，30個試件中僅有4個試件的最大點蝕深度超出了模擬生成的最大點蝕深度最值區(qū)間，且誤差均小于10%，分別為0.68%、-0.37%、-9.10%和-7.89%.其余試件中，13個試件處于模擬的95%區(qū)間內(nèi)，13個試件處于最值區(qū)間內(nèi).表4表明，本文推導(dǎo)得出的最大點蝕深度模型與實測值吻合良好.

3.3 實例分析

以杭州灣大橋北航道橋某拉索為例，該拉索截面包含109根鋼絲，鋼絲長98 m，直徑為7 mm.分析中將拉索護(hù)套出現(xiàn)輕微破損、護(hù)套內(nèi)開始出現(xiàn)水氣、鋼絲與外部腐蝕環(huán)境開始接觸的時間點設(shè)為零點.

杭州灣大橋拉索鋼絲處于海水潮濕環(huán)境下.鍍鋅層在海水飛濺區(qū)的腐蝕速率為13.38 μm·年-1，50 μm厚的鍍鋅層將于3.74年后耗盡[17].設(shè)實際環(huán)境與試驗環(huán)境的換算系數(shù)為k，即實際環(huán)境中1年相當(dāng)于試驗環(huán)境小時k，那么

du(t)=1.009(3.74k)0.764=50 μm

k=44.24 h

(13)

因此實際環(huán)境中，鋼絲的均勻腐蝕深度如圖9所示，腐蝕30年后，拉索高強(qiáng)鋼絲的均勻腐蝕深度接近250 μm，鋼絲直徑減小7.01%，截面橫截面積減小13.53%.

圖9 拉索鋼絲均勻腐蝕深度Fig.9 Uniform corrosion depth

表4 預(yù)腐蝕纜索高強(qiáng)鋼絲最大點蝕深度預(yù)測結(jié)果Tab.4 Model prediction of maximum pitting depth of pre-corroded bridge wires

注：△代表實測值處于預(yù)測最值區(qū)間內(nèi)，但在預(yù)測95%區(qū)間外；○代表實測值處于預(yù)測95%區(qū)間內(nèi).

根據(jù)式(6)，可以計算得到不同腐蝕年份下鋼絲點蝕深度的模型參數(shù)，結(jié)合式(11)和(12)，即可求得最大點蝕深度的模型參數(shù).杭州灣大橋拉索鋼絲在實際環(huán)境下的最大點蝕深度分布如圖10所示，腐蝕30年后，拉索高強(qiáng)鋼絲的最大點蝕深度超過550 μm.

圖10 拉索鋼絲最大點蝕深度分布Fig.10 Distribution of maximum pitting depth

4 結(jié)論

本文采用酸性鹽霧試驗制備了不同腐蝕程度的橋梁纜索高強(qiáng)鋼絲，通過質(zhì)量分析、三維掃描等手段，研究了腐蝕鋼絲均勻腐蝕及點蝕的演變規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)纜索高強(qiáng)鋼絲在腐蝕下均勻腐蝕深度隨腐蝕時長的變化同樣遵循冪函數(shù)規(guī)律，均勻腐蝕深度的變異系數(shù)隨腐蝕時長減小.

(2)明確了鋼絲三維掃描的數(shù)據(jù)處理方法，鋼絲的點蝕深度服從正態(tài)分布，建立了以質(zhì)量損失率為變量的點蝕深度模型.

(3)建立了鋼絲最大點蝕深度預(yù)測模型，試驗結(jié)果與預(yù)測值的對比驗證了模型的準(zhǔn)確性.

(4)以實橋為例，分析了在實際腐蝕環(huán)境下拉索鋼絲均勻腐蝕深度以及最大點蝕深度的變化，為定量研究拉索腐蝕后的使用壽命提供了參考.