中性鹽侵蝕對球墨鑄鐵管法蘭連接抗彎影響

趙儉斌,王 啟,2,張延年,公彥法,穆鵬華

(1.沈陽建筑大學土木工程學院,遼寧 沈陽 110168;2.吉林建筑科技學院土木工程學院,吉林 長春 130114；3.中冀建勘集團有限公司,河北 石家莊 050200)

地下管道是城市生存發(fā)展的基礎。鑄鐵管強度高，耐久性能好，是地下管道材料的首選[1]。但土壤中的鹽離子，如Cl-半徑較小，可穿透防腐層滲入金屬基材。當 Cl-質量分數(shù)大于 0.515%時，局部腐蝕最為嚴重[2]。土壤pH值也屬于腐蝕評價指標，一般認為酸性越大越易腐蝕[3]。目前國內外對于受侵蝕管道力學性能已有過一定研究。K.Miyazaki等[4-8]對腐蝕后的管道進行了受彎特征分析，基本研究出腐蝕后管道的受彎破壞特征及腐蝕參數(shù)對地下管道有關失效荷載的影響，但其研究層面多集中于管道管體本身，且存在一定爭議。H.A.Atika等[9-10]先后提出了計算鑄鐵管內表面與外表面腐蝕應力強度因子的方法，對內壓和表面載荷作用下的裂紋及有腐蝕缺陷中的裂紋進行了分析。針對更易于受腐蝕的球墨鑄鐵管接口的研究，秦嚴嚴等[11-12]分別對球墨鑄鐵管柔性接口進行了抗拉與抗彎分析，得出了最大軸向拉力計算方法與抗彎力學模型。周靜海等[13]通過對承插式接口的拉拔試驗研究，建立了水壓和接口位移模型。谷偉等[14]通過堿性氯鹽溶液對球墨鑄鐵雙法蘭連接的腐蝕試驗,獲得了球墨鑄鐵管法蘭連接在堿性氯鹽侵蝕下的彎曲力學特征。球墨鑄鐵管本身具有良好的耐腐蝕性能，但管件之間的連接部分易受到侵蝕破知，當前研究多為管體本身及柔性接口抗腐蝕與力學性能研究，對于常用的球墨鑄鐵雙法蘭短管法蘭連接的研究較少。而球墨管法蘭連接易受土壤中Cl-侵蝕，在實際工程中存在安全隱患?；诖?，因中性土壤占有較大比重，筆者研究中性氯鹽腐蝕對球墨鑄鐵管法蘭連接的受彎性能影響，進行干濕循環(huán)腐蝕處理，然后對其進行抗彎試驗，對比不同腐蝕程度下各試件的極限承載力、極限彎矩、屈服彎矩和抗彎剛度，解決地下管道腐蝕的有關力學問題。

1 試 驗

1.1 試件設計

試件規(guī)格參數(shù)如表1所示，形狀及尺寸如圖1所示。根據《水及燃氣管道用球墨鑄鐵管、管件和附件》(GB/T 13295—2008),試件全部選用工程中常用的球墨鑄鐵管，連接螺栓為4.8級M16的普通螺栓。試件共6個，其中2個是標準試件，另外4個是經中性NaCl溶液不同循環(huán)次數(shù)處理后的試件，試件分組如表2所示。

表1 試件參數(shù)一覽表Table 1 Specimen parameters List mm

圖1 試件的形狀及尺寸Fig.1 The shape and dimensions of the specimen

表2 試件分組Table 2 Test group

1.2 試驗方案

中性鹽溶液為蒸餾水配制的質量分數(shù)3%的NaCl溶液，并在25 ℃加稀鹽酸調節(jié)到pH=7。干濕循環(huán)過程：先將試件浸泡在鹽溶液中12 h，后取出試樣，將其放置在溶液上方12 h。在干濕循環(huán)腐蝕結束后，先用稀硝酸去除管件上的腐蝕物，再用清水洗凈試件吹干。

1.3 加載方案

1.3.1 加載裝置

采用3等分兩點加載方式，在沈陽建筑大學結構試驗室完成。試驗裝置包括1 000 kN拉壓千斤頂、600 kN豎向反力架、承載車床、數(shù)據采集器等(見圖2)。

圖2 加載設備Fig.2 Loading equipment

試件上下為兩個厚50 mm鋼板焊接制成的弧形支座，且為防止弧形支座中間由于焊縫等凸起引起受力集中，在弧形處粘上一層10 mm厚橡膠。

1.3.2 測點布置

為了得到試件的整體的位移-荷載曲線。試驗過程共布置3個豎向位移計，管身6個，法蘭12個，共18個應變片，用來測量試件位移。a為管身測點布置；b為法蘭測點布置(見圖3)。

圖3 試件的測點布置Fig.3 Specimen measuring points

1.3.3 試驗加載

試驗采用分級加載,并進行預加載，以0.5 kN/s速率連續(xù)加載至4 kN，持荷2 min，然后再均勻卸載至零，記錄初始值。加載速率0.5 kN/s，每級荷載增量為5 kN，持荷2 min，待穩(wěn)定后記錄位移，再進行下一級加載，直至試件破壞，然后均勻卸載至零。

2 試驗現(xiàn)象

加載過程中，試件的變形相差不大。試件先經歷彈性階段，該階段法蘭接口的主要變形來自于上部橡膠墊圈擠壓。試件的屈服階段有一定差異，試件現(xiàn)象如表3所示，試件破壞情形如圖4所示。

圖4 試件破壞情形Fig.4 Destruction scenario of specimen

表3 試件現(xiàn)象Table 3 Phenomena of specimen during test

標準試件在屈服階段出現(xiàn)響聲是因為螺帽擠壓螺桿上的螺紋，而經侵蝕后的試件因腐蝕生銹，未出現(xiàn)聲響。標準試件屈服階段主要變形來自螺栓中螺帽的滑絲。隨著施加荷載的增大跨中撓度也逐漸加大，法蘭連接的下端可以看出明顯的變形。試件B-ZY-25與試件B-ZY-50可以明顯在加載中看到法蘭下部與下部螺栓擠壓，螺帽陷入法蘭中。而試件B-ZY-75與B-ZY-100沒有明顯看到螺帽陷入法蘭中。

3 結果分析

3.1 試驗結果

試件彎矩的計算式：

式中：M中為跨中彎矩；F為荷載;L為長度。

試件彎矩值如表4所示。

表4 試件彎矩Table 4 Bending moment of specimen

圖5為彎矩-跨中撓度曲線。

圖5 試件的彎矩-跨中撓度曲線Fig.5 Moment-deflection curves of specimen

經侵蝕試件的屈服彎矩、極限彎矩、極限彎矩與屈服彎矩的比值均隨著侵蝕次數(shù)的增加而減小。

3.2 承載力分析

圖6為極限承載力衰減曲線。標準件的極限承載力并不是最大，是因為標準試件由于螺栓的滑絲，沒有像經過腐蝕處理的試件破壞產生于法蘭盤與管身連接處。但對比經腐蝕處理的試件可見，隨著干濕循環(huán)侵蝕次數(shù)的增多，試件承載力逐漸下降，腐蝕確會大幅降低球墨鑄鐵管道的承載能力。

圖6 極限承載力衰減曲線Fig.6 Ultimate strength decay curves

3.3 抗彎剛度分析

圖7為試件的抗彎剛度曲線，試件抗彎剛度隨荷載增大呈明顯的反比例關系，而隨著侵蝕程度的加劇亦有減小的趨勢。干濕循環(huán)侵蝕下試件的抗彎剛度受到較大影響，使得試件破壞時變形過大。

圖7 試件的抗彎剛度Fig.7 Flexural rigidity of the specimen

3.4 應變分析

3.4.1 法蘭盤應變分析

法蘭應變如圖8所示。法蘭盤布置應變片12個，序號1-12，以逆時針為序。其中應變片5、6布置在下部螺栓周圍，以測量受拉螺栓對法蘭盤的影響；應變片11、12布置在上部螺栓周圍，以測量受壓螺栓對法蘭盤的影響。

圖8 法蘭盤應變分布Fig.8 Strain curves of flange plate

通過法蘭盤的應變分布可知，應變隨荷載增大，變化較大。在達到屈服階段后，應變速率加劇。比較各處應變絕對值發(fā)現(xiàn)，整體上，法蘭盤受拉螺栓周圍布置的應變片4、5、6、7應變相對較大，法蘭盤受壓螺栓周圍布置的應變片1、10、11、12應變較小，其他位置應變介于二者之間，越靠近螺栓處應變越大，是因為螺栓孔位置存在應力集中。

3.4.2 管身應變分析

布置應變片6個，序號13-18，于法蘭盤根部與距法蘭盤80 mm的管身處，并分別在管身的上、中、下部對稱布置。其中應變片13、14布置在管身上部受壓側，應變片13緊貼法蘭盤，應變片14距法蘭盤88 mm，以測量管身受壓側的應變；應變片17、18布置在管身下部受拉側，應變片17緊貼法蘭盤，應變片18距法蘭盤88 mm。以測量管身受拉側的應變。圖9為管身應變分布。管身應變隨荷載增大，變化明顯，進入屈服階段后應變速率加快。管身上部和下部受壓、拉作用較大的部位應變較大。整體上受壓側應變片13、14的應變大于受拉側應變片17、18的應變，分析試件頂部受壓區(qū)在加載過程中出現(xiàn)局部屈曲破壞，致使變形過大。

圖9 管身應變分布Fig.9 Strain curves of the pipe surface

為避免受壓區(qū)存在屈曲破壞對法蘭近端與遠端應變大小對比的干擾，僅對比受拉區(qū)應變片17與18可以發(fā)現(xiàn)，法蘭盤近端的應變整體上小于法蘭盤遠端的應變。

整體上管身中部的應變遠大于法蘭處，因此管身的變形明顯大于法蘭連接的變形。而試驗過程觀察發(fā)現(xiàn)，試件破壞從法蘭盤根部開始，驗證法蘭連接處更易受腐蝕而破壞，是整個球墨管道的薄弱點。

通過各組試件間應變分布對比可知，隨著侵蝕次數(shù)的增加，應變有增大的趨勢，即受腐蝕程度加深會使得構件破壞變形加劇，若周圍有相鄰建(構)筑物，如基礎、管廊等，可能會對其產生附加應力，造成工程事故。

3.5 法蘭接口的安全儲備分析

通過極限彎矩和屈服彎矩及其比值(見表4)，可以發(fā)現(xiàn)經腐蝕處理的試件，其極限彎矩與屈服彎矩的比值約在1.3左右，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而變小。是因為腐蝕次數(shù)增加使管壁變薄，極限彎矩比屈服彎矩下降略快，此外螺栓銹跡更重導致屈服極彎矩相對于極限彎矩增大。

4 結 論

(1)地下球墨鑄鐵管道最易腐蝕部位為其法蘭連接處，隨著腐蝕程度加大，試件彎曲撓度越大，法蘭盤變形越明顯，彈性階段縮短，更趨向脆性破壞，僅考慮受腐蝕試件，其極限承載力亦隨之降低，試件中間法蘭連接受彎下降，兩端上翹，變形更大，破壞后果加劇。

(2)隨著荷載增大，試件抗彎剛度呈明顯的反比例關系，而隨著腐蝕程度的加劇亦有減小的趨勢。

(3)法蘭界面的極限彎矩與屈服彎矩的比值隨著腐蝕加劇而變小，其安全儲備也越小。

(4)對于法蘭盤而言，越靠近螺栓處，其應力集中越大，越易破壞，同時受腐蝕程度加深會使得構件破壞變形加劇。對于管身而言，受腐蝕后上部受壓區(qū)發(fā)生屈曲破壞，同樣產生較大變形，甚至可能對相鄰建(構)筑物產生附加壓力而存在隱患。