富集氯離子環(huán)境中海洋工程鋼絲繩吊索結(jié)構(gòu)腐蝕性能分析

◎曹欣 中國船級社實業(yè)有限公司深圳分公司

1.案例工況

在對不同濃度下氯離子給吊索鋼絲繩造成的腐蝕速率進行分析時，將氯離子的濃度設(shè)置成為變量，其余因素不做任何的改變，以氯化鈉預(yù)沉積法設(shè)置的氯化鈉濃度為依據(jù)，設(shè)置出四種不同的工況，分別對3天、7天和15天的腐蝕失重情況進行測量，具體得出結(jié)論詳見表1。

表1 試驗工況的具體內(nèi)容

2.試驗材料與方法

2.1 試樣的選擇及處理

在對碳鋼腐蝕性能進行試驗的過程中，使用的主要試件為矩形鋼片，吊索截面的形狀以不規(guī)則狀為主，鋼絲與外側(cè)鋼絲的接觸縫隙是吊索的主要腐蝕面。為了使試件的腐蝕狀態(tài)變得更加接近實際情況，結(jié)合大橋吊索的相關(guān)設(shè)計參數(shù)信息，選擇使用鋼絲繩試樣；直徑為6cm的吊索是大橋的主要施工材料，吊索的根數(shù)設(shè)置為900多根，結(jié)構(gòu)設(shè)置為8×41SW+IWR，西魯式設(shè)置為S，瓦林吞式設(shè)置為W，對鋼絲繩的燒制方式進行充分的體現(xiàn)；西魯瓦林吞式設(shè)置為SW，鋼芯設(shè)置為IWR。吊索鋼絲繩截面的具體情況詳見圖1。

圖1 大橋吊索截面圖示

探索型試驗是該試驗前期的主要形式，對現(xiàn)存的試驗設(shè)備進行充分分析以后，最后選擇使用與大橋吊索繞制模式一樣的方式，試樣為直徑比較小的鋼絲繩。鋼絲繩的最小和最大破斷力分別設(shè)置為160kN和180kN。6×36WS+IWR是其結(jié)構(gòu)的主要類型，直徑設(shè)置為1.6cm。鋼絲繩截面的具體情況詳見圖2。

圖2 試驗使用的鋼絲繩截面圖示

處理試樣：將試樣全部處理成為小段，長度大約為10cm，試樣放入到洗滌液里，使用刷子清理干凈試樣表面雜質(zhì)，用清水沖洗，再放入到丙酮溶液中，利用超聲完成再次清洗工作，烘干。

2.2 試驗方法

試樣選擇鋼絲繩的主要原因為大氣會給吊索造成不同程度的腐蝕，腐蝕部位以鋼絲繩表面鋼絲裸露在外的部位為主，其保護層易于出現(xiàn)破壞的情況。該試樣只清除了表面的黃油保護層，試樣為鋼絲繩，而不是鋼絲，這就與實際情況更加接近。

氯化鈉預(yù)沉積法需要先對試樣進行稱重和編號，配置好不同比例的氯化鈉溶液，將其中的0g/L溶液設(shè)置為對照組。在各中濃度的溶液中放入試樣，浸泡一分鐘后立即取出，使用吹風機將其吹干。每一種工況設(shè)置的試樣數(shù)量分別為13個，在不同的時間段完成表面微觀狀況和腐蝕失重情況的觀測，將黃油涂抹在試樣的兩端，防止試樣兩端截面出現(xiàn)被銹蝕的情況。

將密閉試驗箱放置在溫室中，使得試驗的濕度和溫度得到了高效的控制，試驗箱的主要材質(zhì)為透明的亞克力板，試驗箱中設(shè)置試驗架，將試樣懸掛在試驗架上。在對溫室內(nèi)的溫度進行控制時，使用的裝置為加熱裝置和溫控器，使用加濕器和溫控器實現(xiàn)對試驗箱中濕度的高效控制。在試驗箱的試驗架上使用塑料繩將試樣懸掛好，試驗的主要方法為干濕循環(huán)法。

2.3 結(jié)果與分析

（1）試驗時間達到3天、7天和15天時，在不同濃度氯離子的環(huán)境中，鋼絲繩的腐蝕情況出現(xiàn)了不均勻的情況，鋼絲繩端部結(jié)構(gòu)的顏色比較深，呈現(xiàn)出松散的狀態(tài)，腐蝕產(chǎn)物也很多，鋼絲繩中間纏繞位置的顏色則比較淺，以鋼絲繩基質(zhì)為主，腐蝕產(chǎn)物也很少。鋼絲繩股與股纏繞的結(jié)合位置處腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)了大量的堆積，碳鋼鋼片的腐蝕情況比較弱，特定結(jié)構(gòu)位置處沒有腐蝕性產(chǎn)物存在，腐蝕性產(chǎn)物在局部位置聚集以后，會給金屬造成不同程度的腐蝕作用。鋼絲繩吊索在實際使用的過程中，會對拉力進行承受，鋼絲繩的腐蝕情況也會受到應(yīng)力狀況的直接影響。在氯離子濃度、濕度和溫度一致的情況下，隨著試驗時間的不斷延長，鋼絲繩的銹跡也會越來越明顯；而隨著氯離子濃度的不斷增加，鐵銹也會出現(xiàn)不斷地積累，鋼絲繩顏色也會隨之加深。

試驗結(jié)束以后，使用失重計算公式來對失重情況進行全面的分析。具體使用的公式為：

公式中：單位面積的腐蝕失重設(shè)置為C，單位為g/m；腐蝕前樣品質(zhì)量設(shè)置為w，單位為g；腐蝕產(chǎn)物除去后樣品質(zhì)量設(shè)置為w，單位為g；鋼片面積設(shè)置為S，單位為m。片狀試樣是鋼片的主要形式，其結(jié)論代表著單位面積的腐蝕失重；線狀試驗是鋼絲繩的主要形式，其結(jié)論代表著單位長度的腐蝕失重，所以對公式進行了修改，即：

公式中：鋼絲繩的長度設(shè)置為L，單位為cm；單位長度的腐蝕失重設(shè)置為C，單位為g/cm，腐蝕前樣品質(zhì)量設(shè)置為w，單位為g；腐蝕產(chǎn)物除去后樣品質(zhì)量設(shè)置為w，單位為g。腐蝕試驗完成以后，使用有六次甲基四胺、蒸餾水和鹽酸組成的除銹液將鋼絲繩表面的銹跡去除干凈，重新稱其重量。試樣的長度設(shè)置為10cm，每一種工況下的腐蝕時間與腐蝕失重的關(guān)系詳見圖3。工況1的鋼絲繩腐蝕失重曲線處于最低的位置，其與工況4的鋼絲繩腐蝕失重曲線進行比較，伴隨著時間的不斷變化，二者間的偏差也越來越明顯；鋼絲繩的腐蝕失重與氯離子的濃度成正比，環(huán)境中氯離子的濃度越高，腐蝕的速率也會隨之增快。工況1、工況2和工況4的曲線腐蝕速率慢慢地降低，在相同的濃度下，隨著時間的不斷推移，鋼絲繩的腐蝕速率會出現(xiàn)降低的情況，與鋼片腐蝕失重的速率存在著很大的不同。

圖3 鋼絲繩腐蝕失重情況

2）分析腐蝕產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)。在試驗工作以前，將試樣放大幾百倍后，實現(xiàn)對微觀結(jié)構(gòu)的高效分析。放大100 倍以后，表面以致密鐵基質(zhì)為主，紋理清晰可見，分布形式為順著鋼絲繩長度方向以層狀形式分布，會有少許的顆粒狀物體存在表面上。放大到500倍，表面溝壑清晰可見，溝壑的成因可能是刷子洗刷造成的，會有少量的隆起泡狀物分布在鋼絲表面，究其原因為，鋼絲放置時間比較長，儲存箱中有水分存在出現(xiàn)了銹跡。

在試驗開展7天和15天后，對工況1的試樣放大幾百倍進行微觀結(jié)構(gòu)分析。試驗7天后，會有胞狀腐蝕產(chǎn)物附著在試樣表面，表明試樣表面出現(xiàn)了腐蝕的地方，分析沒有被腐蝕的位置，鐵基質(zhì)是鋼絲表面的主要材質(zhì)，充分的表面，在經(jīng)過7天的試驗，僅鋼絲表面出現(xiàn)了腐蝕的情況。試驗時間達到15天后，胞狀物會附著在表面上，有些表面位置會有凸凹不平的情況發(fā)生，說明凹進位置的腐蝕物出現(xiàn)了掉落的情況，發(fā)展速度比較慢，與失重試驗進行比較，最終的結(jié)果很接近。

3.吊索結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）對鋼絲繩的外股結(jié)構(gòu)和直徑不進行改變，只對鋼絲繩金屬芯結(jié)構(gòu)進行一定程度的變化。f80mm鋼絲繩金屬芯中心股改變成為股的形式，將6根小股填充到f80mm和f88mm鋼絲繩金屬芯外股中間位置處，使f80mm和f88mm鋼絲繩金屬截面面積發(fā)生了改變，分別增加1.85%和1.66%。

（2）將股間壓痕消除掉，鋼絲繩股間間距提升2.8%，金屬芯芯徑增加到1%。

（3）使用填塑技術(shù)處理f80mm和f88mm鋼絲繩金屬芯。

（4）對吊索鋼絲繩進行積極的改進，使用全新的鋼絲繩捻制技術(shù)、拉拔技術(shù)和熱處理技術(shù)完成相關(guān)的操作。首鋼和寶鋼負責提供施工原材料。

3.2 疲勞試驗檢測

標準件質(zhì)量檢驗中心負責對鋼絲繩常規(guī)項目進行檢驗，檢驗的標準為GB/T 20067-2006的相關(guān)條款，檢驗結(jié)果表面，鋼絲繩的各項指標能夠滿足大橋吊索鋼絲繩的各項標準。疲勞試驗結(jié)果見表2。在疲勞試驗結(jié)束以后，對錨具進行了全面的檢查，沒有發(fā)現(xiàn)任何的異常情況。

表2 疲勞試驗結(jié)果

綜合分析表2可以發(fā)現(xiàn)，疲勞試驗脈沖次數(shù)達到2×10次后，鋼絲繩的斷絲率保持在5.0以內(nèi)，與相關(guān)要求中的疲勞性能標準相吻合。

4.結(jié)語

（1）在其他條件一樣的背景下，隨著氯離子濃度的變化，吊索結(jié)構(gòu)鋼絲繩的腐蝕速率也會隨之發(fā)生改變，鋼絲繩的纏繞密集度也會給腐蝕情況帶來不同的影響，腐蝕產(chǎn)物呈現(xiàn)出不均勻分布的狀態(tài)，在鋼絲繩縫隙位置比較集中。

（2）在條件相同的狀態(tài)下，隨著時間不斷延長，吊索結(jié)構(gòu)鋼絲繩的腐蝕速率會出現(xiàn)隨之減小的情況。

（3）從微觀物理結(jié)構(gòu)上分析，鋼片腐蝕與吊索結(jié)構(gòu)鋼絲繩腐蝕存在著很大的差別，鋼片腐蝕會有明顯的腐蝕裂縫出現(xiàn)，而吊索鋼絲繩腐蝕則不會出現(xiàn)腐蝕裂縫。