(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

碼頭鋼構(gòu)件涂層沖蝕特性研究

曾麗琴

(重慶交通大學(xué)重慶400000)

本文依托重慶果園港碼頭鋼構(gòu)件防腐工程，基于對(duì)內(nèi)河含沙水流沖蝕環(huán)境的分析，進(jìn)行沖蝕流速、沖角及沖蝕周期下的鋼構(gòu)件涂層沖蝕試驗(yàn)。通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究含沙水流條件下鋼構(gòu)件涂層的表面沖蝕特性，為建立含沙水流條件下涂層沖蝕模型提供依據(jù)。

鋼構(gòu)件；涂層；沖蝕特性；模型試驗(yàn)

一、引言

大型碼頭的建設(shè)中，由于存在覆蓋層淺及深水施工等問(wèn)題，碼頭下部結(jié)構(gòu)更多采用鋼管混凝土嵌巖樁型式，樁基及縱橫撐均大量使用鋼結(jié)構(gòu)。從實(shí)際效看，經(jīng)水流沖刷一年左右，防腐涂層就出現(xiàn)大范圍脫落，鋼構(gòu)件銹蝕嚴(yán)重。出現(xiàn)該問(wèn)題的原因主要是內(nèi)河大流速含沙水流對(duì)防腐涂層的沖蝕嚴(yán)重。

二、涂層硬度及抗沖擊性分析

涂層表面的沖蝕損傷程度不僅與水流中泥沙顆粒等外物作用有關(guān)，還受涂層本身力學(xué)性能的影響。通過(guò)表面處理(表面清潔度St3級(jí)，粗糙度均值28um)制備若干組鋼片試件，以50um為量級(jí)涂覆50um～500um厚度涂層，分別用落錘法和鉛筆硬度法分析涂層厚度的變化對(duì)其抗沖擊性和硬度的影響。

從涂層沖擊破壞形貌可以發(fā)現(xiàn)，涂層抗沖擊性隨厚度增加近似呈線性增強(qiáng)，在厚度約400um時(shí)達(dá)到最大值，隨后出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于涂層厚度過(guò)大，層間內(nèi)聚力將下降，導(dǎo)致涂層附著力減弱，容易被沖擊擠出。不同厚度下涂層硬度在2H～3H間，內(nèi)河泥沙顆粒多為石英、長(zhǎng)石，其硬度遠(yuǎn)大于涂層硬度。

綜上所述，由于含沙水流中的泥沙顆粒硬度大于涂層硬度，故能對(duì)涂層表面造成沖蝕傷痕，并且隨著涂層厚度的不斷減小，其抗沖擊性能下降，將加劇涂層沖蝕損傷程度。

三、涂層表面沖蝕率分析

(一)涂層整體沖蝕率

涂層沖蝕時(shí)表面材料不斷的受損流失，從而導(dǎo)致涂層保護(hù)性能下降。本文從涂層試件的整體質(zhì)量損失和局部厚度損失兩方面來(lái)分析不同條件下的涂層沖蝕率變化規(guī)律。每個(gè)沖蝕周期(90h)結(jié)束后，采用電子分析天平(精確到0.1mg)進(jìn)行稱重，涂層整體沖蝕率以涂層沖蝕后的質(zhì)量失重來(lái)表示。

從圖3-1、圖3-2看出，在同一含沙(含沙量3.6kg/m3)條件下，涂層試件整體失重率隨沖蝕時(shí)間的增加呈現(xiàn)由低流速向高流速過(guò)渡的階段性變化：

(1)在沖蝕時(shí)間0～90h，各級(jí)流速下涂層整體失重率均增長(zhǎng)較為平緩。由于涂層抗沖蝕性能較強(qiáng)，泥沙顆粒對(duì)涂層表面的作用是隨機(jī)、非均勻的，大多數(shù)以彈塑性碰撞為主，造成的損傷有限，涂層表面出現(xiàn)少量微裂紋萌生，此時(shí)屬于疲勞損傷累計(jì)階段。

(2)在沖蝕時(shí)間180～270h，較大流速下(>1.0m/s)涂層整體失重率開(kāi)始快速增長(zhǎng)，且流速越大增長(zhǎng)趨勢(shì)越明顯。涂層表面開(kāi)始大范圍損傷，由泥沙顆粒造成的微裂紋向涂層四周和內(nèi)部擴(kuò)展、交互連接，發(fā)展成疲勞裂紋，導(dǎo)致涂層層間內(nèi)聚力減小，外表層松動(dòng)，易被水流沖刷剝離。

(3)在沖蝕時(shí)間270～360h，較大流速下(>1.0m/s)涂層整體失重率增長(zhǎng)趨勢(shì)有所減緩。此時(shí)涂層表面已完全損傷，涂層表面粗糙度不斷增大，受凸出部分遮擋，泥沙顆粒對(duì)涂層表面有效作用面積相對(duì)減小。

從總體趨勢(shì)來(lái)看，在大流速下，涂層質(zhì)量損失階段變化更明顯，而在低流速下涂層整體失重率增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢。從涂層質(zhì)量損失隨時(shí)間變化的趨勢(shì)來(lái)看，其沖蝕過(guò)程分為緩增期、加速期、減緩期三個(gè)階段。

圖3-1 不同流速下涂層整體沖蝕率隨時(shí)間的變化

圖3-2 不同時(shí)間下涂層整體沖蝕率隨流速的變化

如圖3-3所示，涂層在低沙(含沙量0.8kg/m3)條件下沖蝕相同時(shí)間，其質(zhì)量損失的變化規(guī)律與多沙條件下相似，水流流速越大，涂層失重率增長(zhǎng)趨勢(shì)越明顯，但涂層在低沙條件下沖蝕疲勞損傷過(guò)程發(fā)展較慢。

圖3-3 不同流速下涂層整體沖蝕率隨時(shí)間變化

(二)涂層局部沖蝕率

如圖3-4所示，為提高測(cè)量數(shù)據(jù)可靠性與準(zhǔn)確性，試驗(yàn)中采用自制模具，對(duì)各涂層試件沖蝕角度進(jìn)行統(tǒng)一劃分。其中以模型鋼管中間正對(duì)水流方向?yàn)轫敍_角90°，依次標(biāo)定試件兩側(cè)60°、45°、30°、0°以及-45°沖角位置。采用MT600涂層測(cè)厚儀對(duì)涂層各沖蝕角度的損失厚度進(jìn)行檢測(cè)，取每個(gè)測(cè)點(diǎn)5次測(cè)值平均值為代表值，控制相對(duì)平均差在1%以內(nèi)。通過(guò)各沖蝕角度下涂層厚度的損失量，來(lái)反映涂層試件在不同流速下的局部沖蝕率變化。

圖3-4 涂層沖蝕角度示意圖

圖3-5 不同流速下涂層表面厚度損失隨時(shí)間變化(45°沖角)

涂層在45°沖角的厚度損失逐漸大于30°沖角。這是由于水流沖蝕過(guò)程中，泥沙顆粒受繞流影響，在到達(dá)模型樁前均向兩側(cè)偏移，導(dǎo)致有效撞擊到90°沖角的顆粒較少，但隨著流速增大，泥沙顆粒獲得更大動(dòng)能，其運(yùn)動(dòng)路徑偏移量減小，正面撞擊的泥沙數(shù)量開(kāi)始增加，故在大流速下，90°沖角的涂層厚度出現(xiàn)損耗。而0°沖角涂層厚度損失主要來(lái)源于泥沙顆粒切削作用，所以其沖蝕率隨流速增大變化較小。在-45°沖角(背水側(cè))的涂層在大流速下也出現(xiàn)厚度損失，這是由于泥沙顆粒在低流速下對(duì)涂層表面基本無(wú)接觸，但隨著流速增大，樁后流態(tài)更紊亂，形成漩渦水流結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致有少量顆粒作用到涂層上，才出現(xiàn)明顯損傷。

隨后分別進(jìn)行含沙量3.6kg/m3條件下涂層沖蝕180h、270h、360h后的厚度變化。試驗(yàn)分析得出，在30°～60°沖蝕角度間，涂層沖蝕率上升趨勢(shì)明顯，并且隨著沖蝕時(shí)間增長(zhǎng)，涂層在45°沖角的厚度損失增量逐漸大于30°沖角。而在90°、0°和-45°沖角下，涂層厚度損失量隨時(shí)間的增長(zhǎng)幅度較小。在不同流速下，涂層表面損傷均以45°沖角左右最為嚴(yán)重。

圖3-6 不同角度下涂層表面厚度損失與水流流速的關(guān)系(90h)

四、結(jié)論

(一)含沙量一定時(shí)，涂層在大流速下(≥1.5m/s)的沖蝕率隨時(shí)間大致呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，其沖蝕過(guò)程中存在明顯的緩增期、加速期和減緩期三個(gè)階段，而在低流速下(<1.0m/s)的沖蝕率增長(zhǎng)趨勢(shì)較為平緩。在不同流速下，涂層在45°沖角的厚度損失量最大，并由45°向兩邊逐漸減小，90°沖角下厚度損失略大于0°沖角，整體呈現(xiàn)“中間大，兩邊小”的趨勢(shì)。

(二)涂層在90°、60°、45°、30°沖角下厚度損失均與流速呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，其中45°沖蝕角下涂層對(duì)含沙水流沖擊速度最敏感。另外，在低角度沖蝕時(shí)，涂層的抗沖蝕性主要受硬度影響，而在高角度沖蝕時(shí)，涂層的抗沖蝕性主要取決于其韌性。

[1]顏民,黃桂橋. 中國(guó)水環(huán)境腐蝕試驗(yàn)站網(wǎng)工作回顧與展望[J]. 海洋科學(xué), 2005, 29(7): 73-76.

[2]柯偉. 中國(guó)腐蝕調(diào)查報(bào)告[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[3]董剛. 材料沖蝕行為及機(jī)理研究[D].[浙江]: 浙江工業(yè)大學(xué), 2004.

[4]姚啟鵬. 泥砂粒徑級(jí)配對(duì)材料磨損影響的試驗(yàn)研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 1997, (1): 94-97.

[5]黃細(xì)彬. 高速含沙摻氣水流及磨蝕機(jī)理的研究[D]. 南京: 河海大學(xué), 2001.

曾麗琴(1993.06-)，女，漢族，碩士研究生，重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，研究方向：港口海岸及近海工程(港口結(jié)構(gòu))。