網(wǎng)架腐蝕承載能力研究

鄭 軍

1 工程概況

太原市某游泳館焊接空心球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建于1986年,網(wǎng)架采用涂料敷蓋法進行防腐處理,2000年對網(wǎng)架進行重新涂刷。因常年濕度大,通風(fēng)不暢及腐蝕性氣體等原因,造成網(wǎng)架構(gòu)件出現(xiàn)不同程度的腐蝕。針對此網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行桿件腐蝕深度的測試和分析。

2 桿件腐蝕狀況

游泳館內(nèi)常年的相對濕度大于70%,在網(wǎng)架桿件的表面上有凝聚態(tài)的水膜。采用玻璃鋼襯里防腐涂層的桿件,大部分呈塊狀鼓起,有的已剝落。撥開剝離狀態(tài)的涂層,里面存積有凝聚態(tài)的水且桿件銹跡斑斑呈黑褐色。“蝕坑”面積大小不同,形狀各異,腐蝕深度有的已穿透桿件壁厚。檢查中發(fā)現(xiàn)無玻璃鋼襯里涂層的桿件,涂層薄而均勻的腐蝕較輕;涂層厚且不均勻的腐蝕較重。有玻璃鋼襯里涂層的桿件腐蝕程度比無玻璃鋼襯里涂層的桿件腐蝕大。各類構(gòu)件中被評價為CS級的標(biāo)準(zhǔn)為:面漆脫落(包括起鼓面積)對普通鋼結(jié)構(gòu)不大于15%,對薄壁型鋼和輕鋼不大于10%,底漆腐蝕面積正在擴大,易銹部位的平面可以見到麻面狀腐蝕。

本次共檢測上弦桿的數(shù)量為153;下弦桿為153;斜腹桿為170;豎桿為170;節(jié)點為334,總計桿件數(shù)量為 980。按桿件的別類,評定腐蝕等級的統(tǒng)計結(jié)果如圖 1所示,各類桿件的CS(損傷嚴(yán)重,需要加固或更換)級占各類桿件總檢測數(shù)量的69%～78%。采用測厚儀和直徑測量儀對16根原設(shè)計鋼管壁厚為 t=5mm,直徑為d=60mm的桿件進行檢測,壁厚檢測結(jié)果見表1。

表1 鋼管壁厚檢測結(jié)果表 mm

一般在設(shè)計涂層上要按10年～15年來考慮涂刷周期。法國埃菲爾鐵塔涂刷普通紅丹底漆平均13年一次,德國門斯登橋平均16年涂刷一次。此網(wǎng)架雖然在5年前進行重新涂刷,但涂層厚度的不均勻、流痕、橘子皮、刷紋、顏色濃淡不均等都降低了涂層的壽命。防腐涂層遭到破壞,凝聚態(tài)的水與金屬材料的腐蝕就以電化學(xué)腐蝕的過程進行。金屬銹層的膨脹導(dǎo)致防腐涂層鼓起、破裂和呈塊狀剝離;銹層和底部基體鋼在大氣中氧的作用下,銹層重新氧化成Fe3+的氧化物,在干濕交替的條件下,銹層加速鋼的腐蝕,造成桿件腐蝕的面積和腐蝕深度逐漸擴展加深。金屬腐蝕速度還與環(huán)境中的SO2,Cl-,S2-及塵埃等雜質(zhì)關(guān)系密切,這些有害物質(zhì)進入有缺陷的防腐涂層與桿件金屬表面接觸,形成封閉或開啟的化學(xué)腐蝕環(huán)境,加劇了桿件的腐蝕速度。

3 A3(Q235)鋼腐蝕速率與時間關(guān)系

根據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)的碳鋼(A3)材料的第一年暴露數(shù)據(jù),按照ISO 09233對我國七個地區(qū)大氣腐蝕性見表2。

表2 A3(Q235)碳鋼在不同地區(qū)的大氣腐蝕表 mm/年

暴露1年的碳鋼的銹層疏松[1],銹層中存在著較多的孔洞和裂紋,不能起到對基體的保護作用;暴露2年的碳鋼是疏松多孔的塊狀銹層[2];非耐候鋼的 4年暴露腐蝕率[3]為15 μ m/年～200 μ m/年,環(huán)境影響極為明顯。對非耐候鋼,污染情況下濕熱條件的長遠影響非常大,會造成特別嚴(yán)重的腐蝕。對4種鋼在沈陽污染地區(qū)腐蝕隨時間變化關(guān)系進行了調(diào)查與分析[4],指出碳鋼和低合金鋼,危害最大的污染是氧化硫及氯離子。濕熱條件在短期里對腐蝕的影響并不大,但長期暴露危害作用非常大,如果同時存在污染,更會造成很嚴(yán)重的腐蝕。提出了碳鋼的腐蝕隨時間(年)的變化關(guān)系為:Δw=38.7t0.597。

這里把相關(guān)文獻[1]～[5]的大氣常規(guī)環(huán)境下的A3(Q235)腐蝕狀況數(shù)據(jù)繪成圖2。諸如化工廠、煙廠、游泳館、煤棚等,腐蝕環(huán)境遠遠超過當(dāng)?shù)氐钠骄髿猸h(huán)境,其對鋼材的腐蝕速率十分顯著,如本次檢測的游泳館建筑。根據(jù)本次的檢測結(jié)果,本次新建項目建議碳鋼的腐蝕深度與時間的關(guān)系如下:Δw=86.3t0.909(單位為μ m)。

4 不同腐蝕情況下的結(jié)構(gòu)承載能力計算分析

強腐蝕環(huán)境下腐蝕的結(jié)果直接造成網(wǎng)架構(gòu)件有效截面削弱,特別是管狀截面的鋼結(jié)構(gòu),因管壁較薄,其腐蝕的損傷及其累積效應(yīng)更為突出。針對新建網(wǎng)架,在設(shè)計載荷作用下,考慮腐蝕造成桿件壁厚減少來分析其對結(jié)構(gòu)的影響。各類桿件壁厚平均減小0.5 mm,1.0 mm,1.5 mm,2.0 mm等情況,分別在ANSYS程序中進行計算可得相應(yīng)變形和桿件屈服分布等情況。

計算結(jié)果表明,隨著桿件壁厚的減小,網(wǎng)架的最大位移、最大應(yīng)力增加明顯,屈服桿件的數(shù)量增加很快,當(dāng)壁厚減小從1 mm變到2 mm時,超過屈服強度的桿件數(shù)從178變到734,占總桿件比例的16%。由屈服桿件的分布圖可見,隨管壁厚的減小,進入屈服狀態(tài)的不同類型桿件數(shù)量變化不同。壁厚減小1 mm時,屈服的下弦桿數(shù)量增加快,當(dāng)壁厚減小2 mm時,屈服的腹桿數(shù)量增加快,這與設(shè)計的桿件壁厚有明顯的關(guān)系,使用過薄的管壁對防銹很不利。

5 腐蝕環(huán)境下的網(wǎng)架非線性反應(yīng)

因腐蝕導(dǎo)致網(wǎng)架桿件的應(yīng)力超過屈服強度,將引起結(jié)構(gòu)較大的非線性反應(yīng)。以壁厚減小2 mm為例,若考慮材料的非線性特性,即材料的屈服強度為235 MPa,切線模量為 6.18 GPa,對F區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行非線性分析。圖3為結(jié)構(gòu)的最大位移隨載荷的變化關(guān)系,位移的變化明顯地表現(xiàn)出由線性進入非線性的特征,使結(jié)構(gòu)的整體位移大為增加,由不考慮非線性效應(yīng)的136 mm增到351 mm,屈服的桿件由 734根增到992根,已占到總桿件的1/5,對應(yīng)的變形云圖如圖4所示。由于結(jié)構(gòu)的腐蝕,其強度和剛度降低的同時,部分桿件進入屈服階段,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的變形,反之,因大變形又使屈服桿件的數(shù)量增加,這種幾何非線性和材料非線性的耦合作用,使結(jié)構(gòu)承載能力大為降低或發(fā)生倒塌。

建議高腐蝕性環(huán)境下的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計,應(yīng)確定材料相應(yīng)的腐蝕速率,進行不考慮銹蝕下的網(wǎng)架設(shè)計和相應(yīng)腐蝕情況下的網(wǎng)架驗算,通過調(diào)整相應(yīng)桿件截面,達到設(shè)計目標(biāo)。

6 結(jié)語

提出了高腐蝕環(huán)境下普通碳素鋼的腐蝕速率公式。腐蝕情況下的網(wǎng)架非線性檢測和計算分析表明,幾何和材料非線性的耦合作用,將促使結(jié)構(gòu)變形增大。建議針對高腐蝕的使用環(huán)境,確定材料相應(yīng)的腐蝕速率,進行不考慮腐蝕下的網(wǎng)架設(shè)計和考慮腐蝕的網(wǎng)架驗算,調(diào)整相應(yīng)桿件截面以達到設(shè)計目標(biāo)。

[1]張全成,吳建生,陳家光,等.暴露 1年的耐大氣腐蝕用鋼表面銹層分析[J].中國腐蝕與防護學(xué)報,2001,21(5):297-300.

[2]楊曉芳,鄭文龍.暴露2年的碳鋼與耐候鋼表面銹層分析[J].腐蝕與防護,2002,23(3):97-101.

[3]侯文泰,于敬敦,梁彩鳳.鋼的大氣腐蝕性4年調(diào)查及其機理研究[J].腐蝕科學(xué)與防護技術(shù),1994,6(2):137-142.

[4]王振堯,鄭逸蘋,于國才,等.鋼在污染環(huán)境中的大氣腐蝕[J].腐蝕科學(xué)與防護技術(shù),1999,11(5):306-308.

[5]梁彩鳳.鋼在中國大陸的大氣腐蝕研究[J].電化學(xué),2001,7(2):215-219.