鋼結構涂層受風沙沖蝕程度評價和相似性分析

郝贠洪，任 瑩，段國龍，朱敏俠，楊風利，張宏杰

（1.內蒙古工業大學 土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.中國電力科學研究院，北京 100055）

內蒙古中西部地區位于中國北部邊疆，自西向東分布著六大沙漠和沙地，沙塵暴頻繁發生［1－3］.該地區沙漠周邊建有大量的通信塔、橋梁、輸電塔架等鋼結構設施，這些鋼結構設施表面的涂層長期受到風沙環境的侵蝕作用而過早失效，使得鋼結構外露銹蝕，導致結構的安全性和耐久性降低.

鋼結構涂層受風沙環境的侵蝕，實質上是沙粒子對涂層的沖蝕磨損破壞.目前，對于風沙環境下鋼結構涂層的沖蝕磨損機理、沖蝕磨損程度評價研究已經取得了一定的進展［4－7］，但關于沖蝕時間與實際工況的相似性分析未見報道.本文通過氣流挾沙噴射法模擬了風沙環境對鋼結構涂層的沖蝕磨損情況，對試驗數據進行理論分析，提出了評價涂層沖蝕磨損程度的評價公式，并運用相似性理論，將試驗結果與實際工況進行了對比分析.所得結果可為工程實際中準確評價鋼結構涂層受風沙侵蝕程度提供理論依據.

1 試驗部分

1.1 沙粒特征及風沙沖蝕力學參數

（1）試驗用沙取自內蒙古中西部鄂爾多斯北部高原庫布齊沙漠，由篩分試驗可知，其中粒徑為0.05～0.25mm的沙粒含量1）本文涉及的含量等均為質量分數.達到了87%以上，粒徑為0.25mm以上和0.05mm 以下的沙粒含量都不足10%.使用光學顯微鏡對沙粒形狀進行觀測后發現，沙粒基本呈圓形或橢圓形，只有少數的尖角粒子，這主要是由于沙粒在沙漠中長時間運動過程中相互撞擊和磨損造成的.

（2）風沙沖蝕力學參數主要包括沖蝕速度、沖蝕角度、沖蝕濃度和沖蝕時間.根據內蒙古中西部地區的風沙環境特征，沖蝕速度v 設定為13，16，18，20，23，26和30 m／s；沖蝕角度α 設定為15°，30°，45°，60°，75°和90°；沖蝕濃度采用下沙率M 來表示，設定為90，150和240g／min；沖蝕時間t設定為12min.

1.2 涂層制備

涂層材料為奔騰鐵紅醇酸防銹漆（底漆）和晨虹白色磁漆（面漆）.試樣基體為普通碳素鋼薄鋼板，尺寸為40mm×40mm.按照GB 50205—2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》中“鋼結構涂裝工程”工藝要求進行噴涂.涂層的干膜厚度為1 mm.按照GB／T 6739—1996《涂膜硬度鉛筆測定法》測定的涂層硬度為較低的B 級.按照GB／T 1731—1993《漆膜柔韌性測定法》，采用漆膜彈性儀來測定涂層的柔韌性，結果為4mm，說明其柔韌性較好.

1.3 沖蝕試驗裝置及測量方法

試驗裝置由高壓氣源系統、供沙系統、沖蝕系統三部分組成［8］.利用精密電子天平（可讀性d＝0.000 1g）測量沖蝕試驗前后鋼結構涂層的質量變化，據此確定沖蝕磨損質量損失.

1.4 沖蝕試驗結果

圖1 涂層沖蝕磨損質量損失與沖蝕角度的關系Fig.1 Relationship between erosion mass loss and erosion angle

圖1是在下沙率M 為90，150，240g／min，沖蝕速度v為20m／s，時間t為12min的條件下，涂層的沖蝕磨損質量損失wt與沖蝕角度α的關系圖.由圖1可知，α為45°時涂層的沖蝕磨損質量損失達到最大，α 為90°時涂層的沖蝕磨損質量損失最小.這主要是因為，在低沖角時，涂層的硬度決定了沖蝕磨損質量損失，在高沖角時，涂層的柔韌性決定了沖蝕磨損質量損失.本試驗涂層的硬度較低，柔韌性較好，因此低沖角時的沖蝕磨損質量損失大于高沖角時的沖蝕磨損質量損失.

圖2 是在下沙率M 為150g／min，時間t 為12min條件下得出的沖蝕磨損質量損失wt隨沖蝕速度v變化的曲線.由圖2可知，隨著沖蝕速度的增大，涂層的沖蝕磨損質量損失也不斷增加，這是由于沖蝕速度增大會加大沙粒的沖蝕動能，加劇涂層的沖蝕磨損.

圖2 涂層沖蝕磨損質量損失與沖蝕速度的關系Fig.2 Relationship between erosion mass loss and erosion speed

2 沖蝕磨損程度評價公式

以Bitter的沖蝕變形磨損理論［9－10］和文獻［5］中的評價公式為基礎，并根據涂層的物理力學性能以及沖蝕試驗結果，對文獻［5］中的評價公式進行了調整，提出以下評價公式：

式中：wt，wc，wd分別為總沖蝕磨損質量損失、切削沖蝕磨損質量損失、變形沖蝕磨損質量損失，g；ms為沙塵質量，g；ε1，ε2為調整系數，ε1＝0.95，ε2＝1.05；α0為臨界沖蝕角，α0＝π／2n，其中n 為水平回彈率因素（當α＝α0時，sin（nα0）＝1，則有n＝π／2α0），另外，當α＜α0時，切削沖蝕磨損質量損失大于變形沖蝕磨損質量損失，當α＞α0時，變形沖蝕磨損質量損失大于切削沖蝕磨損質量損失；ψ 為切削沖蝕磨損能耗因數，m2／s2；η 為變形沖蝕磨損能耗因數，m2／s2.根據試驗數據計算得出：ψ＝1.16×106m2／s2；η＝1.36×107m2／s2；n＝1.23；α0＝73.17°.

2.1 沖蝕磨損質量損失與沖蝕角度的關系

設沖蝕速度為20m／s，沖蝕時間為12min，下沙率分別為90，240g／min；采用式（1），（2）計算不同沖蝕角度下的沖蝕磨損質量損失并與試驗數據進行對比，結果如圖3所示.

由圖3可見，2種下沙率下，計算數據與試驗數據2條曲線的走勢都比較接近，說明由評價公式得出的計算結果與試驗結果基本吻合.因此利用本文提出的評價公式進行鋼結構涂層的沖蝕磨損程度評價是可靠的.

2.2 沖蝕磨損質量損失與沖蝕速度的關系

設下沙率為150g／min，沖蝕時間為12min，沖蝕角度α分別為45°，60°和90°，采用式（1），（2）計算不同沖蝕速度下的沖蝕磨損質量損失并與試驗數據進行對比，結果如圖4所示.

由圖4可見，3種沖蝕角度下，計算數據與試驗數據2條曲線的走勢都比較接近，說明由本文提出的評價公式得出的計算結果與試驗結果基本吻合.因此利用本文提出的評價公式進行鋼結構涂層的沖蝕磨損程度評價是可靠的.

首先，對決策矩陣規范化處理，按照式(3)～式(4)。求出每一指標的理想解，構造求取權重指標的決策模型。根據式(5)～式(10)，應用Matlab計算。求得權重結果為：

3 沖蝕試驗結果相似性分析

利用相似性理論把試驗結果與實際工況進行對比，找到模擬試驗結果與實際風沙環境對涂層沖蝕磨損的相關性，是將試驗結果應用于鋼結構耐久性評估的一個關鍵問題［11］.

經統計1990年～2012年內蒙古中西部地區發生沙塵暴次數最多的年份為1990年和2004年，各有15次，最少是1991年、1994年和1997年，各有1次.根據氣象統計［12－14］，大范圍爆發強沙塵暴的標準是3個及以上觀測站的風速≥20m／s，區域起沙量達7.8mg／（m2·s），1次沙塵暴中高風速持續時間大部分在30min以內.如果考慮100m2范圍內對1個鋼結構構件的影響，經計算該范圍內的下沙率Mp應達到46.8g／min.

以試驗中沖蝕速度vm＝30m／s，下沙率Mm＝360g／min，沖蝕時間t＝12 min 為例.根據動能公式：可知，決定風沙粒子流動能的2個因素是其質量和速度.現在速度是固定的，即模型速度vm＝30m／s，原型速度vp＝20m／s；模型中沙粒質量是隨著時間的增加而增加的.因此，根據相似性理論［15－16］，先計算風沙持續1min時各物理量的相似比.

圖4 不同沖蝕角度時沖蝕磨損質量損失的計算數據與試驗數據對比Fig.4 Comparison of calculated data with tested data of erosion mass loss at different erosion angles

由此可見，計算結果與相似理論相符.

以內蒙古中西部地區1年發生1次強沙塵暴為例，模型的沖蝕時間t＝12min，原型的1次沙塵暴持續時間t＝30min.則模型與原型的動能比為：

即試驗中沙粒的動能約相當于實際沙粒動能的7倍.換言之，12min的沖蝕磨損試驗對涂層的沖蝕損傷，相當于該地區按照1年發生1次強沙塵暴的頻率，鋼結構涂層經受了83.0個月的沖蝕磨損.

由于沙塵暴年發生次數不定，所以對沙塵暴發生次數進行了假設.按照沖蝕速度為30m／s，下沙率為360g／min，沖蝕時間不同的試驗結果，可以推算出實際工況下鋼結構涂層經受風沙沖蝕磨損的時間，如表1所示.

表1 按不同沖蝕時間下的試驗結果推算的實際工況下沖蝕磨損時間Table 1 Actual condition erosion time calculated by the experimental results at different erosion time

由于實驗室中不同下沙率對涂層的沖蝕磨損程度不同，按照沖蝕速度為30m／s，沖蝕時間為12min，下沙率不同的試驗結果，可以推算出實際工況下鋼結構涂層受風沙沖蝕磨損的時間，見表2.由表2可知，試驗中的下沙率越大，由試驗結果推算的實際工況中沖蝕磨損時間越長.

表2 按不同下沙率下的試驗結果推算的實際工況下的沖蝕磨損時間Table 2 Actual condition erosion time calculated by the experimental results at different sand－dose

4 結論

（1）鋼結構涂層的沖蝕磨損質量損失隨著沖蝕速度的增加而增加.

（2）在沖蝕角度為45°時涂層的沖蝕磨損質量損失最大，而在90°時最小.

（3）由本文提出的評價公式計算的結果與試驗結果基本吻合，說明利用該評價公式進行鋼結構涂層的沖蝕磨損程度評價是可靠的.

（4）運用相似性理論對試驗結果進行了分析，推算出了鋼結構涂層在實際工況下的沖蝕磨損時間.

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