點蝕孔腐蝕鋼構件力學性能劣化簡化分析方法

葉繼紅，申會謙，薛素鐸

(1.混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室(東南大學)，南京 210018;2.北京工業大學 建筑工程學院，北京 100124)

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點蝕孔腐蝕鋼構件力學性能劣化簡化分析方法

葉繼紅1，申會謙1，薛素鐸2

(1.混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室(東南大學)，南京 210018;2.北京工業大學 建筑工程學院，北京 100124)

點蝕是一種局部和劇烈的腐蝕形態，導致鋼結構構件力學性能退化，突然之間發生事故，對結構整體造成安全隱患.本文針對具有點蝕孔腐蝕特征的鋼構件，提出一種通過等效彈性模量定量評價其力學性能劣化程度的簡化分析方法.依據周期噴霧復合試驗數據，以銹蝕率和最大點蝕深度為基礎，對點蝕孔深度、直徑及分布情況作出適當假定；考慮涂層壽命的影響，以銹蝕率相等為原則建立人工加速腐蝕試驗和海洋大氣條件下Q235鋼構件腐蝕情況的轉換關系.建立考慮點蝕影響的有限元構件模型，通過軸向均布力作用下的構件變形確定海洋大氣環境不同暴露時間下點蝕構件的等效彈性模量，提出點蝕構件力學性能劣化分析的實用計算方法.數值算例驗證了上述采用等效彈性模量分析腐蝕構件受力性能方法的正確性；計算結果表明，在相同銹蝕率條件下，點蝕構件的等效彈性模量低于均勻腐蝕構件.關鍵詞: 鋼構件；腐蝕；點蝕；力學性能；簡化分析方法

點蝕是一種局部和劇烈的腐蝕形態，經常在突然之間導致事故，因而在各種腐蝕形態中尤為有害.對于點蝕機理及點蝕生長模型，國內外學者已進行了一些研究，為點蝕構件力學性能評估的參數選取提供了一定依據.Caleyo等[2]采用Monte Carlo方法研究埋地管道外壁蝕孔深度和蝕孔生長速率的概率分布，分析了蝕孔生長的變化規律，認為最大蝕孔深度和暴露時間符合冪函數關系；Melchers[3-4]按照傳統觀念，將點蝕最大孔深處理成極值分布，提出了低碳鋼在海洋浸水環境下點蝕最大孔深概率分布模型和點蝕孔深生長五階段模型，并以管道實例說明了考慮點蝕影響的結構可靠性分析流程；Rybalka等[5]研究了403鋼表面蝕孔發展規律，發現初期蝕孔直徑和深度均增長，后期幾乎只在深度方向上增長；王燕舞[6]研究了實船構件的蝕孔形態、點蝕深度統計規律、蝕孔最大深度時變模型和蝕孔徑深比時變模型，構成了完整的船舶結構鋼點蝕多參數概念模型，該模型還有待與更翔實的數據相驗證.點蝕生長規律與材料種類、環境特性有關，目前學術界對點蝕的形成和擴散機制還存在很大爭議，迄今沒有比較有說服力的點蝕生長模型.

在點蝕構件力學性能分析方面，目前的研究多集中于點蝕構件的力學性能評價，方法多為根據有限元分析及試驗數據擬合得到經驗公式，涉及點蝕特性的各種參數.江曉俐等[7-8]進行了在面內壓力作用下點蝕低碳鋼板的非線性有限元分析，指出在眾多影響因素中，點蝕密集度指標和單側點蝕引起的偏心對鋼板的極限抗壓能力有顯著影響，但未給出量化的極限強度評估公式；Duo等[9]對256個具有各種點蝕分布及尺寸的方板進行了非線性有限元計算，系統地分析多個因素對極限強度的影響，得到了預測局部腐蝕非加筋板的極限強度經驗公式，但其分析只是針對腐蝕在板邊區域的情況，而未考慮腐蝕發生在其它位置的情況；Sharifi等[10]基于人工神經網絡技術，研究了不同點蝕深度、直徑和數目的鋼板極限承載力與體積損失率之間的關系，但點蝕孔參數的選取并無試驗依據；Lee等[11]以電腐蝕和氯化物腐蝕方法分別制作均勻腐蝕和點蝕鋼筋構件，對均勻腐蝕和點蝕構件的屈服強度、抗拉強度、彈性模型和伸長率進行了試驗研究和數值模擬，提出了鋼筋力學性能隨銹蝕率變化的擬合計算公式，該結論推廣到鋼管、鋼板等構件的適用性存疑.

本文結合人工加速腐蝕試驗數據，以銹蝕率和最大點蝕深度為基礎，對點蝕孔深度、直徑及分布作出適當假定，并考慮涂層壽命的影響，以銹蝕率相等為原則建立試驗室和自然大氣條件下腐蝕程度的轉換關系，確定不同大氣暴露時間下點蝕構件的等效彈性模量，提出自然環境下點蝕構件力學性能分析的實用計算方法.

1 人工加速腐蝕試驗

自然環境下的暴露試驗是一種接近使用環境的較可靠的腐蝕試驗方法，但由于試驗周期長，速度慢，耗費大量的人力與物力，且試驗區域性很強，不利于試驗結果的推廣和應用.近年來加速腐蝕試驗越來越受到重視，它能在短時間內較快地得到試驗結果，并且通過短時間的加速試驗可在一定程度上推測材料長期腐蝕行為的可能性，可分析研究某一個或幾個典型的環境因素對材料腐蝕的影響及其作用規律.帶有干燥過程并周期性鹽水噴霧的鹽霧復合試驗方法可較好地模擬和加速大氣腐蝕，能較為真實地再現自然環境，接近材料在自然大氣環境中的腐蝕情況.

文獻[12]以無涂層Q235鋼為研究對象，進行周期噴霧復合腐蝕試驗.試件尺寸為280 mm×50 mm×8 mm的鋼板，試件分為9組，每組3塊，每個試件用環氧包裹一定寬度.試驗采用YWX/Q-020型鹽霧箱，采用質量百分比為5%的氯化鈉測試溶液，每次連續噴6 h，停噴6 h，12 h為一個周期.每進行14 d取出一組試件，得到腐蝕試樣，將試樣浸入體積比為12%的鹽酸溶液中30分鐘，用鋼刷清洗表面腐蝕產物，再用氫氧化鈉溶液中和，繼而用水沖洗干凈，取出后放在干燥箱中烘干并稱重.

試驗采用PS50三維非接觸式表面形貌儀采集試樣表面腐蝕數據，取環氧包裹的試件表面作為測量時試件表面腐蝕深度的基準面，即可得到腐蝕深度的絕對值.該試驗銹蝕率結果見表1.

表1 人工加速腐蝕試驗銹蝕率

一般認為鋼大氣腐蝕中銹蝕率的發展遵循冪函數規律，以冪函數ηs=2.320t0.537(ηs為銹蝕率，%；t為腐蝕時間，周)擬合表1中數據，擬合公式的相關系數R2= 0.959，可知該組數據以冪函數擬合效果較好，一定程度上證明了該組數據的可靠性.

大量的試驗數據和理論證明，局部腐蝕最大蝕孔深度服從Gumbel分布函數.文獻[12]對上述試驗不同腐蝕時間的試件點蝕深度進行了統計，發現點蝕深度符合Gumbel極值分布，取保證率為95%，計算最大點蝕深度，見表2.

表2 腐蝕深度檢驗結果

2 腐蝕模型基本假定

進行均勻腐蝕銹蝕構件強度計算通常直接扣除因腐蝕損失的板厚，而建立一個全面合理的點蝕模型，蝕孔形狀、最大點蝕深度、平均點蝕深度、蝕孔徑深比、單位面積蝕孔數目及分布情況均是重要指標.采用有限單元法評定考慮點蝕影響的結構構件力學性能，首要任務就是依據構件的實際受腐蝕情況，合理選用點蝕孔的幾何形態及沿板面的分布情況.

一般而言，長方體、圓柱體、球冠體、半球體、圓錐體等是點蝕孔最常取的形狀，這種差異主要由腐蝕環境、金屬材料以及模型易用性的不同引起的.考慮到點蝕孔幾何形態的簡潔性，本文取蝕孔形狀為圓柱體.

點蝕引起的構件力學性能下降，主要原因在于凈截面損失，因此最大點蝕深度往往比平均點蝕深度影響更大.點蝕孔的直徑可小可大，但大多數情況下都比較小.一般蝕孔可以描述為表面直徑等于或者小于深度的洞穴[1].王艷舞[6]得出結論：不同長寬比與不同蝕孔深度的條件下，極限強度均隨蝕孔徑深比的增大而下降.因此在研究點蝕構件力學性能時，取徑深比為1，即蝕孔深度與直徑相等是偏于安全的.

綜上所述，考慮到腐蝕情況的復雜性，作出如下基本假定：1)構件只發生點蝕，蝕孔形狀為圓柱體；2)各個蝕孔深度相同，均取最大點蝕深度；3)蝕孔徑深比為1，即蝕孔深度與直徑相等；4)蝕孔在構件上均勻分布.

文獻[12]試驗中試件為鋼板，銹蝕發生于鋼板兩側，表1中銹蝕率為試件雙側銹蝕產生的質量損失率.為計算構件單側的銹蝕深度，此處銹蝕體積取構件單側銹蝕所損失的金屬體積，因而得到

(1)

式中：V為構件單側銹蝕所損失的金屬體積，m0為腐蝕前的試件質量，ηs為銹蝕率，V0為銹蝕前的試件體積，ρ為試件的密度.

最大蝕孔深度由表2得到.根據基本假定，蝕孔直徑與最大蝕孔深度相同，則單位面積蝕孔數目由銹蝕體積、蝕孔深度、蝕孔直徑、鋼板面積計算得到，即

(2)

式中：n為單位面積蝕孔數目，N為蝕孔總數，S為鋼板面積，V為銹蝕體積，由式(1)得到，V1為單個蝕孔體積，Dm為最大蝕孔深度，d為蝕孔直徑.

綜上，得到不同銹蝕時間構件的腐蝕狀態見表3.

3 自然大氣環境與試驗環境下腐蝕情況等效換算

目前國內外鋼結構工程主要采用防腐涂層減輕或防止鋼結構的銹蝕，鋼結構的腐蝕發生在其表面防腐涂層失效之后，因此在分析鋼結構的腐蝕退化規律時，涂層的影響不可忽略.鋼結構防腐涂層的失效是一個經年變化的長期過程，包含諸多復雜和隨機的因素，因而目前并無具有普適性的研究成果.

國家體育場“鳥巢”的設計提出了25 a的長效防腐要求，并對其在防腐年限內的耐久性提出明確指標，然而25 a后“鳥巢”的防腐涂層系統的耐久性仍不得而知.秦國治等[13]指出在已投入使用十多年的情況下，茂名石化公司煉油廠35#汽油罐的涂層表現良好.基于此，花晶晶[14]提出，可偏于安全地取防腐涂層壽命為10 a.

自然大氣條件下，試件上由雨、霧等形成的液膜有一個由厚到薄、由濕到干的周期性循環過程，前文已述，文獻[12]能較為真實地再現自然環境.當然作為一種人工加速腐蝕試驗方法，其與海洋大氣環境并不能嚴格的對應，但考慮到模型的易用性，本文采用銹蝕率相等的原則進行換算.

梁彩鳳等[15]給出了青島地區8 mm厚的Q235鋼板16年的銹蝕率數據，見表4.

表4 青島地區Q235鋼16 a銹蝕率數據

根據最小二乘法得到青島地區Q235鋼銹蝕率和時間的擬合函數關系為ηs=1.423t0.6，擬合公式的相關系數R2= 0.984.考慮涂層壽命的影響，則本文認為銹蝕率隨時間的增長模型為

(3)

式中：ηs為銹蝕率，%；t為時間，a.

本文采用銹蝕率相等的原則進行換算，則有人工加速腐蝕試驗環境和海洋大氣環境下時間對應關系見表5.

表5 人工加速腐蝕試驗環境和海洋大氣環境下時間對照關系

Tab.5 Time comparison relationship between artificial accelerated corrosion test and marine atmosphere environment

人工加速腐蝕試驗暴露時間/周海洋大氣環境暴露時間/a00～10.00214.20824.521027.731230.881433.971637.011840.01

4 點蝕構件有限元分析模型的建立

本文研究對象取為鋼管，外表面發生點蝕，兩端受軸向均布壓力，采用ANSYS有限元軟件計算構件沿長度方向的變形，繼而計算構件的等效材料性能.定義等效彈性模量為

(4)

式中：Ec為等效彈性模量，P為模型構件兩端施加的均布壓力，L為構件幾何長度，ΔL為構件沿長度方向的變形.

模型見圖1，端部均布壓力P大小為100 MPa，構件幾何長度L取0.25 m(計算結果與端部力大小和構件幾何長度無關).模型橫截面取外徑為63.5 mm，壁厚為4 mm.蝕孔在鋼管外表面均勻分布.單元類型選用SOLID95單元.

圖1 點蝕鋼管有限元模型(獲取等效彈性模量)

根據表3和表5，確定不同大氣暴露時間下的孔蝕參數，即蝕孔深度、蝕孔直徑、單位面積蝕孔數目，根據圖1有限元模型，依據式(4)得到等效彈性模量Ec，結果見表6.

表6 自然大氣環境不同暴露時間下點蝕鋼管等效彈性模量

Tab.6 The equivalent elastic modulus of pitting steel pipe at different atmospheric corrosion exposure time

海洋大氣環境暴露時間/a沿長度方向變形/10-3mEc/105MPa0～10.000.11902.10014.200.12691.97124.520.13061.91427.730.13221.89230.880.13331.87633.970.13521.85037.010.13801.81240.010.13891.800

由表6可知，在涂層失效之后，隨著大氣暴露時間的增長，點蝕鋼管的等效彈性模量逐漸減小.用冪函數擬合表6涂層失效后等效彈性模量與大氣暴露時間之間的關系，即

(5)

式中：Ec為等效彈性模量，105MPa；t含義同式(3).冪函數擬合公式的相關系數R2= 0.914.

等效彈性模量-大氣暴露時間曲線見圖2.

圖2 等效彈性模量-大氣暴露時間關系

Fig.2 The relationship between equivalent elastic modulus and atmospheric corrosion exposure time

為驗證上述方法所得等效彈性模量Ec的合理性，取一端固支的懸臂圓管，幾何尺寸與前文相同，建立3個模型：

1)未腐蝕構件，彈性模量為E=2.1×105MPa；

2)海洋大氣環境暴露時間為33.97 a的點蝕構件，按照本文第2節基本假定將點蝕孔逐一建立在模型中，見圖1；

3)等效點蝕構件，即截面尺寸與圖1(a)相同，彈性模量取式(5)計算得到的大氣暴露時間33.97 a對應的的等效彈性模量Ec=1.845×105MPa.

三者在均布線荷載10 kN/m作用下的變形見圖3.由計算可知，未腐蝕構件自由端撓度為0.070 mm，點蝕構件自由端撓度為0.077 mm，等效點蝕構件自由端撓度為0.078 mm.點蝕構件與等效點蝕構件自由端撓度幾乎相等，驗證了本文提出的采用等效彈性模量分析腐蝕構件受力性能方法的正確性.

對于均勻腐蝕，構件全長度范圍內截面損失相同，依據式(4)所定義的等效彈性模量，均勻腐蝕構件的等效彈性模量可直接取:

(6)

為比較點蝕與均勻腐蝕對構件等效彈性模量的不同影響，表7列出了相同銹蝕率條件下兩種腐蝕狀態等效彈性模量的數值.由表7可知，相同銹蝕率條件下，依據點蝕計算得到的等效彈性模量小于依據均勻腐蝕計算得到的等效彈性模量，兩者的比值在96.9%～98.3%，原因在于相同銹蝕率條件下點蝕比均勻腐蝕對構件局部截面的削弱更為嚴重.

圖3 懸臂構件均布荷載下變形

Tab.7 The equivalent elastic modulus of pitting corrosion members and uniform corrosion members with the same corrosion rate

海洋大氣環境暴露時間/a銹蝕率/%點蝕條件下等效彈性模量/105MPa均勻腐蝕條件下等效彈性模量/105MPa比值/%0～10.0002.1002.100100.014.203.831.9712.02097.624.527.241.9141.94898.327.737.611.8921.94097.530.888.421.8761.92397.633.979.641.8501.89897.537.0111.141.8121.86697.140.0111.541.8001.85896.9

5 結 論

1)以銹蝕率相等為原則，并考慮涂層壽命的影響，建立了試驗室和海洋大氣條件下銹蝕構件力學性能參數的轉換關系.

2)根據彈性模量的基本力學概念，確定了不同大氣環境暴露時間下點蝕構件的等效彈性模量，得到了自然大氣環境下點蝕鋼構件等效彈性模量實用計算公式.

3)在相同銹蝕率條件下，點蝕構件的等效彈性模量低于均勻腐蝕構件.

4)本文目的是提供一種能夠評價腐蝕后構件力學性能劣化的簡化方法的研究思路.作為一種人工加速腐蝕試驗方法，其與海洋大氣環境并不能嚴格的對應，更無法與自然大氣環境嚴格對應(本文未檢索到自然大氣環境下的腐蝕數據)，但考慮到模型的易用性，本文采用銹蝕率相等的原則進行換算，以提出簡化方法.特請讀者注意.

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(編輯 趙麗瑩)

Simplified analytical method of mechanical property degradation for steel members with pitting corrosion

YE Jihong1, SHEN Huiqian1, XUE Suduo2

(1.Key Laboratory of Concrete and Pre-stressed Concrete Structure (Southeast University), Ministry of Education, Nanjing 210018,China; 2.College of Architecture Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Pitting corrosion is a local and severe form of corrosion, resulting in degradation of the mechanical properties for structural members and security risks for the whole structures caused by sudden accident. A simplified analytical method for the quantitative evaluation of the mechanical properties of steel members with pitting corrosion resistance was proposed by equivalent elastic modulus. Based on experimental data, an analytical method was proposed to calculate the mechanical properties of members with pitting corrosion. In this method, some assumptions about the pitting depth, diameter and distribution were put forward. Considering the influence of the coating life, the relationship of corrosion status between in laboratory and in ocean atmosphere was established according to the same corrosion rate. Based on axial compression FEM model, the equivalent elastic modulus of structural members with pitting corrosion was obtained. Through curve fitting, practical method was proposed to obtain the mechanical properties of members in ocean atmosphere. A numerical example demonstrated the validity of the proposed method using equivalent elastic modulus to analyze the mechanical properties of pitting corrosion members. The calculated results indicate that, with the same corrosion rate, the equivalent elastic modulus of pitting corrosion members is lower than that of uniform corrosion members.

steel members; corrosion; pitting; mechanical property; simplified analytical method

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.009

2015-06-08

國家杰出青年科學基金(51125031)

葉繼紅(1967—)，女，教授，博士生導師

葉繼紅，yejihong@seu.edu.cn

TU391.3

A

0367-6234(2016)12-0070-06