碼頭鋼構件涂層沖蝕特性研究

(重慶交通大學 重慶 400000)

碼頭鋼構件涂層沖蝕特性研究

曾麗琴

(重慶交通大學重慶400000)

本文依托重慶果園港碼頭鋼構件防腐工程，基于對內河含沙水流沖蝕環境的分析，進行沖蝕流速、沖角及沖蝕周期下的鋼構件涂層沖蝕試驗。通過物理模型試驗研究含沙水流條件下鋼構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。

鋼構件；涂層；沖蝕特性；模型試驗

一、引言

大型碼頭的建設中，由于存在覆蓋層淺及深水施工等問題，碼頭下部結構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構。從實際效看，經水流沖刷一年左右，防腐涂層就出現大范圍脫落，鋼構件銹蝕嚴重。出現該問題的原因主要是內河大流速含沙水流對防腐涂層的沖蝕嚴重。

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，還受涂層本身力學性能的影響。通過表面處理(表面清潔度St3級，粗糙度均值28um)制備若干組鋼片試件，以50um為量級涂覆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其抗沖擊性和硬度的影響。

從涂層沖擊破壞形貌可以發現，涂層抗沖擊性隨厚度增加近似呈線性增強，在厚度約400um時達到最大值，隨后出現下降趨勢。這是由于涂層厚度過大，層間內聚力將下降，導致涂層附著力減弱，容易被沖擊擠出。不同厚度下涂層硬度在2H～3H間，內河泥沙顆粒多為石英、長石，其硬度遠大于涂層硬度。

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

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

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間的增加呈現由低流速向高流速過渡的階段性變化：

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

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

(3)在沖蝕時間270～360h，較大流速下(>1.0m/s)涂層整體失重率增長趨勢有所減緩。此時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，泥沙顆粒對涂層表面有效作用面積相對減小。

從總體趨勢來看，在大流速下，涂層質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趨勢緩慢。從涂層質量損失隨時間變化的趨勢來看，其沖蝕過程分為緩增期、加速期、減緩期三個階段。

圖3-1 不同流速下涂層整體沖蝕率隨時間的變化

圖3-2 不同時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)條件下沖蝕相同時間，其質量損失的變化規律與多沙條件下相似，水流流速越大，涂層失重率增長趨勢越明顯，但涂層在低沙條件下沖蝕疲勞損傷過程發展較慢。

圖3-3 不同流速下涂層整體沖蝕率隨時間變化

(二)涂層局部沖蝕率

如圖3-4所示，為提高測量數據可靠性與準確性，試驗中采用自制模具，對各涂層試件沖蝕角度進行統一劃分。其中以模型鋼管中間正對水流方向為頂沖角90°，依次標定試件兩側60°、45°、30°、0°以及-45°沖角位置。采用MT600涂層測厚儀對涂層各沖蝕角度的損失厚度進行檢測，取每個測點5次測值平均值為代表值，控制相對平均差在1%以內。通過各沖蝕角度下涂層厚度的損失量，來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程中，泥沙顆粒受繞流影響，在到達模型樁前均向兩側偏移，導致有效撞擊到90°沖角的顆粒較少，但隨著流速增大，泥沙顆粒獲得更大動能，其運動路徑偏移量減小，正面撞擊的泥沙數量開始增加，故在大流速下，90°沖角的涂層厚度出現損耗。而0°沖角涂層厚度損失主要來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)的涂層在大流速下也出現厚度損失，這是由于泥沙顆粒在低流速下對涂層表面基本無接觸，但隨著流速增大，樁后流態更紊亂，形成漩渦水流結構，導致有少量顆粒作用到涂層上，才出現明顯損傷。

隨后分別進行含沙量3.6kg/m3條件下涂層沖蝕180h、270h、360h后的厚度變化。試驗分析得出，在30°～60°沖蝕角度間，涂層沖蝕率上升趨勢明顯，并且隨著沖蝕時間增長，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間的增長幅度較小。在不同流速下，涂層表面損傷均以45°沖角左右最為嚴重。

圖3-6 不同角度下涂層表面厚度損失與水流流速的關系(90h)

四、結論

(一)含沙量一定時，涂層在大流速下(≥1.5m/s)的沖蝕率隨時間大致呈線性增長趨勢，其沖蝕過程中存在明顯的緩增期、加速期和減緩期三個階段，而在低流速下(<1.0m/s)的沖蝕率增長趨勢較為平緩。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“中間大，兩邊小”的趨勢。

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

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