溫室大棚常用鍍鋅圓鋼管應用力學性能試驗研究

蔣希芝， 徐 磊， 夏禮如， 柳 軍， 孟力力， 趙永富

(1.江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所，江蘇南京 210014； 2.農業部長江中下游設施農業工程重點實驗室，江蘇南京 210014

中國的設施農業發展很快，已建成了相當規模的鋼架大棚和日光溫室農業設施[1-2]。與以往的竹木骨架、鋼筋焊接、混合泥土等結構相比，鍍鋅鋼管具有結構強度高、耐蝕性能好、金屬用量少、安裝施工方便、生產價格低等顯著的優異性能，得到廣泛的應用[3]。但在發展過程中發現了一些質量問題，造成了很大的損失。質量問題主要體現在2個方面：一方面大棚和溫室結構不合理，對風、雨、雪等自然災害抵抗較弱；另一方面是鋼管材料的質量問題，其力學性能、耐腐蝕性能等不合格，縮短了使用壽命[4]。目前，關于塑料大棚和日光溫室結構方面的研究較多[5-7]，已取得一些研究成果。俞永華等對塑料大棚結構承載特性進行研究，將塑料大棚失效分為線彈性、大位移、材料彈塑性、屈曲失穩破壞4個階段[8]。李曉野建立了鋼管塑料大棚結構計算模型并進行載荷分析，提出了結構優化方法[9]。齊飛等針對連棟溫室的特點，提出了切合實際的鋼架結構框架穩定設計方法[10]。周長吉一直致力于日光溫室的結構設計和載荷研究，對比研究了不同結構溫室性能的優劣，提出了溫室設計原則和標準[11]。Briassoulis等通過數值分析和模擬，總結出風雪等外因及高度跨度比等內因均影響溫室結構穩定性[12-13]。

目前的研究多集中于大棚和溫室的結構設計和載荷計算方面[14-15]，而關于鋼管材料自身的質量問題鮮有研究。由于溫室大棚結構及環境特點，鋼管材料主要受高溫老化、浸水腐蝕的影響，從而被削弱力學性能，因此，本研究選取不同壁厚和不同直徑的鍍鋅鋼管，模擬溫室大棚中對鋼管力學性能影響最大的高溫高濕環境，分別對其進行水浴處理和熱空氣老化處理，通過拉伸、壓扁、硬度試驗，對比分析壁厚、直徑、高溫高濕環境對鍍鋅鋼管拉伸強度、斷裂伸長率、抗壓性能、硬度的影響，并從理論上探討了產生影響的原因，為溫室大棚鋼管材料的選擇與使用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗對象

供試溫室大棚常用的鍍鋅鋼管為熱鍍鋅焊接鋼管，熱帶冷軋制成，取自江蘇省農業科學院五連棟大棚施工工地，共8種常用圓形鋼管，不同尺寸如下：外徑Ф25 mm，壁厚分別為1.5、1.8、2.0 mm；Ф32 mm，壁厚分別為1.5、1.8、2.0 mm；Ф42 mm，壁厚2.0 mm；Ф48 mm，壁厚2.0 mm。

1.2 試驗方法

1.2.1 拉伸試驗 按照GB/T 228.1—2010標準，將鋼管切割成長度為220 mm的試樣，每種尺寸的鋼管取9個試樣，分成3組，每組3個平行試樣，分別進行未處理、水浴處理和熱空氣老化處理后，采用CMT5305微機控制電子萬能試驗機，最大試驗力300 kN，試驗力測量范圍0.2%～100%，示值相對誤差±1.0%，拉伸速度6 mm/min，進行拉伸試驗，取平均值作為最終拉伸強度和斷裂伸長率。

1.2.2 壓扁試驗 按照GB/T 246—2007標準，將鋼管切割成長度為100 mm的試樣，每種尺寸的鋼管取9個試樣，分成3組，每組3個平行試樣，分別進行未處理、水浴處理和熱空氣老化處理后，采用SHT4106型微機控制電液伺服萬能試驗機，最大負荷1 000 kN，試驗力測量范圍1%～100%，示值相對誤差±1%，壓板速度6 mm/min，進行壓扁試驗，觀察裂紋情況。

1.2.3 硬度試驗 按照GB/T 4340.1—2009標準，將鋼管切割成長度10 mm的試樣，每種尺寸的鋼管取9個試樣，分成3組，每組3個平行試樣，分別進行未處理、水浴處理和熱空氣老化處理后，采用VH-50AC型維氏硬度計，測量范圍8～2 967 HV，試驗力98.0 N，進行硬度試驗，取平均值作為最終硬度值。

1.2.4 試樣處理 水浴處理：模擬農田高溫高濕環境(大棚內最高溫度一般為60 ℃)，參考GB 10703—1989和GB 6458—1986，將試樣放入HH-4型數顯恒溫水浴鍋中，60 ℃水浴72 h，對鍍鋅鋼管進行水浴處理，然后取出擦干表面水滴，室溫下進行力學性能試驗。熱空氣老化處理：模擬農田高溫環境(大棚內最高溫度一般為60 ℃)，根據GB/T 18244—2000規定，將試樣放入DHG-9070型鼓風干燥箱中，60 ℃鼓風干燥168 h，對鍍鋅鋼管進行熱空氣老化處理，然后取出，室溫下進行力學性能試驗。

2 結果與分析

2.1 鍍鋅鋼管拉伸性能變化特性分析

不同鋼管的拉伸試驗結果如表1所示。由表1可知，當Ф25 mm鋼管壁厚由1.5 mm增加到1.8 mm時，未處理的拉伸強度僅降低2 MPa，熱空氣老化處理時拉伸強度只降低10 MPa，而水浴處理的鋼管拉伸強度降低較多，為67 MPa；當Ф25 mm鋼管壁厚由1.8 mm增加到2.0 mm時，未處理、水浴處理、熱空氣老化處理的鋼管拉伸強度均大大降低，分別降低119、80、106 MPa。Ф32 mm鋼管壁厚由1.5 mm增加到 1.8 mm，再增加到2.0 mm時，未處理鋼管拉伸強度分別逐漸降低24、39 MPa，而水浴處理和熱空氣老化處理的鋼管拉伸強度變化十分接近，一直保持在50 MPa上下。當Ф25 mm鋼管壁厚由1.5 mm增加到1.8 mm，未處理和水浴處理的斷裂伸長率總體保持不變，熱空氣老化處理的斷裂伸長率增加3百分點；Ф25 mm鋼管壁厚由1.8 mm增加到2.0 mm時，未處理、水浴處理、熱空氣老化處理的鋼管斷裂伸長率分別增加4百分點、8百分點、8.5百分點。Ф32 mm鋼管壁厚由1.5 mm增加到1.8 mm，再增加到2.0 mm時，未處理鋼管斷裂伸長率分別增加9.5百分點、7.0百分點，水浴處理均增加8.5百分點，熱空氣老化處理均增加6.5百分點。這可能是由于溫度升高，若同時再有水的作用，產生腐蝕，壁厚越大，材料均勻性降低，鋼管金屬膨脹越厲害，使得鋼管韌性增大，導致鋼管拉伸強度降低，斷裂伸長率增大。

不同直徑的鋼管，壁厚2 mm，變化規律最為明顯，相同處理條件下，直徑為25、32、42、48 mm的鋼管拉伸強度下降幅度很接近，均逐漸降低20 MPa左右。但斷裂伸長率變化相差較大，壁厚2 mm時，直徑由25 mm增大到32 mm，未處理、水浴處理、熱空氣老化處理的鋼管斷裂伸長率分別增加10.5百分點、9百分點、3百分點；Ф32 mm后，直徑繼續增大，斷裂伸長率增幅均不超過2百分點。壁厚一定時，直徑越大，金屬材料用量越大，但均勻性降低，使得拉伸強度降低，斷裂伸長率增大。以上分析表明，鋼管壁厚和直徑大小是影響鋼管拉伸性能的主要因素，而高溫和高濕作用會加速削弱鋼管的拉伸性能。

表1 不同鋼管的力學性能試驗結果

2.2 鍍鋅鋼管壓扁性能變化特性分析

不同鋼管的壓扁試驗結果見表1。由表1可知，僅直徑為25 mm，壁厚為1.5 mm和1.8 mm的鋼管開裂，其余均無裂紋。結果表明，增加壁厚和直徑有助于改善鋼管的抗壓性能。這可能是由于鋼管所受的拉應力之和大于金屬的抗拉強度時，則試樣上出現裂紋。薄壁管裂紋出現在受拉應力的水平母線上，厚壁管裂紋出現在受拉應力的垂直母線上[16]。壁厚和直徑都較小時，進行壓扁試驗，鋼管受橫向應力的作用較大，易發生橫向變形[17]，水平方向的拉應力最大，因此，Ф25 mm 的鋼管容易開裂。鋼管壓扁試驗示意如圖1所示。A點為壓應力，其附近金屬被壓縮，a點為拉應力，其附近金屬被拉伸，B點為拉應力，金屬被拉伸，b點為壓應力，金屬被壓縮。當B點或a點的拉應力之和大于金屬的抗拉強度時，則試樣上出現裂紋。薄壁管B-b方向的拉應力最大，裂紋出現在B點母線上，容易開裂[18]。

2.3 鍍鋅鋼管維氏硬度變化特性分析

不同鋼管的維氏硬度試驗結果見表1。由表1可知，當Ф25 mm鋼管壁厚由1.5 mm增加到1.8 mm時，未處理、水浴處理、熱空氣老化處理的鋼管硬度分別減小了18、15、32 HV；當壁厚由1.8 mm增加到2.0 mm時，未處理、水浴處理、熱空氣老化處理的鋼管硬度均大大降低，分別減小了50、49、37 HV。Ф32 mm鋼管壁厚由1.5 mm增加到1.8 mm時，未處理、水浴處理、熱空氣老化處理的鋼管硬度分別減小了33、49、44 HV；壁厚1.8 mm和2.0 mm的硬度非常接近，未處理鋼管硬度減少了7 HV，而水浴處理和熱空氣老化處理鋼管硬度均僅減少了1 HV。這可能是由于壁厚越大，材料在軋制過程中的均勻性會有所降低，受力相同的情況下，壓頭壓入金屬，金屬較易產生形變，形成較大壓痕，因此硬度值減小。

不同直徑下，壁厚2 mm鋼管硬度變化規律最明顯，相同處理條件下，直徑為25 mm和32 mm的鋼管硬度很接近，均在140 HV左右。隨著直徑的增大，Ф42 mm和Ф48 mm硬度在 130 HV 左右。這可能是由于直徑越大，金屬韌性越好，產生形變越明顯，壓痕也較大，因此硬度值較小[19]。以上分析表明，壁厚是影響鋼管維氏硬度的主要因素，直徑影響較小，高溫高濕作用對鋼管硬度有一定的影響。

3 結論

相同直徑，相同處理條件下，鋼管壁厚增加，拉伸強度降低，斷裂伸長率增大，且隨著壁厚的增加，高溫高濕作用加速了鋼管拉伸強度的降低，且對斷裂伸長率增大效果越明顯。相同壁厚，相同處理條件下，鋼管直徑增加，拉伸強度降低，斷裂伸長率增大，且高溫高濕作用對拉伸強度影響較小，對斷裂伸長率影響明顯。Ф25 mm，壁厚1.5 mm的未處理鋼管拉伸強度最大，達558 MPa，斷裂伸長率較小，為11.5%；Ф48 mm，壁厚2.0 mm的未處理鋼管拉伸強度最小，為 376 MPa，斷裂伸長率較大，可達到27.5%。

壁厚和直徑都較小時，進行壓扁試驗，鋼管受橫向應力的作用較大，發生橫向變形，因此，Ф25 mm，壁厚1.5 mm和 1.8 mm 的鋼管容易開裂，壁厚和直徑越大，抗壓性能越好。

相同直徑，相同處理條件下，鋼管壁厚增加，維氏硬度減小，且隨著壁厚的增加，高溫高濕作用對鋼管硬度的影響減小。相同壁厚，相同處理條件下，鋼管直徑增加，維氏硬度減小，但減小幅度不超過12 HV。壁厚是影響鋼管維氏硬度的主要因素，直徑影響較小，高溫高濕作用對鋼管硬度有一定的影響。Ф25 mm，壁厚1.5 mm的未處理鋼管硬度最大，為210 HV；Ф48 mm，壁厚2.0 mm的未處理鋼管硬度較小，為127 HV。