鐘宏偉,徐善華,李 軍,孔正義

(1.西安建筑科技大學土木學院,陜西西安 710055;2.安徽海杰建設工程有限公司,安徽合肥 230051)

銹蝕鋼構件安全評定指標初探

鐘宏偉1,徐善華1,李 軍2,孔正義1

(1.西安建筑科技大學土木學院,陜西西安 710055;2.安徽海杰建設工程有限公司,安徽合肥 230051)

鋼結構在長期運行過程中,由于周圍環(huán)境的影響,鋼構件表面發(fā)生不同程度的銹蝕,當銹蝕程度達到一定量時,將對鋼結構造成安全隱患。應用粗糙度理論對鋼材表面點蝕進行了分析,采用一組低碳鋼試件進行試驗研究,首先對試件進行人工化學銹蝕,除銹后再利用粗糙度檢測儀對試件表面銹蝕情況進行檢測。繪出了試件表面銹蝕坑輪廓圖,提出了兩種銹蝕坑缺陷面積的計算方法,初步提出了用缺口系數(shù)來描述銹蝕鋼構件安全評價指標,該概念的提出為進一步研究銹蝕鋼構件、乃至鋼結構安全評定提供了一種新思路。

銹蝕鋼構件;安全評定;蝕坑;粗糙度;缺陷面積;缺口系數(shù)

0 引 言

腐蝕形態(tài)主要分為全面腐蝕、局部腐蝕。全面腐蝕是指整個構件表面各處具有相同的腐蝕速率,截面尺寸均勻減薄的腐蝕;局部腐蝕主要是點蝕,是在金屬表面局部形成一些小而深的孔洞,見圖1所示。

圖1 蝕坑形狀

腐蝕對結構造成的損傷是很嚴重的,有時甚至會導致工程事故的發(fā)生。2004年發(fā)生的萊蕪鋼鐵股份有限公司特鋼廠煉鋼主廠房倒塌,2004年陜西重型機器廠鑄鋼車間倒塌和2005年發(fā)生在俄羅斯丘索沃伊市的游泳館鋼結構頂棚坍塌,1965年美國一條輸油管線因腐蝕破裂引起大火,造成17人死亡,1980年我國北海油田某采油平臺發(fā)生腐蝕破壞,致使123人喪生等,這些事故起因都是由于構件的腐蝕造成的,其不僅給國家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟損失,也造成了人員傷亡[1]。因此,如何對腐蝕后的構件進行安全性評估,已成為各國學者研究的一個重要課題。

1 問題提出

全面腐蝕是因為截面尺寸的均勻減薄,在評定時可以直接對構件截面進行折減,局部腐蝕因為是局部構件截面損失,常引起應力集中,如直接對構件截面進行折減,將影響到構件的安全,同時點蝕深度、形狀、位置、數(shù)量具有很大的隨機性,因此,如何評定點蝕對結構安全性能的影響是評估中的重點,而點蝕的表征方法是評估點蝕的一個難點工作,因此,國內外學者針對點蝕做了大量的研究工作。

2 表征方法提出

文獻[2,3]在實驗室對鈍態(tài)不鑄鋼坑腐蝕試驗的結果,

式中:t為腐蝕時間(d);μ為介質濃度(%);T為環(huán)境溫度(℃);ε為誤差為隨機變量;xmax為孔蝕最大深度(cm);β=(β0,β1,β2,β3)為系數(shù)向量,可由樣本估計。

文獻[4]對實驗室坑蝕數(shù)據(jù)進行分析,提出用Logistic模型來處理坑蝕數(shù)據(jù),并用數(shù)據(jù)表明其優(yōu)于極值I型分布規(guī)律;進行統(tǒng)計理論分析,表明坑蝕最大深度的分布符合極值I型分布規(guī)律

式中:π為失效概率,試樣上出現(xiàn)穿孔時即為失效;x為函數(shù)變量;i為獨立變量的個數(shù),β =(β0,β1,β2,β3)為系數(shù)向量,可由樣本估計。

文獻[5,6]通過試驗分析了銹蝕鋼筋的力學性能,采用了截面損失率和最大截面損失率來考慮點蝕影響。重量損失率:

文獻[7]給出了點蝕評定辦法,把蝕坑分為七類,見圖2所示。

圖2 蝕坑等級標準樣圖

以上這些研究主要是針對最大點蝕深度統(tǒng)計規(guī)律,或者直接用平均截面損失率或最大截面損失率來表征局部腐蝕,而通過對腐蝕后的力學性能的試驗研究,尤其疲勞性能,發(fā)現(xiàn)影響其性能的有蝕坑形狀、尺寸、深度,還有表面粗糙度、厚度、材料等[8],因此,用最大點蝕深度或平均截面損失率、最大截面損失率并不能很好的表征局部銹蝕。

表面粗糙度是指加工面上具有較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀,用來描述機械鑄造表面質量的,通過二維表面粗糙度儀可測出機械表面的粗糙度,即機械表面二維輪廓線,類似波浪,如圖3,然后通過參數(shù):輪廓中心線Ra、輪廓谷深Yv、輪廓高度Yp、輪廓單峰平均間距S等等來評估機械表面加工質量對機械性能的影響[9]。

粗糙度可以描述表面幾何形狀,從30年代起,各國學者對表面粗糙度定量評定參數(shù)進行了研究,如美國的Abbott就提出用距表面輪廓峰頂?shù)纳疃群椭С虚L度率曲線來表征表面粗糙度。1936年出版了Schmaltz論述表面粗糙度的專著,對表面粗糙度的評定參數(shù)和數(shù)值的標準化提出了建議。如今,在鑄造金屬方面,機械加工方面,粗糙度理論應用已很廣泛,各國也制定了相應的標準,文獻[10]給出了粗糙度評定標準。

圖3 粗糙度輪廓圖

銹蝕構件除銹后其表面局部銹蝕引起的蝕坑形狀也是具有一定幾何形狀的,因此可以利用粗糙度理論對腐蝕后的表面進行分析,即可以利用粗糙度作為金屬和合金點蝕的表征方法。

輪廓中心線Ra為損失后的截面平均值,輪廓谷深Yv為點蝕深度與輪廓中心線Ra之間距離;輪廓最大谷深Rm即為最大點蝕深度與輪廓中心線Ra之間的距離;輪廓高度Yp為蝕坑邊緣與輪廓中心線Ra的距離;輪廓最大高度Rp即為截面損失最小處與輪廓中心線Ra的距離;相鄰輪廓高度之間距離為點蝕尺寸,從而把點蝕與粗糙度很好地進行了結合。

但是粗糙度理論有很多參數(shù),很難運用某幾個參數(shù)對腐蝕構件進行安全評定,但可以借助粗糙度檢測儀來測量銹坑深度,從而為安全評定提供手段。

3 試驗研究

從自然銹蝕低碳鋼構件上切取部分,加工成拉伸標準試件,一組共3個試件,在加入緩沖劑的 12%(質量比)的鹽酸溶液中浸泡20min～30 min后,用鋼絲刷清除表面銹蝕產(chǎn)物,除銹前后的試件如圖4、圖5。

圖4 除銹前試件

圖5 除銹后試件

清水沖洗干凈后,用TR300粗糙度測量儀分別測量其銹蝕表面輪廓,取樣長度為15 mm,取樣間隔為1 μ m,采樣點數(shù)為15 000見圖6。

圖6 銹蝕表面輪廓

4 數(shù)據(jù)處理與分析

測出曲線后,可以采取如下計算方法:

假設蝕坑如圖7所示,將板面上銹蝕區(qū)域長度Lx進行等間距分割,假設進行n等分,每段長度為x,通過測量可得每一等分點處的銹蝕深度,計為d0,d1,d2,……dn-1,dn,如圖8所示。當n足夠大時,那么我們就可以認為銹蝕損失面積可表示為:

對于復雜的銹蝕輪廓曲線,也可以在matlab中輸入數(shù)據(jù),對曲線進行分段擬合,擬合后對曲線采用微積分,來求得面積損失,如下式:

圖7 板銹蝕輪廓示意圖

圖8 銹蝕面積求解方法示意圖

其中d是x的函數(shù),從而可以求得面積損失A。同樣,分段越細,A值也就越精確。

根據(jù)粗糙度檢測儀測得數(shù)據(jù),利用公式(1),分別求出面積(a)、(b)、(c)損失為 13.77 mm2、17.96 mm2、21.95 mm2。

如今,在機器零件上對臺階、鍵槽、油孔、螺紋等處存在的應力集中,常采用疲勞缺口系數(shù)來考慮其對疲勞強度的影響,因為應力集中常導致在較低的名義應力下產(chǎn)生疲勞斷裂[11],同時疲勞裂紋常常從零件表面開始,因此表面狀態(tài)對零件疲勞強度的影響也較大[12],為表示應力集中和表面加工對疲勞強度的影響,引入疲勞缺口系數(shù)。

從而很好的解決了機械疲勞壽命的預測問題[13]。

蝕坑對強度的影響可以仿效疲勞中缺口系數(shù)Kf來建立與強度等力學性能的退化模型,此處缺口系數(shù)Kf:

Kf與缺陷面積A值有關,然而兩者之間關系,還在進一步研究。

有了Kf后即可以進行構件安全評定,以腐蝕后受拉桿件為例:

式中:σ為應力,N為拉力設計值,A為鋼材截面積,f為銹蝕前設計強度,從而可以看出通過Kf可以對銹蝕后構件進行安全評定。對于腐蝕后受彎等構件,同樣可以在銹蝕前設計強度基礎上除以Kf系數(shù)來進行安全評定。

5 結 語

本文首次運用粗糙度理論對鋼材表面點蝕進行了分析,利用粗糙度檢測儀檢測出了蝕坑尺寸,并求出蝕坑缺陷面積,提出用缺口系數(shù)Kf來建立腐蝕鋼材強度退化模型,對腐蝕后鋼構件安全評定進行了初步探討。

[1]潘典書.銹蝕鋼結構構件受彎承載性能研究[D].西安:西安建筑科技大學,2009.

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[11]趙少汴.抗疲勞設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.

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[13]趙少汴,王忠保.疲勞設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992.

Discussion on Indexes for Safety Assessment of Corrosion Steel Structures

ZHONG Hong-wei1,XU Shan-hua1,LI Jun2,KONG Zheng-yi1
(1.College of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an,Shaanxi710055,China;2.Anhui Haijie Construction Engineering Co.,Ltd.,Hefei,Anhui230051,China)

The surface corrosion on steel structures would cause the latent troubles in safety.The surface roughness theory is used here to analyze the pitting corrosion of steel,and the roughness tester is used for detection of the corrosion pit size,so the defecting area is calculated.At last,the notch coefficients is suggested to establish themodel of strength degradation for the corrosion steel.All these as mentioned above would provide a new idea for the safety assessment of steel structures.

corrosion steel member;safety assessment;corrosion pit;roughness;defect area;notch coefficient

TU503

A

1672—1144(2010)02—0006—03

2009-12-18

2010-01-08

國家自然科學基金項目(50778151);十一五”國家科技支撐計劃重大項目(2006BAJ03A02);城市與工程安全減災教育部重點實驗室開放基金項目、北京市重點實驗室開放基金項目(EESR2009-06)

鐘宏偉(1977—),男(漢族),河南駐馬店人,碩士研究生,主要從事鋼結構耐久性研究。

徐善華(1963—),男(漢族),江蘇南通人,教授,博導,研究方向為工程結構可靠性。