郝贠洪，任 瑩，段國龍，朱敏俠，楊風(fēng)利，張宏杰

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100055）

內(nèi)蒙古中西部地區(qū)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(fā)生［1－3］.該地區(qū)沙漠周邊建有大量的通信塔、橋梁、輸電塔架等鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施，這些鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施表面的涂層長期受到風(fēng)沙環(huán)境的侵蝕作用而過早失效，使得鋼結(jié)構(gòu)外露銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性降低.

鋼結(jié)構(gòu)涂層受風(fēng)沙環(huán)境的侵蝕，實(shí)質(zhì)上是沙粒子對(duì)涂層的沖蝕磨損破壞.目前，對(duì)于風(fēng)沙環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕磨損機(jī)理、沖蝕磨損程度評(píng)價(jià)研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展［4－7］，但關(guān)于沖蝕時(shí)間與實(shí)際工況的相似性分析未見報(bào)道.本文通過氣流挾沙噴射法模擬了風(fēng)沙環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕磨損情況，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，提出了評(píng)價(jià)涂層沖蝕磨損程度的評(píng)價(jià)公式，并運(yùn)用相似性理論，將試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工況進(jìn)行了對(duì)比分析.所得結(jié)果可為工程實(shí)際中準(zhǔn)確評(píng)價(jià)鋼結(jié)構(gòu)涂層受風(fēng)沙侵蝕程度提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)部分

1.1 沙粒特征及風(fēng)沙沖蝕力學(xué)參數(shù)

（1）試驗(yàn)用沙取自內(nèi)蒙古中西部鄂爾多斯北部高原庫布齊沙漠，由篩分試驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù).達(dá)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(xué)顯微鏡對(duì)沙粒形狀進(jìn)行觀測后發(fā)現(xiàn)，沙?；境蕡A形或橢圓形，只有少數(shù)的尖角粒子，這主要是由于沙粒在沙漠中長時(shí)間運(yùn)動(dòng)過程中相互撞擊和磨損造成的.

（2）風(fēng)沙沖蝕力學(xué)參數(shù)主要包括沖蝕速度、沖蝕角度、沖蝕濃度和沖蝕時(shí)間.根據(jù)內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的風(fēng)沙環(huán)境特征，沖蝕速度v 設(shè)定為13，16，18，20，23，26和30 m／s；沖蝕角度α 設(shè)定為15°，30°，45°，60°，75°和90°；沖蝕濃度采用下沙率M 來表示，設(shè)定為90，150和240g／min；沖蝕時(shí)間t設(shè)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(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中“鋼結(jié)構(gòu)涂裝工程”工藝要求進(jìn)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(jí).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(jié)果為4mm，說明其柔韌性較好.

1.3 沖蝕試驗(yàn)裝置及測量方法

試驗(yàn)裝置由高壓氣源系統(tǒng)、供沙系統(tǒng)、沖蝕系統(tǒng)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(yàn)前后鋼結(jié)構(gòu)涂層的質(zhì)量變化，據(jù)此確定沖蝕磨損質(zhì)量損失.

1.4 沖蝕試驗(yàn)結(jié)果

圖1 涂層沖蝕磨損質(zhì)量損失與沖蝕角度的關(guān)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(shí)間t為12min的條件下，涂層的沖蝕磨損質(zhì)量損失wt與沖蝕角度α的關(guān)系圖.由圖1可知，α為45°時(shí)涂層的沖蝕磨損質(zhì)量損失達(dá)到最大，α 為90°時(shí)涂層的沖蝕磨損質(zhì)量損失最小.這主要是因?yàn)?，在低沖角時(shí)，涂層的硬度決定了沖蝕磨損質(zhì)量損失，在高沖角時(shí)，涂層的柔韌性決定了沖蝕磨損質(zhì)量損失.本試驗(yàn)涂層的硬度較低，柔韌性較好，因此低沖角時(shí)的沖蝕磨損質(zhì)量損失大于高沖角時(shí)的沖蝕磨損質(zhì)量損失.

圖2 是在下沙率M 為150g／min，時(shí)間t 為12min條件下得出的沖蝕磨損質(zhì)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(zhì)量損失也不斷增加，這是由于沖蝕速度增大會(huì)加大沙粒的沖蝕動(dòng)能，加劇涂層的沖蝕磨損.

圖2 涂層沖蝕磨損質(zhì)量損失與沖蝕速度的關(guān)系Fig.2 Relationship between erosion mass loss and erosion speed

2 沖蝕磨損程度評(píng)價(jià)公式

以Bitter的沖蝕變形磨損理論［9－10］和文獻(xiàn)［5］中的評(píng)價(jià)公式為基礎(chǔ)，并根據(jù)涂層的物理力學(xué)性能以及沖蝕試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)文獻(xiàn)［5］中的評(píng)價(jià)公式進(jìn)行了調(diào)整，提出以下評(píng)價(jià)公式：

式中：wt，wc，wd分別為總沖蝕磨損質(zhì)量損失、切削沖蝕磨損質(zhì)量損失、變形沖蝕磨損質(zhì)量損失，g；ms為沙塵質(zhì)量，g；ε1，ε2為調(diào)整系數(shù)，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(dāng)α＝α0時(shí)，sin（nα0）＝1，則有n＝π／2α0），另外，當(dāng)α＜α0時(shí)，切削沖蝕磨損質(zhì)量損失大于變形沖蝕磨損質(zhì)量損失，當(dāng)α＞α0時(shí)，變形沖蝕磨損質(zhì)量損失大于切削沖蝕磨損質(zhì)量損失；ψ 為切削沖蝕磨損能耗因數(shù)，m2／s2；η 為變形沖蝕磨損能耗因數(shù)，m2／s2.根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)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(zhì)量損失與沖蝕角度的關(guān)系

設(shè)沖蝕速度為20m／s，沖蝕時(shí)間為12min，下沙率分別為90，240g／min；采用式（1），（2）計(jì)算不同沖蝕角度下的沖蝕磨損質(zhì)量損失并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示.

由圖3可見，2種下沙率下，計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)2條曲線的走勢都比較接近，說明由評(píng)價(jià)公式得出的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.因此利用本文提出的評(píng)價(jià)公式進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕磨損程度評(píng)價(jià)是可靠的.

2.2 沖蝕磨損質(zhì)量損失與沖蝕速度的關(guān)系

設(shè)下沙率為150g／min，沖蝕時(shí)間為12min，沖蝕角度α分別為45°，60°和90°，采用式（1），（2）計(jì)算不同沖蝕速度下的沖蝕磨損質(zhì)量損失并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示.

由圖4可見，3種沖蝕角度下，計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)2條曲線的走勢都比較接近，說明由本文提出的評(píng)價(jià)公式得出的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.因此利用本文提出的評(píng)價(jià)公式進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕磨損程度評(píng)價(jià)是可靠的.

首先，對(duì)決策矩陣規(guī)范化處理，按照式(3)～式(4)。求出每一指標(biāo)的理想解，構(gòu)造求取權(quán)重指標(biāo)的決策模型。根據(jù)式(5)～式(10)，應(yīng)用Matlab計(jì)算。求得權(quán)重結(jié)果為：

3 沖蝕試驗(yàn)結(jié)果相似性分析

利用相似性理論把試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工況進(jìn)行對(duì)比，找到模擬試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際風(fēng)沙環(huán)境對(duì)涂層沖蝕磨損的相關(guān)性，是將試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估的一個(gè)關(guān)鍵問題［11］.

經(jīng)統(tǒng)計(jì)1990年～2012年內(nèi)蒙古中西部地區(qū)發(fā)生沙塵暴次數(shù)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(jù)氣象統(tǒng)計(jì)［12－14］，大范圍爆發(fā)強(qiáng)沙塵暴的標(biāo)準(zhǔn)是3個(gè)及以上觀測站的風(fēng)速≥20m／s，區(qū)域起沙量達(dá)7.8mg／（m2·s），1次沙塵暴中高風(fēng)速持續(xù)時(shí)間大部分在30min以內(nèi).如果考慮100m2范圍內(nèi)對(duì)1個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響，經(jīng)計(jì)算該范圍內(nèi)的下沙率Mp應(yīng)達(dá)到46.8g／min.

以試驗(yàn)中沖蝕速度vm＝30m／s，下沙率Mm＝360g／min，沖蝕時(shí)間t＝12 min 為例.根據(jù)動(dòng)能公式：可知，決定風(fēng)沙粒子流動(dòng)能的2個(gè)因素是其質(zhì)量和速度.現(xiàn)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(zhì)量是隨著時(shí)間的增加而增加的.因此，根據(jù)相似性理論［15－16］，先計(jì)算風(fēng)沙持續(xù)1min時(shí)各物理量的相似比.

圖4 不同沖蝕角度時(shí)沖蝕磨損質(zhì)量損失的計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.4 Comparison of calculated data with tested data of erosion mass loss at different erosion angles

由此可見，計(jì)算結(jié)果與相似理論相符.

以內(nèi)蒙古中西部地區(qū)1年發(fā)生1次強(qiáng)沙塵暴為例，模型的沖蝕時(shí)間t＝12min，原型的1次沙塵暴持續(xù)時(shí)間t＝30min.則模型與原型的動(dòng)能比為：

即試驗(yàn)中沙粒的動(dòng)能約相當(dāng)于實(shí)際沙粒動(dòng)能的7倍.換言之，12min的沖蝕磨損試驗(yàn)對(duì)涂層的沖蝕損傷，相當(dāng)于該地區(qū)按照1年發(fā)生1次強(qiáng)沙塵暴的頻率，鋼結(jié)構(gòu)涂層經(jīng)受了83.0個(gè)月的沖蝕磨損.

由于沙塵暴年發(fā)生次數(shù)不定，所以對(duì)沙塵暴發(fā)生次數(shù)進(jìn)行了假設(shè).按照沖蝕速度為30m／s，下沙率為360g／min，沖蝕時(shí)間不同的試驗(yàn)結(jié)果，可以推算出實(shí)際工況下鋼結(jié)構(gòu)涂層經(jīng)受風(fēng)沙沖蝕磨損的時(shí)間，如表1所示.

表1 按不同沖蝕時(shí)間下的試驗(yàn)結(jié)果推算的實(shí)際工況下沖蝕磨損時(shí)間Table 1 Actual condition erosion time calculated by the experimental results at different erosion time

由于實(shí)驗(yàn)室中不同下沙率對(duì)涂層的沖蝕磨損程度不同，按照沖蝕速度為30m／s，沖蝕時(shí)間為12min，下沙率不同的試驗(yàn)結(jié)果，可以推算出實(shí)際工況下鋼結(jié)構(gòu)涂層受風(fēng)沙沖蝕磨損的時(shí)間，見表2.由表2可知，試驗(yàn)中的下沙率越大，由試驗(yàn)結(jié)果推算的實(shí)際工況中沖蝕磨損時(shí)間越長.

表2 按不同下沙率下的試驗(yàn)結(jié)果推算的實(shí)際工況下的沖蝕磨損時(shí)間Table 2 Actual condition erosion time calculated by the experimental results at different sand－dose

4 結(jié)論

（1）鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕磨損質(zhì)量損失隨著沖蝕速度的增加而增加.

（2）在沖蝕角度為45°時(shí)涂層的沖蝕磨損質(zhì)量損失最大，而在90°時(shí)最小.

（3）由本文提出的評(píng)價(jià)公式計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明利用該評(píng)價(jià)公式進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕磨損程度評(píng)價(jià)是可靠的.

（4）運(yùn)用相似性理論對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，推算出了鋼結(jié)構(gòu)涂層在實(shí)際工況下的沖蝕磨損時(shí)間.

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