◎曹欣 中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)有限公司深圳分公司

1.案例工況

在對(duì)不同濃度下氯離子給吊索鋼絲繩造成的腐蝕速率進(jìn)行分析時(shí)，將氯離子的濃度設(shè)置成為變量，其余因素不做任何的改變，以氯化鈉預(yù)沉積法設(shè)置的氯化鈉濃度為依據(jù)，設(shè)置出四種不同的工況，分別對(duì)3天、7天和15天的腐蝕失重情況進(jìn)行測(cè)量，具體得出結(jié)論詳見表1。

表1 試驗(yàn)工況的具體內(nèi)容

2.試驗(yàn)材料與方法

2.1 試樣的選擇及處理

在對(duì)碳鋼腐蝕性能進(jìn)行試驗(yàn)的過程中，使用的主要試件為矩形鋼片，吊索截面的形狀以不規(guī)則狀為主，鋼絲與外側(cè)鋼絲的接觸縫隙是吊索的主要腐蝕面。為了使試件的腐蝕狀態(tài)變得更加接近實(shí)際情況，結(jié)合大橋吊索的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)信息，選擇使用鋼絲繩試樣；直徑為6cm的吊索是大橋的主要施工材料，吊索的根數(shù)設(shè)置為900多根，結(jié)構(gòu)設(shè)置為8×41SW+IWR，西魯式設(shè)置為S，瓦林吞式設(shè)置為W，對(duì)鋼絲繩的燒制方式進(jìn)行充分的體現(xiàn)；西魯瓦林吞式設(shè)置為SW，鋼芯設(shè)置為IWR。吊索鋼絲繩截面的具體情況詳見圖1。

圖1 大橋吊索截面圖示

探索型試驗(yàn)是該試驗(yàn)前期的主要形式，對(duì)現(xiàn)存的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行充分分析以后，最后選擇使用與大橋吊索繞制模式一樣的方式，試樣為直徑比較小的鋼絲繩。鋼絲繩的最小和最大破斷力分別設(shè)置為160kN和180kN。6×36WS+IWR是其結(jié)構(gòu)的主要類型，直徑設(shè)置為1.6cm。鋼絲繩截面的具體情況詳見圖2。

圖2 試驗(yàn)使用的鋼絲繩截面圖示

處理試樣：將試樣全部處理成為小段，長(zhǎng)度大約為10cm，試樣放入到洗滌液里，使用刷子清理干凈試樣表面雜質(zhì)，用清水沖洗，再放入到丙酮溶液中，利用超聲完成再次清洗工作，烘干。

2.2 試驗(yàn)方法

試樣選擇鋼絲繩的主要原因?yàn)榇髿鈺?huì)給吊索造成不同程度的腐蝕，腐蝕部位以鋼絲繩表面鋼絲裸露在外的部位為主，其保護(hù)層易于出現(xiàn)破壞的情況。該試樣只清除了表面的黃油保護(hù)層，試樣為鋼絲繩，而不是鋼絲，這就與實(shí)際情況更加接近。

氯化鈉預(yù)沉積法需要先對(duì)試樣進(jìn)行稱重和編號(hào)，配置好不同比例的氯化鈉溶液，將其中的0g/L溶液設(shè)置為對(duì)照組。在各中濃度的溶液中放入試樣，浸泡一分鐘后立即取出，使用吹風(fēng)機(jī)將其吹干。每一種工況設(shè)置的試樣數(shù)量分別為13個(gè)，在不同的時(shí)間段完成表面微觀狀況和腐蝕失重情況的觀測(cè)，將黃油涂抹在試樣的兩端，防止試樣兩端截面出現(xiàn)被銹蝕的情況。

將密閉試驗(yàn)箱放置在溫室中，使得試驗(yàn)的濕度和溫度得到了高效的控制，試驗(yàn)箱的主要材質(zhì)為透明的亞克力板，試驗(yàn)箱中設(shè)置試驗(yàn)架，將試樣懸掛在試驗(yàn)架上。在對(duì)溫室內(nèi)的溫度進(jìn)行控制時(shí)，使用的裝置為加熱裝置和溫控器，使用加濕器和溫控器實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)箱中濕度的高效控制。在試驗(yàn)箱的試驗(yàn)架上使用塑料繩將試樣懸掛好，試驗(yàn)的主要方法為干濕循環(huán)法。

2.3 結(jié)果與分析

（1）試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到3天、7天和15天時(shí)，在不同濃度氯離子的環(huán)境中，鋼絲繩的腐蝕情況出現(xiàn)了不均勻的情況，鋼絲繩端部結(jié)構(gòu)的顏色比較深，呈現(xiàn)出松散的狀態(tài)，腐蝕產(chǎn)物也很多，鋼絲繩中間纏繞位置的顏色則比較淺，以鋼絲繩基質(zhì)為主，腐蝕產(chǎn)物也很少。鋼絲繩股與股纏繞的結(jié)合位置處腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)了大量的堆積，碳鋼鋼片的腐蝕情況比較弱，特定結(jié)構(gòu)位置處沒有腐蝕性產(chǎn)物存在，腐蝕性產(chǎn)物在局部位置聚集以后，會(huì)給金屬造成不同程度的腐蝕作用。鋼絲繩吊索在實(shí)際使用的過程中，會(huì)對(duì)拉力進(jìn)行承受，鋼絲繩的腐蝕情況也會(huì)受到應(yīng)力狀況的直接影響。在氯離子濃度、濕度和溫度一致的情況下，隨著試驗(yàn)時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，鋼絲繩的銹跡也會(huì)越來越明顯；而隨著氯離子濃度的不斷增加，鐵銹也會(huì)出現(xiàn)不斷地積累，鋼絲繩顏色也會(huì)隨之加深。

試驗(yàn)結(jié)束以后，使用失重計(jì)算公式來對(duì)失重情況進(jìn)行全面的分析。具體使用的公式為：

公式中：?jiǎn)挝幻娣e的腐蝕失重設(shè)置為C，單位為g/m；腐蝕前樣品質(zhì)量設(shè)置為w，單位為g；腐蝕產(chǎn)物除去后樣品質(zhì)量設(shè)置為w，單位為g；鋼片面積設(shè)置為S，單位為m。片狀試樣是鋼片的主要形式，其結(jié)論代表著單位面積的腐蝕失重；線狀試驗(yàn)是鋼絲繩的主要形式，其結(jié)論代表著單位長(zhǎng)度的腐蝕失重，所以對(duì)公式進(jìn)行了修改，即：

公式中：鋼絲繩的長(zhǎng)度設(shè)置為L(zhǎng)，單位為cm；單位長(zhǎng)度的腐蝕失重設(shè)置為C，單位為g/cm，腐蝕前樣品質(zhì)量設(shè)置為w，單位為g；腐蝕產(chǎn)物除去后樣品質(zhì)量設(shè)置為w，單位為g。腐蝕試驗(yàn)完成以后，使用有六次甲基四胺、蒸餾水和鹽酸組成的除銹液將鋼絲繩表面的銹跡去除干凈，重新稱其重量。試樣的長(zhǎng)度設(shè)置為10cm，每一種工況下的腐蝕時(shí)間與腐蝕失重的關(guān)系詳見圖3。工況1的鋼絲繩腐蝕失重曲線處于最低的位置，其與工況4的鋼絲繩腐蝕失重曲線進(jìn)行比較，伴隨著時(shí)間的不斷變化，二者間的偏差也越來越明顯；鋼絲繩的腐蝕失重與氯離子的濃度成正比，環(huán)境中氯離子的濃度越高，腐蝕的速率也會(huì)隨之增快。工況1、工況2和工況4的曲線腐蝕速率慢慢地降低，在相同的濃度下，隨著時(shí)間的不斷推移，鋼絲繩的腐蝕速率會(huì)出現(xiàn)降低的情況，與鋼片腐蝕失重的速率存在著很大的不同。

圖3 鋼絲繩腐蝕失重情況

2）分析腐蝕產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)。在試驗(yàn)工作以前，將試樣放大幾百倍后，實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的高效分析。放大100 倍以后，表面以致密鐵基質(zhì)為主，紋理清晰可見，分布形式為順著鋼絲繩長(zhǎng)度方向以層狀形式分布，會(huì)有少許的顆粒狀物體存在表面上。放大到500倍，表面溝壑清晰可見，溝壑的成因可能是刷子洗刷造成的，會(huì)有少量的隆起泡狀物分布在鋼絲表面，究其原因?yàn)?，鋼絲放置時(shí)間比較長(zhǎng)，儲(chǔ)存箱中有水分存在出現(xiàn)了銹跡。

在試驗(yàn)開展7天和15天后，對(duì)工況1的試樣放大幾百倍進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。試驗(yàn)7天后，會(huì)有胞狀腐蝕產(chǎn)物附著在試樣表面，表明試樣表面出現(xiàn)了腐蝕的地方，分析沒有被腐蝕的位置，鐵基質(zhì)是鋼絲表面的主要材質(zhì)，充分的表面，在經(jīng)過7天的試驗(yàn)，僅鋼絲表面出現(xiàn)了腐蝕的情況。試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到15天后，胞狀物會(huì)附著在表面上，有些表面位置會(huì)有凸凹不平的情況發(fā)生，說明凹進(jìn)位置的腐蝕物出現(xiàn)了掉落的情況，發(fā)展速度比較慢，與失重試驗(yàn)進(jìn)行比較，最終的結(jié)果很接近。

3.吊索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）對(duì)鋼絲繩的外股結(jié)構(gòu)和直徑不進(jìn)行改變，只對(duì)鋼絲繩金屬芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的變化。f80mm鋼絲繩金屬芯中心股改變成為股的形式，將6根小股填充到f80mm和f88mm鋼絲繩金屬芯外股中間位置處，使f80mm和f88mm鋼絲繩金屬截面面積發(fā)生了改變，分別增加1.85%和1.66%。

（2）將股間壓痕消除掉，鋼絲繩股間間距提升2.8%，金屬芯芯徑增加到1%。

（3）使用填塑技術(shù)處理f80mm和f88mm鋼絲繩金屬芯。

（4）對(duì)吊索鋼絲繩進(jìn)行積極的改進(jìn)，使用全新的鋼絲繩捻制技術(shù)、拉拔技術(shù)和熱處理技術(shù)完成相關(guān)的操作。首鋼和寶鋼負(fù)責(zé)提供施工原材料。

3.2 疲勞試驗(yàn)檢測(cè)

標(biāo)準(zhǔn)件質(zhì)量檢驗(yàn)中心負(fù)責(zé)對(duì)鋼絲繩常規(guī)項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 20067-2006的相關(guān)條款，檢驗(yàn)結(jié)果表面，鋼絲繩的各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足大橋吊索鋼絲繩的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表2。在疲勞試驗(yàn)結(jié)束以后，對(duì)錨具進(jìn)行了全面的檢查，沒有發(fā)現(xiàn)任何的異常情況。

表2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

綜合分析表2可以發(fā)現(xiàn)，疲勞試驗(yàn)脈沖次數(shù)達(dá)到2×10次后，鋼絲繩的斷絲率保持在5.0以內(nèi)，與相關(guān)要求中的疲勞性能標(biāo)準(zhǔn)相吻合。

4.結(jié)語

（1）在其他條件一樣的背景下，隨著氯離子濃度的變化，吊索結(jié)構(gòu)鋼絲繩的腐蝕速率也會(huì)隨之發(fā)生改變，鋼絲繩的纏繞密集度也會(huì)給腐蝕情況帶來不同的影響，腐蝕產(chǎn)物呈現(xiàn)出不均勻分布的狀態(tài)，在鋼絲繩縫隙位置比較集中。

（2）在條件相同的狀態(tài)下，隨著時(shí)間不斷延長(zhǎng)，吊索結(jié)構(gòu)鋼絲繩的腐蝕速率會(huì)出現(xiàn)隨之減小的情況。

（3）從微觀物理結(jié)構(gòu)上分析，鋼片腐蝕與吊索結(jié)構(gòu)鋼絲繩腐蝕存在著很大的差別，鋼片腐蝕會(huì)有明顯的腐蝕裂縫出現(xiàn)，而吊索鋼絲繩腐蝕則不會(huì)出現(xiàn)腐蝕裂縫。