張波¹ 董彩常¹ 于坤² 姜美文²

　　（1 鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所 青島 266071

　　2 山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 濟(jì)南 250031）

       個(gè)人簡(jiǎn)介　　

       張波，男，1971年2月出生，所在單位：鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所

　　1998年7月畢業(yè)于青島海洋大學(xué)海洋化學(xué)專業(yè)，理學(xué)碩士，同年分配至鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所工作至今，從事材料腐蝕與防護(hù)的研究和應(yīng)用。2005年晉升為高級(jí)工程師，現(xiàn)擔(dān)任所內(nèi)腐蝕研究中心主任和國(guó)家材料環(huán)境腐蝕青島大氣試驗(yàn)站站長(zhǎng)，同時(shí)也是海軍裝備研究院腐蝕防護(hù)專家組成員和中國(guó)腐蝕學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)委員。

　　近十年來(lái)作為課題負(fù)責(zé)人，主持完成了包括艦船金屬材料腐蝕性能綜合試驗(yàn)、吸波涂料環(huán)境適應(yīng)性能、材料腐蝕形態(tài)和失效分析、管道內(nèi)部腐蝕防護(hù)方法、電偶腐蝕動(dòng)力學(xué)、陰極保護(hù)屏蔽效應(yīng)等腐蝕防護(hù)研究領(lǐng)域內(nèi)的多項(xiàng)科研課題。承擔(dān)完成了10余項(xiàng)海軍重點(diǎn)型號(hào)裝備科研任務(wù)；國(guó)內(nèi)外發(fā)表論文20余篇，獲得專利3項(xiàng)。

　　2005~2009年度，承擔(dān)完成了國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目三級(jí)課題“國(guó)家材料大氣環(huán)境腐蝕試驗(yàn)站網(wǎng)建設(shè)與數(shù)據(jù)積累”和國(guó)家自然科學(xué)基金“十五”重大項(xiàng)目三級(jí)課題“鋼在典型西部大氣環(huán)境腐蝕規(guī)律和行為預(yù)測(cè)研究”。

　　在多年的科研成果轉(zhuǎn)化實(shí)踐工作中，主持過跨行業(yè)、多方向的腐蝕防護(hù)應(yīng)用課題研究，在大連引水長(zhǎng)輸管道、上海石化原油罐區(qū)、儀征化纖廠區(qū)管網(wǎng)、青島大煉油罐區(qū)等多個(gè)大型陰極保護(hù)腐蝕防護(hù)工程中，完成了多項(xiàng)新技術(shù)、新材料、新工藝的研制和應(yīng)用。

張波

       摘  要：基于青島海域環(huán)境現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)材料腐蝕數(shù)據(jù)和涂層破壞數(shù)據(jù)開展鋼箱梁耐腐蝕壽命分析，并結(jié)合鋼箱梁的受力狀態(tài)分析，初步研究鋼箱梁腐蝕后的安全性。結(jié)果表明：橋梁運(yùn)營(yíng)50年后，鋼箱梁的上下緣應(yīng)力值均在容許范圍內(nèi)，即使再考慮鋼箱梁的第二、三體系的應(yīng)力值（合計(jì)約50MPa），也滿足相關(guān)規(guī)定要求。

　　關(guān)鍵詞：青島海灣大橋；鋼箱梁；腐蝕；安全性

　　1概述

　　青島海灣大橋是連接膠州灣東、西岸的一座跨海特大型橋梁，處于北方寒冷海域， 氣候季節(jié)變化較明顯。冬半年（10月至翌年的3月）呈大陸性氣候特點(diǎn)，氣候干燥、溫度低；夏半年（4月至9月）受東南季風(fēng)影響，空氣濕潤(rùn)，雨量充沛，日溫差小，呈現(xiàn)海洋性氣候特征。每年1-2月份水溫為1~5℃，8月份最高約28℃，海域含鹽度為31‰。按照標(biāo)準(zhǔn)金屬材料腐蝕速度等級(jí)，青島海灣大橋大氣環(huán)境的腐蝕嚴(yán)酷性等級(jí)屬于4級(jí)，屬腐蝕嚴(yán)重等級(jí)。

　　青島海灣大橋三座航道橋鋼箱梁使用了大量的橋梁結(jié)構(gòu)鋼Q345D,Q345D鋼綜合性能好，焊接性、冷、熱加工性能和耐蝕性能均好，具有良好的低溫韌性，是橋梁工程等較高荷載結(jié)構(gòu)的常用焊接結(jié)構(gòu)件。鋼箱梁涂層體系主要采用電弧噴鋅鋁涂層體系，并使用氟碳樹脂作面漆。國(guó)內(nèi)外研究表明鋅鋁涂層體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的防護(hù)性能，封閉的噴鋅鋁復(fù)合涂層在海洋、工業(yè)大氣中50年防腐壽命是可以實(shí)現(xiàn)的^[1]。

　　本文通過冪函數(shù)模型建立Q345D鋼在青島海洋大氣中的腐蝕深度預(yù)測(cè)模型，并根據(jù)多年積累的涂層耐腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)海灣大橋鋼箱梁涂層體系的壽命進(jìn)行分析，最后以紅島航道橋?yàn)榇恚Y(jié)合鋼箱梁的受力狀態(tài)，對(duì)鋼箱梁腐蝕后的安全性進(jìn)行初步分析。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　2 鋼箱梁腐蝕程度預(yù)測(cè)

　　許多研究表明^[2,3]，鋼的大氣腐蝕發(fā)展遵循冪函數(shù)曲線：D=Atⁿ，式中D是腐蝕深度（mm）；t是暴露時(shí)間（a）；A和n是常數(shù)。如果知道了一個(gè)鋼種在某個(gè)環(huán)境的A、n值，就可以知道該鋼種在該環(huán)境中的大氣腐蝕行為。

　　鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所分別在我國(guó)北京、青島、江津、廣州、瓊海、萬(wàn)寧6個(gè)試驗(yàn)站進(jìn)行了17種鋼在大氣環(huán)境中的腐蝕暴露試驗(yàn)，根據(jù)各種試驗(yàn)鋼的成分、試驗(yàn)站的環(huán)境特點(diǎn)和暴露16年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到了不同鋼種在不同大氣環(huán)境下的A值和n值^[4]。

　　這樣，如果知道鋼的化學(xué)成分、環(huán)境的氣候和污染因素，就可以通過擬合用公式D=Atⁿ計(jì)算出不同鋼種在不同大氣環(huán)境中暴露t年后的腐蝕深度。

　　表1為Q345D鋼的化學(xué)成分，表2為青島海洋大氣環(huán)境因素值，通過擬合，分別計(jì)算A，n值。

　　表1  Q345D鋼材的化學(xué)成分

　　其中：

 
      將A、n值帶入冪函數(shù)公式D=Atⁿ，則D=0.047t^0.724即為青島海灣大橋鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)材料Q345D鋼在青島海洋大氣環(huán)境中的腐蝕深度預(yù)測(cè)公式，可得暴露25年后Q345D鋼的腐蝕深度冪函數(shù)預(yù)測(cè)值為0.483mm。

　　3 鋼箱梁外涂層體系耐腐蝕壽命分析

　　青島海灣大橋鋼箱梁外涂層體系主要采用電弧噴鋅鋁涂層體系，其中包括鋅鋁涂層（120μm），2道環(huán)氧封閉漆（30μm），2道環(huán)氧云鐵中間漆（2×40μm），2道氟碳樹脂面漆（2×30μm）。

　　3.1 鋅鋁涂層的使用壽命分析

　　表3所示為熱噴涂鋅鋁合金涂層在全國(guó)8個(gè)大氣試驗(yàn)站的腐蝕數(shù)據(jù)，從表3中數(shù)據(jù)可查，熱噴涂鋅鋁合金涂層在青島海洋大氣中暴露2年后的腐蝕速率68.09g/m²，則熱噴涂鋅鋁涂層的腐蝕速率為：

　　式1中：V-腐蝕速率（ g/ m².h）；W0、W1 -試樣腐蝕前后的質(zhì)量（ g）；S-試驗(yàn)表面積（m²）；T-試驗(yàn)時(shí)間（h）。

　　電弧噴鋅鋁涂層在青島大氣環(huán)境下的深度腐蝕速率VL為：

　　式2中：V_L為熱噴涂鋅鋁合金涂層的深度腐蝕速率（mm/a）；ρ為涂層密度（g/cm³）。

　　據(jù)H.Leidheisev.Jr的研究^[5]，當(dāng)鐵以0.02~0.35mg/（cm²·day）的速率腐蝕時(shí)所需的水量為0.0065~0.115mg/（cm²·day），而當(dāng)有機(jī)涂層厚度減薄到50μm時(shí)，水經(jīng)涂層的通透速率要比此值大得多，故有機(jī)涂層在此時(shí)是不能阻擋金屬的腐蝕的。不僅如此，當(dāng)水穿入涂層達(dá)到基體，還會(huì)降低甚至破壞涂層對(duì)基體的附著力，也就是說當(dāng)涂層厚度減薄到50μm時(shí)，涂層將失去其屏障作用，這也意味著涂層的失效。

　　表3熱噴涂鋅鋁合金涂層腐蝕數(shù)據(jù)*

　　注：本表數(shù)據(jù)由武漢材料保護(hù)研究所提供

　　對(duì)于熱噴涂鋅鋁合金涂層來(lái)說，其孔隙率為10%左右，同樣也存在水經(jīng)孔隙滲透到基體表面的問題。即使鋅鋁合金可為基體提供一定的陰極保護(hù)作用，但產(chǎn)生的鋅、鋁腐蝕產(chǎn)物體積遠(yuǎn)大于原合金，如果腐蝕產(chǎn)物充斥在基體與涂層界面的話，可引起涂層與基體的結(jié)合力降低，嚴(yán)重的話可導(dǎo)致涂層的剝落。因此，為了確保涂層的使用壽命，對(duì)熱噴涂鋅鋁合金涂層也以50μm做保守厚度，即熱噴涂鋅鋁合金涂層厚度大于50μm時(shí)為安全使用期限。

　　對(duì)于青島海灣大橋鋼箱梁外側(cè)120 μm厚的熱噴涂鋅鋁涂層來(lái)說，其保守使用壽命約為

　　式3中：t為涂層的使用壽命（a），d為涂層的有效厚度值（mm），V_L為涂層的深度腐蝕速率（mm/a）。

　　3.2氟碳樹脂的使用壽命分析

　　表4  2009年度青島大氣站紫外線數(shù)據(jù)

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　　對(duì)于氟碳樹脂等高分子有機(jī)涂層來(lái)說，日照時(shí)陽(yáng)光中的紫外線是促進(jìn)高分子聚合物中碳氟鍵斷裂破壞的最主要因素，長(zhǎng)期暴露于大氣環(huán)境中的氟碳樹脂涂層由于受太陽(yáng)的輻射影響能夠加快老化失效。表4為2009年度青島大氣站紫外線數(shù)據(jù)表，根據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算得到青島地區(qū)2009年紫外線輻照總量為236.26MJ/m²。按GB/T16585開展氟碳樹脂2000h室內(nèi)人工加速紫外老化試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，對(duì)加速試驗(yàn)期內(nèi)紫外線輻照總量進(jìn)行計(jì)算為1800 MJ/m²，按照相同紫外輻照量可造成涂層相同老化破壞量的關(guān)系，則有如下當(dāng)量關(guān)系：1800/236.26=7.6，也就是說，在青島海洋大氣環(huán)境下使用7.6年后，氟碳樹脂的失光率約為10.2%，根據(jù)GB/T 1766-2008的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，其失光等級(jí)為1級(jí)，即很輕微失光，涂層保護(hù)性能保持良好。

　　表5 氟碳樹脂面漆實(shí)驗(yàn)室人工加速紫外老化結(jié)果（評(píng)級(jí)GB/T1766）

　　表5所示為氟碳樹脂在國(guó)內(nèi)不同城市大氣暴露試驗(yàn)的結(jié)果分析，對(duì)比表5中數(shù)據(jù)可以看到，在青島大氣暴露2年后，氟碳樹脂的失光率為11.3%，與室內(nèi)2000h加速試驗(yàn)的失光率10.2%相當(dāng)。這是因?yàn)橛袡C(jī)涂層在使用的前幾年內(nèi)，其表面各項(xiàng)性能參數(shù)（粉化、失光率、破損率等）不會(huì)有太大的變化，而一旦出現(xiàn)腐蝕破壞后，其破壞的速度往往是非常快的，有可能在很短的時(shí)間內(nèi)，就發(fā)生大面積的脫落，沒有規(guī)律性，不可能用腐蝕動(dòng)力學(xué)來(lái)描述。因此，要想得到氟碳樹脂使用壽命的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，還需要更長(zhǎng)時(shí)間的室內(nèi)或室外暴露試驗(yàn)時(shí)間，直到涂層發(fā)生明顯的失效破壞，采用動(dòng)力學(xué)原理的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)涂層的使用壽命并不是非常科學(xué)。

　　表5  氟碳樹脂漆耐候性對(duì)比（2年曝曬）*

　　注：本表數(shù)據(jù)由武漢材料保護(hù)研究所提供

　　3.3  鋅鋁涂層體系的耐腐蝕壽命分析

　　荷蘭熱浸鍍研究所20年的研究經(jīng)驗(yàn)表明^[6]，復(fù)合涂層的耐蝕性比底涂層和面漆兩者單獨(dú)耐蝕壽命值之和高出50%~130%，這就是最佳協(xié)同效應(yīng)（Synergy Effect）。從3.1的分析可知，120 μm厚的熱噴涂鋅鋁涂層使用壽命應(yīng)大于10.2年，另外，3.2的分析表明，青島大氣環(huán)境中氟碳樹脂在7.6年內(nèi)應(yīng)該可以保持良好的保護(hù)效果。因此，鋼箱梁外表面電弧噴涂鋅鋁合金復(fù)合防腐涂層的保守壽命應(yīng)為：（10.2+7.6）×1.5>26年。另外，此處并沒有考慮環(huán)氧封閉漆和環(huán)氧云鐵中間漆的封閉隔離作用，如果考慮兩者對(duì)腐蝕介質(zhì)隔離作用的話，熱噴涂鋅鋁合金復(fù)合涂層的壽命應(yīng)超過26年。

　　青島海灣大橋涂層體系的防護(hù)壽命設(shè)計(jì)為25年，通過上述分析結(jié)果表明，如果涂層質(zhì)量和施工工藝沒有問題，大橋鋼箱梁外側(cè)涂層體系應(yīng)該可以保證25年的使用壽命，可滿足大橋防腐蝕體系25年的防腐壽命要求。

　　4 鋼箱梁腐蝕前后的鋼箱梁應(yīng)力狀態(tài)初步分析

　　青島海灣大橋涂層體系的防護(hù)壽命設(shè)計(jì)為25年。在此，假設(shè)涂層使用壽命內(nèi)，鋼箱梁外側(cè)Q345D不發(fā)生腐蝕。本文鋼箱梁的受力分析主要從斜拉橋的整體計(jì)算出發(fā)，研究紅島航道橋鋼箱梁分別在25年（未腐蝕狀態(tài)）和50年（腐蝕25年后狀態(tài)）兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。計(jì)算基于以下兩個(gè)假定：1）腐蝕后鋼材的材料特性保持不變；2）腐蝕后相應(yīng)部位鋼材的重量保持不變。計(jì)算采用Midas2006橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件。

　　鋼箱梁采用低合金鋼Q345D，屈服強(qiáng)度為345MPa，彈性模量為2.1×10⁵ MPa，泊松比為0.3,線膨脹系數(shù)為1.2×10^-5。根據(jù)鋼箱梁一般構(gòu)造，計(jì)算將鋼箱梁分為5種截面，其腐蝕前后截面特性見表6所示。

　　表6 鋼箱梁截面特性對(duì)照表

　　
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     圖1  初期（25年）鋼箱梁上緣應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

圖2  初期（25年）鋼箱梁下緣應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

圖3  50年鋼箱梁上緣應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

圖4  50年鋼箱梁下緣應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

　　
表7  鋼箱梁截面各時(shí)間節(jié)點(diǎn)應(yīng)力表

　　鋼箱梁在運(yùn)營(yíng)期各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的上下緣應(yīng)力包絡(luò)圖如圖1~圖4所示，上下緣最大應(yīng)力值（拉正壓負(fù)）見表7所示。

　　從鋼箱梁在運(yùn)營(yíng)期各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果可以得出，在橋梁運(yùn)營(yíng)50年后，鋼箱梁的上下緣應(yīng)力值均在容許范圍內(nèi)，即使再考慮鋼箱梁第二、三體系的應(yīng)力值（合計(jì)約50MPa左右），也滿足Q345D鋼材容許應(yīng)力要求（203MPa）。但隨著時(shí)間的推移，鋼箱梁的應(yīng)力有明顯增大的趨勢(shì)，所以在大橋的運(yùn)營(yíng)后期，要加強(qiáng)鋼箱梁的防護(hù)工作。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　在腐蝕環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)橋梁既受載荷作用，又受環(huán)境腐蝕作用，腐蝕與荷載之間存在交互作用。本文僅從材料腐蝕的角度出發(fā)，利用整體計(jì)算分析的手段，結(jié)合紅島航道橋的實(shí)際受力情況，進(jìn)行鋼箱梁的安全性初步分析，只是安全性要求的冰山一角。在以后的研究中，需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入地研究，如鋼箱梁局部應(yīng)力水平的變化情況、循環(huán)荷載作用下結(jié)構(gòu)的疲勞情況等。

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