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 山東省交通規劃設計院 濟南 250031）

       個人簡介　　

       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月畢業于青島海洋大學海洋化學專業，理學碩士，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的研究和應用。2005年晉升為高級工程師，現擔任所內腐蝕研究中心主任和國家材料環境腐蝕青島大氣試驗站站長，同時也是海軍裝備研究院腐蝕防護專家組成員和中國腐蝕學會青年工作委員會委員。

　　近十年來作為課題負責人，主持完成了包括艦船金屬材料腐蝕性能綜合試驗、吸波涂料環境適應性能、材料腐蝕形態和失效分析、管道內部腐蝕防護方法、電偶腐蝕動力學、陰極保護屏蔽效應等腐蝕防護研究領域內的多項科研課題。承擔完成了10余項海軍重點型號裝備科研任務；國內外發表論文20余篇，獲得專利3項。

　　2005~2009年度，承擔完成了國家科技基礎條件平臺建設項目三級課題“國家材料大氣環境腐蝕試驗站網建設與數據積累”和國家自然科學基金“十五”重大項目三級課題“鋼在典型西部大氣環境腐蝕規律和行為預測研究”。

　　在多年的科研成果轉化實踐工作中，主持過跨行業、多方向的腐蝕防護應用課題研究，在大連引水長輸管道、上海石化原油罐區、儀征化纖廠區管網、青島大煉油罐區等多個大型陰極保護腐蝕防護工程中，完成了多項新技術、新材料、新工藝的研制和應用。

張波

       摘  要：基于青島海域環境現有鋼結構材料腐蝕數據和涂層破壞數據開展鋼箱梁耐腐蝕壽命分析，并結合鋼箱梁的受力狀態分析，初步研究鋼箱梁腐蝕后的安全性。結果表明：橋梁運營50年后，鋼箱梁的上下緣應力值均在容許范圍內，即使再考慮鋼箱梁的第二、三體系的應力值（合計約50MPa），也滿足相關規定要求。

　　關鍵詞：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， 氣候季節變化較明顯。冬半年（10月至翌年的3月）呈大陸性氣候特點，氣候干燥、溫度低；夏半年（4月至9月）受東南季風影響，空氣濕潤，雨量充沛，日溫差小，呈現海洋性氣候特征。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‰。按照標準金屬材料腐蝕速度等級，青島海灣大橋大氣環境的腐蝕嚴酷性等級屬于4級，屬腐蝕嚴重等級。

　　青島海灣大橋三座航道橋鋼箱梁使用了大量的橋梁結構鋼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構的常用焊接結構件。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。國內外研究表明鋅鋁涂層體系對鋼結構具有優異的防護性能，封閉的噴鋅鋁復合涂層在海洋、工業大氣中50年防腐壽命是可以實現的^[1]。

　　本文通過冪函數模型建立Q345D鋼在青島海洋大氣中的腐蝕深度預測模型，并根據多年積累的涂層耐腐蝕試驗數據對海灣大橋鋼箱梁涂層體系的壽命進行分析，最后以紅島航道橋為代表，結合鋼箱梁的受力狀態，對鋼箱梁腐蝕后的安全性進行初步分析。#p#分頁標題#e#

　　2 鋼箱梁腐蝕程度預測

　　許多研究表明^[2,3]，鋼的大氣腐蝕發展遵循冪函數曲線：D=Atⁿ，式中D是腐蝕深度（mm）；t是暴露時間（a）；A和n是常數。如果知道了一個鋼種在某個環境的A、n值，就可以知道該鋼種在該環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北京、青島、江津、廣州、瓊海、萬寧6個試驗站進行了17種鋼在大氣環境中的腐蝕暴露試驗，根據各種試驗鋼的成分、試驗站的環境特點和暴露16年的試驗數據進行回歸，得到了不同鋼種在不同大氣環境下的A值和n值^[4]。

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

　　表1為Q345D鋼的化學成分，表2為青島海洋大氣環境因素值，通過擬合，分別計算A，n值。

　　表1  Q345D鋼材的化學成分

　　其中：

 
      將A、n值帶入冪函數公式D=Atⁿ，則D=0.047t^0.724即為青島海灣大橋鋼結構主體結構材料Q345D鋼在青島海洋大氣環境中的腐蝕深度預測公式，可得暴露25年后Q345D鋼的腐蝕深度冪函數預測值為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道環氧封閉漆（30μm），2道環氧云鐵中間漆（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8個大氣試驗站的腐蝕數據，從表3中數據可查，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 -試樣腐蝕前后的質量（ g）；S-試驗表面積（m²）；T-試驗時間（h）。

　　電弧噴鋅鋁涂層在青島大氣環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H.Leidheisev.Jr的研究^[5]，當鐵以0.02~0.35mg/（cm²·day）的速率腐蝕時所需的水量為0.0065~0.115mg/（cm²·day），而當有機涂層厚度減薄到50μm時，水經涂層的通透速率要比此值大得多，故有機涂層在此時是不能阻擋金屬的腐蝕的。不僅如此，當水穿入涂層達到基體，還會降低甚至破壞涂層對基體的附著力，也就是說當涂層厚度減薄到50μm時，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據*

　　注：本表數據由武漢材料保護研究所提供

　　對于熱噴涂鋅鋁合金涂層來說，其孔隙率為10%左右，同樣也存在水經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作用，但產生的鋅、鋁腐蝕產物體積遠大于原合金，如果腐蝕產物充斥在基體與涂層界面的話，可引起涂層與基體的結合力降低，嚴重的話可導致涂層的剝落。因此，為了確保涂層的使用壽命，對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時為安全使用期限。

　　對于青島海灣大橋鋼箱梁外側120 μm厚的熱噴涂鋅鋁涂層來說，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據

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　　對于氟碳樹脂等高分子有機涂層來說，日照時陽光中的紫外線是促進高分子聚合物中碳氟鍵斷裂破壞的最主要因素，長期暴露于大氣環境中的氟碳樹脂涂層由于受太陽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據表，根據表中數據計算得到青島地區2009年紫外線輻照總量為236.26MJ/m²。按GB/T16585開展氟碳樹脂2000h室內人工加速紫外老化試驗，其試驗結果如表5所示，對加速試驗期內紫外線輻照總量進行計算為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系，則有如下當量關系：1800/236.26=7.6，也就是說，在青島海洋大氣環境下使用7.6年后，氟碳樹脂的失光率約為10.2%，根據GB/T 1766-2008的評定標準，其失光等級為1級，即很輕微失光，涂層保護性能保持良好。

　　表5 氟碳樹脂面漆實驗室人工加速紫外老化結果（評級GB/T1766）

　　表5所示為氟碳樹脂在國內不同城市大氣暴露試驗的結果分析，對比表5中數據可以看到，在青島大氣暴露2年后，氟碳樹脂的失光率為11.3%，與室內2000h加速試驗的失光率10.2%相當。這是因為有機涂層在使用的前幾年內，其表面各項性能參數（粉化、失光率、破損率等）不會有太大的變化，而一旦出現腐蝕破壞后，其破壞的速度往往是非常快的，有可能在很短的時間內，就發生大面積的脫落，沒有規律性，不可能用腐蝕動力學來描述。因此，要想得到氟碳樹脂使用壽命的準確數據，還需要更長時間的室內或室外暴露試驗時間，直到涂層發生明顯的失效破壞，采用動力學原理的數學模型來預測涂層的使用壽命并不是非常科學。

　　表5  氟碳樹脂漆耐候性對比（2年曝曬）*

　　注：本表數據由武漢材料保護研究所提供

　　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年的研究經驗表明^[6]，復合涂層的耐蝕性比底涂層和面漆兩者單獨耐蝕壽命值之和高出50%~130%，這就是最佳協同效應（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大于10.2年，另外，3.2的分析表明，青島大氣環境中氟碳樹脂在7.6年內應該可以保持良好的保護效果。因此，鋼箱梁外表面電弧噴涂鋅鋁合金復合防腐涂層的保守壽命應為：（10.2+7.6）×1.5>26年。另外，此處并沒有考慮環氧封閉漆和環氧云鐵中間漆的封閉隔離作用，如果考慮兩者對腐蝕介質隔離作用的話，熱噴涂鋅鋁合金復合涂層的壽命應超過26年。

　　青島海灣大橋涂層體系的防護壽命設計為25年，通過上述分析結果表明，如果涂層質量和施工工藝沒有問題，大橋鋼箱梁外側涂層體系應該可以保證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力狀態初步分析

　　青島海灣大橋涂層體系的防護壽命設計為25年。在此，假設涂層使用壽命內，鋼箱梁外側Q345D不發生腐蝕。本文鋼箱梁的受力分析主要從斜拉橋的整體計算出發，研究紅島航道橋鋼箱梁分別在25年（未腐蝕狀態）和50年（腐蝕25年后狀態）兩個時間節點時的應力狀態。計算基于以下兩個假定：1）腐蝕后鋼材的材料特性保持不變；2）腐蝕后相應部位鋼材的重量保持不變。計算采用Midas2006橋梁結構分析軟件。

　　鋼箱梁采用低合金鋼Q345D，屈服強度為345MPa，彈性模量為2.1×10⁵ MPa，泊松比為0.3,線膨脹系數為1.2×10^-5。根據鋼箱梁一般構造，計算將鋼箱梁分為5種截面，其腐蝕前后截面特性見表6所示。

　　表6 鋼箱梁截面特性對照表

　　
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     圖1  初期（25年）鋼箱梁上緣應力包絡圖（MPa）

圖2  初期（25年）鋼箱梁下緣應力包絡圖（MPa）

圖3  50年鋼箱梁上緣應力包絡圖（MPa）

圖4  50年鋼箱梁下緣應力包絡圖（MPa）

　　
表7  鋼箱梁截面各時間節點應力表

　　鋼箱梁在運營期各時間節點的上下緣應力包絡圖如圖1~圖4所示，上下緣最大應力值（拉正壓負）見表7所示。

　　從鋼箱梁在運營期各時間節點的計算結果可以得出，在橋梁運營50年后，鋼箱梁的上下緣應力值均在容許范圍內，即使再考慮鋼箱梁第二、三體系的應力值（合計約50MPa左右），也滿足Q345D鋼材容許應力要求（203MPa）。但隨著時間的推移，鋼箱梁的應力有明顯增大的趨勢，所以在大橋的運營后期，要加強鋼箱梁的防護工作。

　　5 結束語

　　在腐蝕環境下鋼結構橋梁既受載荷作用，又受環境腐蝕作用，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，利用整體計算分析的手段，結合紅島航道橋的實際受力情況，進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，需要在此基礎上進一步深入地研究，如鋼箱梁局部應力水平的變化情況、循環荷載作用下結構的疲勞情況等。

　　參考文獻：

　　[1] 張忠禮。 鋼結構熱噴涂防腐蝕技術[M]. 北京： 化學工業出版社， 2004.

　　[2] Cole L S. Resent Progress in Modeling Atmospheric Corrosion[C]. In: Publication of Vietnam Corrosion & Metal Protection Association. Proceedings of the 11th Asian-Pacific Corrosion Control Conference. Hochiminh City: Vietnam,1999.94.

　　[3] Farrow L A, Graedel T E.Gildes Model Studies of Aqueous Chemistry: Ⅱ-The Corrosion of Zine in Gaseous Exposure Chambers[J]. Corrosion Science, 1996, 38（12）：2181-2186.

　　[4] 梁彩鳳，侯文泰。 鋼的大氣腐蝕預測[J]. 中國腐蝕與防護學報， 2006, 26（3）：129-135.

　　[5] T. Szauer. Electrical and Electrochemical Resistance for the Evaluation of Protective Nonmetallic Coatings[C]. Progress in Organic Coatings, 1982（10），157-170.

　　[6] 安云岐， 陳階亮， 洪偉。 海洋環境鋼橋梁電弧噴鋁復合涂層體系防護壽命預測[J]. 有色金屬， 2006, 增刊： 80 -82.