钢结构涂层受风沙冲蚀程度评价和相似性分析

郝贠洪，任 莹，段国龙，朱敏侠，杨风利，张宏杰

（1.内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.中国电力科学研究院，北京 100055）

内蒙古中西部地区位于中国北部边疆，自西向东分布着六大沙漠和沙地，沙尘暴频繁发生［1－3］.该地区沙漠周边建有大量的通信塔、桥梁、输电塔架等钢结构设施，这些钢结构设施表面的涂层长期受到风沙环境的侵蚀作用而过早失效，使得钢结构外露锈蚀，导致结构的安全性和耐久性降低.

钢结构涂层受风沙环境的侵蚀，实质上是沙粒子对涂层的冲蚀磨损破坏.目前，对于风沙环境下钢结构涂层的冲蚀磨损机理、冲蚀磨损程度评价研究已经取得了一定的进展［4－7］，但关于冲蚀时间与实际工况的相似性分析未见报道.本文通过气流挟沙喷射法模拟了风沙环境对钢结构涂层的冲蚀磨损情况，对试验数据进行理论分析，提出了评价涂层冲蚀磨损程度的评价公式，并运用相似性理论，将试验结果与实际工况进行了对比分析.所得结果可为工程实际中准确评价钢结构涂层受风沙侵蚀程度提供理论依据.

1 试验部分

1.1 沙粒特征及风沙冲蚀力学参数

（1）试验用沙取自内蒙古中西部鄂尔多斯北部高原库布齐沙漠，由筛分试验可知，其中粒径为0.05～0.25mm的沙粒含量1）本文涉及的含量等均为质量分数.达到了87%以上，粒径为0.25mm以上和0.05mm 以下的沙粒含量都不足10%.使用光学显微镜对沙粒形状进行观测后发现，沙粒基本呈圆形或椭圆形，只有少数的尖角粒子，这主要是由于沙粒在沙漠中长时间运动过程中相互撞击和磨损造成的.

（2）风沙冲蚀力学参数主要包括冲蚀速度、冲蚀角度、冲蚀浓度和冲蚀时间.根据内蒙古中西部地区的风沙环境特征，冲蚀速度v 设定为13，16，18，20，23，26和30 m／s；冲蚀角度α 设定为15°，30°，45°，60°，75°和90°；冲蚀浓度采用下沙率M 来表示，设定为90，150和240g／min；冲蚀时间t设定为12min.

1.2 涂层制备

涂层材料为奔腾铁红醇酸防锈漆（底漆）和晨虹白色磁漆（面漆）.试样基体为普通碳素钢薄钢板，尺寸为40mm×40mm.按照GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》中“钢结构涂装工程”工艺要求进行喷涂.涂层的干膜厚度为1 mm.按照GB／T 6739—1996《涂膜硬度铅笔测定法》测定的涂层硬度为较低的B 级.按照GB／T 1731—1993《漆膜柔韧性测定法》，采用漆膜弹性仪来测定涂层的柔韧性，结果为4mm，说明其柔韧性较好.

1.3 冲蚀试验装置及测量方法

试验装置由高压气源系统、供沙系统、冲蚀系统三部分组成［8］.利用精密电子天平（可读性d＝0.000 1g）测量冲蚀试验前后钢结构涂层的质量变化，据此确定冲蚀磨损质量损失.

1.4 冲蚀试验结果

图1 涂层冲蚀磨损质量损失与冲蚀角度的关系Fig.1 Relationship between erosion mass loss and erosion angle

图1是在下沙率M 为90，150，240g／min，冲蚀速度v为20m／s，时间t为12min的条件下，涂层的冲蚀磨损质量损失wt与冲蚀角度α的关系图.由图1可知，α为45°时涂层的冲蚀磨损质量损失达到最大，α 为90°时涂层的冲蚀磨损质量损失最小.这主要是因为，在低冲角时，涂层的硬度决定了冲蚀磨损质量损失，在高冲角时，涂层的柔韧性决定了冲蚀磨损质量损失.本试验涂层的硬度较低，柔韧性较好，因此低冲角时的冲蚀磨损质量损失大于高冲角时的冲蚀磨损质量损失.

图2 是在下沙率M 为150g／min，时间t 为12min条件下得出的冲蚀磨损质量损失wt随冲蚀速度v变化的曲线.由图2可知，随着冲蚀速度的增大，涂层的冲蚀磨损质量损失也不断增加，这是由于冲蚀速度增大会加大沙粒的冲蚀动能，加剧涂层的冲蚀磨损.

图2 涂层冲蚀磨损质量损失与冲蚀速度的关系Fig.2 Relationship between erosion mass loss and erosion speed

2 冲蚀磨损程度评价公式

以Bitter的冲蚀变形磨损理论［9－10］和文献［5］中的评价公式为基础，并根据涂层的物理力学性能以及冲蚀试验结果，对文献［5］中的评价公式进行了调整，提出以下评价公式：

式中：wt，wc，wd分别为总冲蚀磨损质量损失、切削冲蚀磨损质量损失、变形冲蚀磨损质量损失，g；ms为沙尘质量，g；ε1，ε2为调整系数，ε1＝0.95，ε2＝1.05；α0为临界冲蚀角，α0＝π／2n，其中n 为水平回弹率因素（当α＝α0时，sin（nα0）＝1，则有n＝π／2α0），另外，当α＜α0时，切削冲蚀磨损质量损失大于变形冲蚀磨损质量损失，当α＞α0时，变形冲蚀磨损质量损失大于切削冲蚀磨损质量损失；ψ 为切削冲蚀磨损能耗因数，m2／s2；η 为变形冲蚀磨损能耗因数，m2／s2.根据试验数据计算得出：ψ＝1.16×106m2／s2；η＝1.36×107m2／s2；n＝1.23；α0＝73.17°.

2.1 冲蚀磨损质量损失与冲蚀角度的关系

设冲蚀速度为20m／s，冲蚀时间为12min，下沙率分别为90，240g／min；采用式（1），（2）计算不同冲蚀角度下的冲蚀磨损质量损失并与试验数据进行对比，结果如图3所示.

由图3可见，2种下沙率下，计算数据与试验数据2条曲线的走势都比较接近，说明由评价公式得出的计算结果与试验结果基本吻合.因此利用本文提出的评价公式进行钢结构涂层的冲蚀磨损程度评价是可靠的.

2.2 冲蚀磨损质量损失与冲蚀速度的关系

设下沙率为150g／min，冲蚀时间为12min，冲蚀角度α分别为45°，60°和90°，采用式（1），（2）计算不同冲蚀速度下的冲蚀磨损质量损失并与试验数据进行对比，结果如图4所示.

由图4可见，3种冲蚀角度下，计算数据与试验数据2条曲线的走势都比较接近，说明由本文提出的评价公式得出的计算结果与试验结果基本吻合.因此利用本文提出的评价公式进行钢结构涂层的冲蚀磨损程度评价是可靠的.

首先，对决策矩阵规范化处理，按照式(3)～式(4)。求出每一指标的理想解，构造求取权重指标的决策模型。根据式(5)～式(10)，应用Matlab计算。求得权重结果为：

3 冲蚀试验结果相似性分析

利用相似性理论把试验结果与实际工况进行对比，找到模拟试验结果与实际风沙环境对涂层冲蚀磨损的相关性，是将试验结果应用于钢结构耐久性评估的一个关键问题［11］.

经统计1990年～2012年内蒙古中西部地区发生沙尘暴次数最多的年份为1990年和2004年，各有15次，最少是1991年、1994年和1997年，各有1次.根据气象统计［12－14］，大范围爆发强沙尘暴的标准是3个及以上观测站的风速≥20m／s，区域起沙量达7.8mg／（m2·s），1次沙尘暴中高风速持续时间大部分在30min以内.如果考虑100m2范围内对1个钢结构构件的影响，经计算该范围内的下沙率Mp应达到46.8g／min.

以试验中冲蚀速度vm＝30m／s，下沙率Mm＝360g／min，冲蚀时间t＝12 min 为例.根据动能公式：可知，决定风沙粒子流动能的2个因素是其质量和速度.现在速度是固定的，即模型速度vm＝30m／s，原型速度vp＝20m／s；模型中沙粒质量是随着时间的增加而增加的.因此，根据相似性理论［15－16］，先计算风沙持续1min时各物理量的相似比.

图4 不同冲蚀角度时冲蚀磨损质量损失的计算数据与试验数据对比Fig.4 Comparison of calculated data with tested data of erosion mass loss at different erosion angles

由此可见，计算结果与相似理论相符.

以内蒙古中西部地区1年发生1次强沙尘暴为例，模型的冲蚀时间t＝12min，原型的1次沙尘暴持续时间t＝30min.则模型与原型的动能比为：

即试验中沙粒的动能约相当于实际沙粒动能的7倍.换言之，12min的冲蚀磨损试验对涂层的冲蚀损伤，相当于该地区按照1年发生1次强沙尘暴的频率，钢结构涂层经受了83.0个月的冲蚀磨损.

由于沙尘暴年发生次数不定，所以对沙尘暴发生次数进行了假设.按照冲蚀速度为30m／s，下沙率为360g／min，冲蚀时间不同的试验结果，可以推算出实际工况下钢结构涂层经受风沙冲蚀磨损的时间，如表1所示.

表1 按不同冲蚀时间下的试验结果推算的实际工况下冲蚀磨损时间Table 1 Actual condition erosion time calculated by the experimental results at different erosion time

由于实验室中不同下沙率对涂层的冲蚀磨损程度不同，按照冲蚀速度为30m／s，冲蚀时间为12min，下沙率不同的试验结果，可以推算出实际工况下钢结构涂层受风沙冲蚀磨损的时间，见表2.由表2可知，试验中的下沙率越大，由试验结果推算的实际工况中冲蚀磨损时间越长.

表2 按不同下沙率下的试验结果推算的实际工况下的冲蚀磨损时间Table 2 Actual condition erosion time calculated by the experimental results at different sand－dose

4 结论

（1）钢结构涂层的冲蚀磨损质量损失随着冲蚀速度的增加而增加.

（2）在冲蚀角度为45°时涂层的冲蚀磨损质量损失最大，而在90°时最小.

（3）由本文提出的评价公式计算的结果与试验结果基本吻合，说明利用该评价公式进行钢结构涂层的冲蚀磨损程度评价是可靠的.

（4）运用相似性理论对试验结果进行了分析，推算出了钢结构涂层在实际工况下的冲蚀磨损时间.

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