码头钢构件涂层冲蚀特性研究

(重庆交通大学 重庆 400000)

码头钢构件涂层冲蚀特性研究

曾丽琴

(重庆交通大学重庆400000)

本文依托重庆果园港码头钢构件防腐工程，基于对内河含沙水流冲蚀环境的分析，进行冲蚀流速、冲角及冲蚀周期下的钢构件涂层冲蚀试验。通过物理模型试验研究含沙水流条件下钢构件涂层的表面冲蚀特性，为建立含沙水流条件下涂层冲蚀模型提供依据。

钢构件；涂层；冲蚀特性；模型试验

一、引言

大型码头的建设中，由于存在覆盖层浅及深水施工等问题，码头下部结构更多采用钢管混凝土嵌岩桩型式，桩基及纵横撑均大量使用钢结构。从实际效看，经水流冲刷一年左右，防腐涂层就出现大范围脱落，钢构件锈蚀严重。出现该问题的原因主要是内河大流速含沙水流对防腐涂层的冲蚀严重。

二、涂层硬度及抗冲击性分析

涂层表面的冲蚀损伤程度不仅与水流中泥沙颗粒等外物作用有关，还受涂层本身力学性能的影响。通过表面处理(表面清洁度St3级，粗糙度均值28um)制备若干组钢片试件，以50um为量级涂覆50um～500um厚度涂层，分别用落锤法和铅笔硬度法分析涂层厚度的变化对其抗冲击性和硬度的影响。

从涂层冲击破坏形貌可以发现，涂层抗冲击性随厚度增加近似呈线性增强，在厚度约400um时达到最大值，随后出现下降趋势。这是由于涂层厚度过大，层间内聚力将下降，导致涂层附着力减弱，容易被冲击挤出。不同厚度下涂层硬度在2H～3H间，内河泥沙颗粒多为石英、长石，其硬度远大于涂层硬度。

综上所述，由于含沙水流中的泥沙颗粒硬度大于涂层硬度，故能对涂层表面造成冲蚀伤痕，并且随着涂层厚度的不断减小，其抗冲击性能下降，将加剧涂层冲蚀损伤程度。

三、涂层表面冲蚀率分析

(一)涂层整体冲蚀率

涂层冲蚀时表面材料不断的受损流失，从而导致涂层保护性能下降。本文从涂层试件的整体质量损失和局部厚度损失两方面来分析不同条件下的涂层冲蚀率变化规律。每个冲蚀周期(90h)结束后，采用电子分析天平(精确到0.1mg)进行称重，涂层整体冲蚀率以涂层冲蚀后的质量失重来表示。

从图3-1、图3-2看出，在同一含沙(含沙量3.6kg/m3)条件下，涂层试件整体失重率随冲蚀时间的增加呈现由低流速向高流速过渡的阶段性变化：

(1)在冲蚀时间0～90h，各级流速下涂层整体失重率均增长较为平缓。由于涂层抗冲蚀性能较强，泥沙颗粒对涂层表面的作用是随机、非均匀的，大多数以弹塑性碰撞为主，造成的损伤有限，涂层表面出现少量微裂纹萌生，此时属于疲劳损伤累计阶段。

(2)在冲蚀时间180～270h，较大流速下(>1.0m/s)涂层整体失重率开始快速增长，且流速越大增长趋势越明显。涂层表面开始大范围损伤，由泥沙颗粒造成的微裂纹向涂层四周和内部扩展、交互连接，发展成疲劳裂纹，导致涂层层间内聚力减小，外表层松动，易被水流冲刷剥离。

(3)在冲蚀时间270～360h，较大流速下(>1.0m/s)涂层整体失重率增长趋势有所减缓。此时涂层表面已完全损伤，涂层表面粗糙度不断增大，受凸出部分遮挡，泥沙颗粒对涂层表面有效作用面积相对减小。

从总体趋势来看，在大流速下，涂层质量损失阶段变化更明显，而在低流速下涂层整体失重率增长趋势缓慢。从涂层质量损失随时间变化的趋势来看，其冲蚀过程分为缓增期、加速期、减缓期三个阶段。

图3-1 不同流速下涂层整体冲蚀率随时间的变化

图3-2 不同时间下涂层整体冲蚀率随流速的变化

如图3-3所示，涂层在低沙(含沙量0.8kg/m3)条件下冲蚀相同时间，其质量损失的变化规律与多沙条件下相似，水流流速越大，涂层失重率增长趋势越明显，但涂层在低沙条件下冲蚀疲劳损伤过程发展较慢。

图3-3 不同流速下涂层整体冲蚀率随时间变化

(二)涂层局部冲蚀率

如图3-4所示，为提高测量数据可靠性与准确性，试验中采用自制模具，对各涂层试件冲蚀角度进行统一划分。其中以模型钢管中间正对水流方向为顶冲角90°，依次标定试件两侧60°、45°、30°、0°以及-45°冲角位置。采用MT600涂层测厚仪对涂层各冲蚀角度的损失厚度进行检测，取每个测点5次测值平均值为代表值，控制相对平均差在1%以内。通过各冲蚀角度下涂层厚度的损失量，来反映涂层试件在不同流速下的局部冲蚀率变化。

图3-4 涂层冲蚀角度示意图

图3-5 不同流速下涂层表面厚度损失随时间变化(45°冲角)

涂层在45°冲角的厚度损失逐渐大于30°冲角。这是由于水流冲蚀过程中，泥沙颗粒受绕流影响，在到达模型桩前均向两侧偏移，导致有效撞击到90°冲角的颗粒较少，但随着流速增大，泥沙颗粒获得更大动能，其运动路径偏移量减小，正面撞击的泥沙数量开始增加，故在大流速下，90°冲角的涂层厚度出现损耗。而0°冲角涂层厚度损失主要来源于泥沙颗粒切削作用，所以其冲蚀率随流速增大变化较小。在-45°冲角(背水侧)的涂层在大流速下也出现厚度损失，这是由于泥沙颗粒在低流速下对涂层表面基本无接触，但随着流速增大，桩后流态更紊乱，形成漩涡水流结构，导致有少量颗粒作用到涂层上，才出现明显损伤。

随后分别进行含沙量3.6kg/m3条件下涂层冲蚀180h、270h、360h后的厚度变化。试验分析得出，在30°～60°冲蚀角度间，涂层冲蚀率上升趋势明显，并且随着冲蚀时间增长，涂层在45°冲角的厚度损失增量逐渐大于30°冲角。而在90°、0°和-45°冲角下，涂层厚度损失量随时间的增长幅度较小。在不同流速下，涂层表面损伤均以45°冲角左右最为严重。

图3-6 不同角度下涂层表面厚度损失与水流流速的关系(90h)

四、结论

(一)含沙量一定时，涂层在大流速下(≥1.5m/s)的冲蚀率随时间大致呈线性增长趋势，其冲蚀过程中存在明显的缓增期、加速期和减缓期三个阶段，而在低流速下(<1.0m/s)的冲蚀率增长趋势较为平缓。在不同流速下，涂层在45°冲角的厚度损失量最大，并由45°向两边逐渐减小，90°冲角下厚度损失略大于0°冲角，整体呈现“中间大，两边小”的趋势。

(二)涂层在90°、60°、45°、30°冲角下厚度损失均与流速呈指数关系增长，其中45°冲蚀角下涂层对含沙水流冲击速度最敏感。另外，在低角度冲蚀时，涂层的抗冲蚀性主要受硬度影响，而在高角度冲蚀时，涂层的抗冲蚀性主要取决于其韧性。

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曾丽琴(1993.06-)，女，汉族，硕士研究生，重庆交通大学河海学院，研究方向：港口海岸及近海工程(港口结构)。