在役拉吊索外护套损伤机理及寿命预测方法研究

杨世聪，张劲泉2,，姚国文

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.交通运输部 公路科学研究院，北京 100088)

0 引 言

外护套是拉吊索的主要防护组件之一，其劣化寿命直接影响整个拉吊索的服役寿命。拉吊索服役环境复杂，外护套极易劣化。通过调研以及文献检索，发现多数拉吊索换索原因是因为外护套破损严重，破损处的索体钢丝直接暴露在服役环境中，在腐蚀性离子与交变荷载耦合作用下，索体钢丝发生腐蚀-疲劳损伤,引起服役拉吊索可靠性降低(表1)。一些极端的外部环境，如：浙江台州椒江二桥，由于附近存在海螺水泥厂，该地区酸雨浓度极大；云南、西藏等高原地区的紫外线很强，外护套劣化尤甚。所以，一些拉索的外护套在服役几年就发生严重褪色、破损、开裂等现象。

表1 部分拉吊索病害调查Table 1 Disease investigation of partial pulling slings

拉吊索的设计寿命为30年，尽管设计者针对拉吊索的防护体系尝试了多种方式，而从表1拉吊索病害及换索工程可看出，现有的防护手段均难以让人满意，拉吊索远远没有达到理想的使用寿命。

国内外针对PE(Polyethylene)外护套性能退化以及剩余寿命评估进行了很多有价值的研究。国内李国芬等[1]运用人工日光老化及盐雾试验对南京长江三桥的拉索HDPE(high density polyethylene)外护套进行了材料耐环境应力开裂(environmental stress crack resistance，ESCR)、自然老化及老化后微观分析；张春雷等[2]通过人工日光老化试验认为应变不是HDPE外护套严重开裂主要原因。国外M. PARSONS等[3]对应变速率与HDPE慢速裂缝增长的相关性展开了研究；L. KURELEC等[4]建议HDPE耐环境应力开裂由应变强化模量来度量；R.SCHOUWENAARS等[5]研究了制作缺陷对HDPE管慢速裂纹增长和失效的影响；J. V. GULMINE等[6]运用紫外线和氙灯模拟人工老化试验，结合电子显微镜分析了聚乙烯材料的结构及性质。以上对外护套劣化寿命的研究大都集中在试验模拟、理论推断研究阶段，而对在役拉吊索的外护套劣化寿命的研究不多。

在役拉吊索的外护套从原材料选择到制作、安装再到服役环境各阶段，存在着很大差异和不确定性因素，而这些因素将直接或间接地影响外护套的劣化寿命。目前，外护套无论是设计阶段的设计寿命还是服役期间的预估寿命，大都依据外护套原材料的试验数据来推断其劣化寿命，显然缺乏理论支持。笔者分析了外护套损伤演化机理以及影响其使用寿命的多种因素，基于现场多次检测的外护套数据，运用对数-概率作图法预测外护套劣化寿命，探索一种预测在役拉吊索外护套的劣化寿命方法。研究结论可为拉吊索的设计、制作、养护以及换索决策提供参考。

1 外护套的损伤演化及其营运寿命的影响因素

1.1 外护套耐环境应力开裂

在服役状况下，拉吊索外护套长期暴露在外界腐蚀环境中，受到交变营运荷载、风荷载、紫外线、温度等多种不利因素耦合作用，随时间的延长，外化套在一些比较薄弱的部位率先发生蠕变、破损、开裂等病害。外护套抵抗环境应力开裂的能力称为耐环境应力开裂(ESCR)。耐环境应力开裂的持续时间即劣化寿命[7]。

实验室测定这种耐环境应力开裂的方法是将表面带刻痕的试样弯曲后,置入特定的环境介质中,观察发生试件破损数目及相对应的时间，然后采用作图法,得到试样在某工况下当破损率达到50%的时间F50，该时间即试样在此工况下的劣化寿命。

1.2 外护套破损病害诱因

1.2.1 原材料因素

目前，高密度聚乙烯标准中HDPE材料指标多参考了电缆行业标准，HDPE材料性能与拉吊索实际所处的服役环境是否相符的相关研究不多。

正常情况下，拉吊索外护套原材料配方应与其服役环境相匹配，尤其是一些极端的服役环境(海洋、紫外线强的高原地区等)。不同的外护套其原材料配方应不同，使其具有不同的性能，以适应不同的服役环境。但是，拉吊索外护套原材料一般选用聚乙烯材料，难以适应拉吊索某些特定的服役环境[8]。

外护套材料中的树脂是发生ESCR的主要诱因。为了满足服役环境如酸雨、紫外线、温差等的影响，外护套材料配方内通常加入炭黑及抗氧剂等改性剂，但这些外加剂同时也弱化了外护套材料的ESCR性能。

炭黑是一种光屏蔽剂，吸收太阳光中波长为290～400 nm的紫外光。树脂中掺加炭黑可避免紫外线侵入聚乙烯，阻止聚乙烯分子链分解及断裂。但由图1可看出，PE外护套的耐环境应力开裂性能随着炭黑掺量增加而降低，当炭黑掺加超过1%时，外护套耐环境应力开裂性能呈直线降低，原因是炭黑的加入增加了分子间的距离,削弱了分子间的作用力。材料在外部营运荷载以及腐蚀环境耦合作用下更容易劣化。为此，在树脂中加入炭黑的同时应加入适量改性剂EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)，以提高外护套的耐环境应力开裂性能。不同的服役环境，树脂、炭黑、抗氧剂等改性剂的配比也不一样。

图1 炭黑掺量对PE护套料ESCR性能的影响Fig. 1 Influence of black carbon quantity on ESCR property of PE sheath material

1.2.2 生产控制温度、盘卷及施工安装因素

1)制作温度。在生产过程中，预热温度、挤出机内塑料温度、模口塑料温度的控制非常关键。拉吊索护套原材料是颗粒状，经挤塑机加热揉化后被覆在钢丝索股上〔图2(a)〕，在原材料揉合过程中如果温度过高，PE基料将发生炭化，索体表面非常光滑，但发生炭化的PE料必定缩短外护套的寿命；而温度过低，PE颗粒得不到充分融化，没有充分融化的颗粒潜伏在索体表面阻断了树脂分子相互之间的联系，该处也最容易出现病害。

2)冷却温度。挤塑后，外护套温度过高会出现表面毛糙、甚至开裂的现象，必须对其进行降温处理。在降温过程中，如果降温速率过快、不均匀,外护套将产生较大内应力和表面淬化，降低PE材料韧性，进而外护套表面产生裂纹，失去防护效果。试验证明，阶梯式冷却〔图2(b)〕、逐节降温能消除PE料包裹在钢丝束上时的内应力和表面淬化问题，避免了PE外护套裂纹的产生。

图2 外护套挤塑及冷却工艺Fig. 2 Extrusion and cooling processes of external sheath

3)盘卷。黄芳玮等[9]试验验证了盘卷因素对拉索的耐久性也有重大影响。出于打盘运输的需要，拉吊索制作时需进行扭绞。扭绞角度大，拉吊索就可以以更小的直径盘卷。但扭绞本身对外护套是有损伤的，因为拉吊索在受力时，索体钢丝会伸长，经过扭绞的钢丝会退扭，外护套就会随着钢丝的退扭发生拉伸运动，随着时间的推移，外护套即产生蠕变。试验证明，扭绞角度在2～4° 范围内，钢丝的扭绞对外护套的寿命影响最小，可以忽略不计。但对于长索，制造商为了便于运输，将拉吊索的盘卷直径减小(规范规定，拉吊索的盘卷直径不小于其直径的20倍)，相应的钢丝扭绞角度也就增大，有些拉索的扭绞角度远远超过4°，这就为拉索破损埋下隐患。有些拉索在服役过程中出现45°斜线开裂，即是由于钢丝的扭绞角度偏大而造成的。

4)施工安装。在拉吊索施工安装时，专用放索盘是保护拉吊索很好的方法。但也出现个别拉索施工因缺少专业的吊装队伍而野蛮施工，缺少对拉索采取必要的保护措施，甚至用卷扬机强行拖拽，造成护套裂开甚至钢丝外露(图3)[10]。这些都会造成拉索外护套在服役前就带病工作，影响其服役寿命。

图3 运输、施工时外护套损伤Fig. 3 External sheath damage during transportation and construction

1.2.3 外部环境因素

1)交变应力作用。拉吊索在营运过程中受到营运荷载、风震等交变荷载的作用，当交变荷载形成的弹性应变能等于或大于外护套自身表面自由能之间能量时,外护套将产生破损和裂纹[11]：

(1)

式中：W为弹性应变能，J；U为表面自由能，J；e为裂纹大小，μm。

2)环境作用，包括各种废气、酸雨作用，海水的盐雾作用，紫外光作用等。

聚乙烯的光老化是紫外光在氧参与下的一系列复杂反应的结果，这一过程又叫氧化光降解。300～400 nm的紫外光使聚乙烯呈激发状态，但若有氧存在，则被激发的碳氢键易被氧脱除，然后按氧化反应自由基链式历程进行，这是一个由光能引发的自动氧化过程。紫外光对聚乙烯分子链的破坏，宏观性能表现为断裂标称应变的下降，当断裂标称应变的保留率小于50%时，外护套发生损坏。

2 外护套寿命预测方法

GB/T 1842—2008《塑料 聚乙烯环境应力开裂试验方法》中，聚乙烯环境应力开裂的试验方法没有考虑外部的腐蚀环境和交变应力耦合作用的影响，因此试验室预测的劣化寿命相比于实桥偏大。

笔者以现场的多次检测数据为基础，参考GB/T 1842—2008确定环境应力开裂时间F50的方法，采用对数-概率坐标作图法预测F50，拟合外护套破损函数。对拉吊索外护套在外部腐蚀环境和交变应力耦合作用下的劣化寿命F50进行预测。

3 实例分析

西南某长江大桥为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，桥跨为149 m + 330 m + 149 m，桥梁全长为631 m。索塔为倒Y型，全高为163 m；斜拉索呈扇形布置，全桥斜拉索有8种规格，共208根，分8个区域，每个区域26根。8个区域分别描述为：北塔上游边、中跨，北塔下游边、中跨，南塔上游边、中跨，南塔下游边、中跨。该桥于1997年建成通车。

研究人员于2004年、2006年、2009年分别对该桥进行了检测。采用爬索车进行近距离目视检查(图4)，用数码相机拍照及文字记录相结合进行记录。

限于篇幅，笔者只列出了南塔上游边、中跨拉索破损、开裂部位检查结果，见表2。

图4 检测爬索车Fig. 4 Climbing detection vehicle

拉索编号2004年破损开裂2006年破损开裂2009年破损开裂拉索编号2004年破损开裂2006年破损开裂2009年破损开裂中1#1 11边1#中2#1边2#中3#113边3#121中4#2边4#13中5#1 14边5#532中6#14边6#中7#5边7#121中8#2边8#1111中9#2边9#中10#边10#中11#边11#1中12#1边12#中13#1 11边13#中14#边14#中15#边15#1中16#边16#中17#边17#111中18#边18#11中19#边19#中20#1 11边20#121中21#1 21边21#11中22#边22#11中23#边23#中24#边24#11中25#边25#中26#边26#

现场检测的拉索外护套破损率f=x/(n+1),其中：n为拉索总数，根；x为拉索破损数，根。

图5 外护套破损时间lg h与破损率f的关系Fig. 5 Relationship between lg h and f

根据笔者提出的方法，以破损时间h(单位：d)的对数lgh为纵坐标，现场检测的拉索外护套破损率f为横坐标，做出北塔、南塔的上游、下游的边跨、中跨相应的关系，如图5。由图5得出各拉索护套破损时间和破损率方程：

北塔上游边跨：lgh=5.057 71 + 7.548f

北塔上游中跨：lgh=6.198 42 + 3.928f

北塔下游边跨：lgh=6.191 67 + 5.619f

北塔下游中跨：lgh=6.368 24 + 3.359f

南塔上游边跨：lgh=6.958 17 + 2.959f

南塔上游中跨：lgh=6.619 00 + 3.836f

南塔下游边跨：lgh=7.004 72 + 2.538f

南塔下游中跨：lgh=6.165 79 + 4.650f

假设北塔下游边跨拉索破损达到F50，即f=50%，根据方程得lgh=6.191 67+5.619 × 0.5=9.001 17，则服役年限y=h/365=22.2(a)。由于该桥北塔上游中跨和北塔下游中跨的拉索已达到F50，因此该桥的拉吊索外护套病害已非常严重。

4 结 语

笔者分析了影响在役拉吊索外护套寿命的多种因素，包括内因(原材料)，及外因(制作、安装、服役环境、营运荷载)等。采用对数-概率作图法，结合现场检测数据，创新性地提出了一种评估在役拉吊索外护套剩余寿命的方法。实例分析证明：本文方法是可行的，研究结果可以为拉吊索的设计、施工、养护以及换索的决策提供参考。

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