浅谈锈蚀对扣件式钢管脚手架钢管性能的影响

范永风

（甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050）

一般钢材锈蚀主要分为剥蚀和坑蚀两种，即均匀锈蚀和局部锈蚀。剥蚀会造成钢管截面面积减小，但需要一定的时间，容易及时察觉，且不至于导致钢管突然破坏；坑蚀会造成钢管表面产生大小不一的锈坑，进而会使钢管表面的局部应力集中，导致局部先于整体屈服，使脚手架结构中的钢管突然破坏，且坑蚀的分布具有很大的随机性，造成的破坏难以预测。

1 锈蚀对钢管微观方面的影响

由于钢管脚手架长期暴露在露天环境中，且多次周转后的钢管脚手架历经风吹日晒及钢管扣件之间的相互磨损，加快了钢管脚手架的锈蚀。伴随着锈蚀龄期的延长，钢管内外壁锈蚀率都相应提高，其中，钢管内壁的锈蚀速率相对小于外壁[1]。

钢管均匀锈蚀的特点为锈蚀分布于整个钢管表面，使钢管的截面尺寸均匀缩小；局部锈蚀的特点为钢管表面不同的位置存在不同程度的锈蚀，使钢管表面凹凸不平。局部锈蚀造成的危害远远大于均匀锈蚀，而实际工程中钢结构构件大部分的锈蚀往往是局部锈蚀。

从一些二维表面轮廓图可以看出，钢管锈蚀初期，锈坑数量增长较为缓慢，锈坑深度和宽度也相对较小。随着钢管锈蚀时间逐渐增加，锈坑的数量开始增多且深度和宽度也逐渐增大。随着锈蚀龄期的持续延长，钢管表面锈蚀产物开始脱落，钢管表面的锈坑开始贯通，导致钢管整体锈蚀深度增加。

随着钢管锈蚀时间的增加，钢管锈蚀率逐渐提高，钢管锈蚀产物的结片脱落，钢管内外壁的最大锈蚀深度和平均锈蚀深度都逐渐增加，导致钢管的平均残余厚度逐渐减小。钢管内外壁锈蚀后的表面如图1所示。整体而言，随着锈蚀时间的增加，钢管外壁的最大锈蚀深度和平均锈蚀深度都远远大于内壁[2]。

图1 钢管内外壁锈蚀后的表面

一般通过锈蚀钢材的三维粗糙度来综合分析锈蚀钢管表面的腐蚀形貌。随着锈蚀龄期的延长，钢管表面的锈坑也随机分布，使钢管锈坑表面的起伏程度也逐渐加强至最终的剧烈起伏。不同区域的最大锈坑并非呈递增变化，原因是在钢管锈蚀过程中，表面锈层脱落严重，导致最大锈坑呈现出不规律的变化。从整体锈蚀情况来看，在同等锈蚀龄期和锈蚀环境下，钢管外侧锈蚀速率明显大于内侧[3]。

2 锈蚀对钢管力学性能的影响

钢管锈蚀后进行钢材拉伸试验，将钢管加工切割成相关规范要求的片状拉伸试样，试样形状如图2所示。通过管材拉伸的力学性能试验得出锈蚀后钢管抗拉强度、屈服强度、弹性模量、伸长率等力学指标。

图2 试样形状

通过拉伸试验可以看出，锈蚀钢管试件的破坏形态均出现颈缩现象，这也符合钢材拉伸试验的颈缩阶段。但是，随着锈蚀率的提高，锈蚀钢管拉伸后的颈缩现象越来越不明显。一般未锈蚀的试件基本断裂于中间位置，而锈蚀后的试件断裂普遍发生在有较大或较多锈坑的薄弱位置，原因为锈蚀后试件不规则的锈坑使截面变得粗糙不平，局部较大或较多的锈坑使该截面应力增加，使锈蚀试件断裂沿着最薄弱的截面位置发展[4]。

研究表明，锈蚀钢管力学性能降低的主要原因是，锈蚀钢管内外壁产生大小、形状及深度各不相同且随机分布的锈坑，在进行拉伸试验时，因轴向力的作用，锈坑周围应力集中，从而在锈坑附近过早形成微裂缝，随着裂缝的发展，钢管强度及塑性变形能力下降。

拉伸试验后，将锈蚀钢管的屈服强度、抗拉强度、弹性模量、断后伸长率及断面收缩率与钢管锈蚀率进行线性回归分析，可以得到各力学性能指标与锈蚀率之间的变化规律。随着锈蚀率的不断提高，管材的屈服强度、抗拉强度、弹性模量、断后伸长率及断面收缩率都近似线性下降，由此可以形成锈蚀率对钢管力学性能影响的退化关系式：

式中：α为系数，η为钢管锈蚀率。

也有相关文献表明，钢材锈蚀后构件的弹性模量略微下降，且降低幅度会有一定的波动，可能是锈坑使构件拉伸时出现应力集中造成的。屈服强度和极限强度都随着锈蚀率的提高呈线性变化趋势，且极限强度降低得更快。随着锈蚀程度的提高，锈蚀钢板的强度遵循较显著的两折线退化规律。锈蚀前期，锈蚀对钢板强度影响不大，而超过一定锈蚀率后，钢板强度随着锈蚀程度的提升而较好地呈现线性退化规律，退化速率与锈蚀钢板表面锈蚀形貌特征密切相关。

3 结语

钢管锈蚀初期，锈蚀形态为局部腐蚀，数量少，分布较广；锈蚀后期，锈蚀形态由局部锈蚀发展为不均匀锈蚀，由于数量较多，连接成片后锈蚀产物大面积脱落。通过三维粗糙度综合分析锈蚀钢管表面的锈蚀形貌，分析其表面特征参数与锈蚀率的关系。通过锈蚀率可以直观地反映出钢管的锈蚀程度。锈蚀钢管的强度（屈服强度和抗拉强度）随着锈蚀程度的提升呈现显著的退化规律，锈蚀钢管的塑性指标也随着锈蚀率的提高而降低。通过建立锈蚀率与力学指标之间的关系，可以分析其他锈蚀率下的钢管力学性能。