富集氯离子环境中海洋工程钢丝绳吊索结构腐蚀性能分析

◎曹欣 中国船级社实业有限公司深圳分公司

1.案例工况

在对不同浓度下氯离子给吊索钢丝绳造成的腐蚀速率进行分析时，将氯离子的浓度设置成为变量，其余因素不做任何的改变，以氯化钠预沉积法设置的氯化钠浓度为依据，设置出四种不同的工况，分别对3天、7天和15天的腐蚀失重情况进行测量，具体得出结论详见表1。

表1 试验工况的具体内容

2.试验材料与方法

2.1 试样的选择及处理

在对碳钢腐蚀性能进行试验的过程中，使用的主要试件为矩形钢片，吊索截面的形状以不规则状为主，钢丝与外侧钢丝的接触缝隙是吊索的主要腐蚀面。为了使试件的腐蚀状态变得更加接近实际情况，结合大桥吊索的相关设计参数信息，选择使用钢丝绳试样；直径为6cm的吊索是大桥的主要施工材料，吊索的根数设置为900多根，结构设置为8×41SW+IWR，西鲁式设置为S，瓦林吞式设置为W，对钢丝绳的烧制方式进行充分的体现；西鲁瓦林吞式设置为SW，钢芯设置为IWR。吊索钢丝绳截面的具体情况详见图1。

图1 大桥吊索截面图示

探索型试验是该试验前期的主要形式，对现存的试验设备进行充分分析以后，最后选择使用与大桥吊索绕制模式一样的方式，试样为直径比较小的钢丝绳。钢丝绳的最小和最大破断力分别设置为160kN和180kN。6×36WS+IWR是其结构的主要类型，直径设置为1.6cm。钢丝绳截面的具体情况详见图2。

图2 试验使用的钢丝绳截面图示

处理试样：将试样全部处理成为小段，长度大约为10cm，试样放入到洗涤液里，使用刷子清理干净试样表面杂质，用清水冲洗，再放入到丙酮溶液中，利用超声完成再次清洗工作，烘干。

2.2 试验方法

试样选择钢丝绳的主要原因为大气会给吊索造成不同程度的腐蚀，腐蚀部位以钢丝绳表面钢丝裸露在外的部位为主，其保护层易于出现破坏的情况。该试样只清除了表面的黄油保护层，试样为钢丝绳，而不是钢丝，这就与实际情况更加接近。

氯化钠预沉积法需要先对试样进行称重和编号，配置好不同比例的氯化钠溶液，将其中的0g/L溶液设置为对照组。在各中浓度的溶液中放入试样，浸泡一分钟后立即取出，使用吹风机将其吹干。每一种工况设置的试样数量分别为13个，在不同的时间段完成表面微观状况和腐蚀失重情况的观测，将黄油涂抹在试样的两端，防止试样两端截面出现被锈蚀的情况。

将密闭试验箱放置在温室中，使得试验的湿度和温度得到了高效的控制，试验箱的主要材质为透明的亚克力板，试验箱中设置试验架，将试样悬挂在试验架上。在对温室内的温度进行控制时，使用的装置为加热装置和温控器，使用加湿器和温控器实现对试验箱中湿度的高效控制。在试验箱的试验架上使用塑料绳将试样悬挂好，试验的主要方法为干湿循环法。

2.3 结果与分析

（1）试验时间达到3天、7天和15天时，在不同浓度氯离子的环境中，钢丝绳的腐蚀情况出现了不均匀的情况，钢丝绳端部结构的颜色比较深，呈现出松散的状态，腐蚀产物也很多，钢丝绳中间缠绕位置的颜色则比较浅，以钢丝绳基质为主，腐蚀产物也很少。钢丝绳股与股缠绕的结合位置处腐蚀产物出现了大量的堆积，碳钢钢片的腐蚀情况比较弱，特定结构位置处没有腐蚀性产物存在，腐蚀性产物在局部位置聚集以后，会给金属造成不同程度的腐蚀作用。钢丝绳吊索在实际使用的过程中，会对拉力进行承受，钢丝绳的腐蚀情况也会受到应力状况的直接影响。在氯离子浓度、湿度和温度一致的情况下，随着试验时间的不断延长，钢丝绳的锈迹也会越来越明显；而随着氯离子浓度的不断增加，铁锈也会出现不断地积累，钢丝绳颜色也会随之加深。

试验结束以后，使用失重计算公式来对失重情况进行全面的分析。具体使用的公式为：

公式中：单位面积的腐蚀失重设置为C，单位为g/m；腐蚀前样品质量设置为w，单位为g；腐蚀产物除去后样品质量设置为w，单位为g；钢片面积设置为S，单位为m。片状试样是钢片的主要形式，其结论代表着单位面积的腐蚀失重；线状试验是钢丝绳的主要形式，其结论代表着单位长度的腐蚀失重，所以对公式进行了修改，即：

公式中：钢丝绳的长度设置为L，单位为cm；单位长度的腐蚀失重设置为C，单位为g/cm，腐蚀前样品质量设置为w，单位为g；腐蚀产物除去后样品质量设置为w，单位为g。腐蚀试验完成以后，使用有六次甲基四胺、蒸馏水和盐酸组成的除锈液将钢丝绳表面的锈迹去除干净，重新称其重量。试样的长度设置为10cm，每一种工况下的腐蚀时间与腐蚀失重的关系详见图3。工况1的钢丝绳腐蚀失重曲线处于最低的位置，其与工况4的钢丝绳腐蚀失重曲线进行比较，伴随着时间的不断变化，二者间的偏差也越来越明显；钢丝绳的腐蚀失重与氯离子的浓度成正比，环境中氯离子的浓度越高，腐蚀的速率也会随之增快。工况1、工况2和工况4的曲线腐蚀速率慢慢地降低，在相同的浓度下，随着时间的不断推移，钢丝绳的腐蚀速率会出现降低的情况，与钢片腐蚀失重的速率存在着很大的不同。

图3 钢丝绳腐蚀失重情况

2）分析腐蚀产物的微观结构。在试验工作以前，将试样放大几百倍后，实现对微观结构的高效分析。放大100 倍以后，表面以致密铁基质为主，纹理清晰可见，分布形式为顺着钢丝绳长度方向以层状形式分布，会有少许的颗粒状物体存在表面上。放大到500倍，表面沟壑清晰可见，沟壑的成因可能是刷子洗刷造成的，会有少量的隆起泡状物分布在钢丝表面，究其原因为，钢丝放置时间比较长，储存箱中有水分存在出现了锈迹。

在试验开展7天和15天后，对工况1的试样放大几百倍进行微观结构分析。试验7天后，会有胞状腐蚀产物附着在试样表面，表明试样表面出现了腐蚀的地方，分析没有被腐蚀的位置，铁基质是钢丝表面的主要材质，充分的表面，在经过7天的试验，仅钢丝表面出现了腐蚀的情况。试验时间达到15天后，胞状物会附着在表面上，有些表面位置会有凸凹不平的情况发生，说明凹进位置的腐蚀物出现了掉落的情况，发展速度比较慢，与失重试验进行比较，最终的结果很接近。

3.吊索结构设计

3.1 结构设计

（1）对钢丝绳的外股结构和直径不进行改变，只对钢丝绳金属芯结构进行一定程度的变化。f80mm钢丝绳金属芯中心股改变成为股的形式，将6根小股填充到f80mm和f88mm钢丝绳金属芯外股中间位置处，使f80mm和f88mm钢丝绳金属截面面积发生了改变，分别增加1.85%和1.66%。

（2）将股间压痕消除掉，钢丝绳股间间距提升2.8%，金属芯芯径增加到1%。

（3）使用填塑技术处理f80mm和f88mm钢丝绳金属芯。

（4）对吊索钢丝绳进行积极的改进，使用全新的钢丝绳捻制技术、拉拔技术和热处理技术完成相关的操作。首钢和宝钢负责提供施工原材料。

3.2 疲劳试验检测

标准件质量检验中心负责对钢丝绳常规项目进行检验，检验的标准为GB/T 20067-2006的相关条款，检验结果表面，钢丝绳的各项指标能够满足大桥吊索钢丝绳的各项标准。疲劳试验结果见表2。在疲劳试验结束以后，对锚具进行了全面的检查，没有发现任何的异常情况。

表2 疲劳试验结果

综合分析表2可以发现，疲劳试验脉冲次数达到2×10次后，钢丝绳的断丝率保持在5.0以内，与相关要求中的疲劳性能标准相吻合。

4.结语

（1）在其他条件一样的背景下，随着氯离子浓度的变化，吊索结构钢丝绳的腐蚀速率也会随之发生改变，钢丝绳的缠绕密集度也会给腐蚀情况带来不同的影响，腐蚀产物呈现出不均匀分布的状态，在钢丝绳缝隙位置比较集中。

（2）在条件相同的状态下，随着时间不断延长，吊索结构钢丝绳的腐蚀速率会出现随之减小的情况。

（3）从微观物理结构上分析，钢片腐蚀与吊索结构钢丝绳腐蚀存在着很大的差别，钢片腐蚀会有明显的腐蚀裂缝出现，而吊索钢丝绳腐蚀则不会出现腐蚀裂缝。