鋼管樁防腐護(hù)甲的冰磨蝕試驗(yàn)

黃 焱，田育豐

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

隨著人類開發(fā)海洋力度的不斷增大，各國(guó)相繼在海上建造了功能各異的海洋平臺(tái).與陸地環(huán)境不同，海上惡劣的環(huán)境條件是長(zhǎng)期困擾科研人員和工程技術(shù)人員的難題.其中，海洋環(huán)境下的腐蝕作用一直是海洋工程設(shè)計(jì)和建造中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題.

海洋環(huán)境可以分為海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)5個(gè)腐蝕區(qū)帶[1].其中，浪花飛濺區(qū)由于干濕交替的環(huán)境條件，腐蝕情況最為嚴(yán)重.經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，國(guó)內(nèi)外已有了較為可靠的飛濺區(qū)防腐方法，即鋼管樁防腐護(hù)甲技術(shù)，如英國(guó)Denso公司的2000FD重型海洋鋼管樁防腐護(hù)甲[2]，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所等單位聯(lián)合研發(fā)的新型復(fù)層包覆防護(hù)(PTC)技術(shù)[1,3]等.

海冰是寒區(qū)海域重要的環(huán)境條件，我國(guó)雖地處熱帶、亞熱帶和溫帶，但我國(guó)渤海和黃海北部因地理位置偏北，冬季受西伯利亞南下冷空氣直接影響，每年都有不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象，成為北半球海洋結(jié)冰的南邊界.我國(guó)渤海灣中的海冰類型主要以當(dāng)年平整冰為主，平整冰蓋在防腐護(hù)甲前發(fā)生連續(xù)破壞的過程中，對(duì)防腐護(hù)甲形成持續(xù)不斷的磨蝕作用，可能導(dǎo)致護(hù)甲表面局部的磨損破壞.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋼管樁防腐護(hù)甲上冰磨蝕作用的機(jī)理和影響鮮見系統(tǒng)研究.為此，筆者開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究鋼管樁防腐護(hù)甲上的冰磨蝕作用.

1 冰對(duì)防腐護(hù)甲磨蝕作用機(jī)理

鋼管樁防腐護(hù)甲技術(shù)的原理是在鋼管表面包覆多層不同功能的材料，起到隔絕海水和氧氣的作用，以避免飛濺區(qū)鋼管嚴(yán)重腐蝕(見圖 1).一般在靠近鋼材表面的第一層涂抹柔軟的礦脂化合物，用于黏結(jié)鋼管管體和第二層材料，同時(shí)填充鋼管表面的坑紋和凹陷.第二層礦脂聚合物是分隔水分子、防腐和防海生物附著的主要功能層.最外面聚乙烯層的作用是保證礦脂黏附，同時(shí)抵抗環(huán)境荷載(見圖 2和圖 3[2]).除海洋平臺(tái)外，這類防腐護(hù)甲還適用于碼頭和海洋橋梁等飛濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的防腐[4].

圖1 飛濺區(qū)腐蝕情況Fig.1 Corrosion in splash zone

圖2 2000FD重型海洋鋼管樁防腐護(hù)甲Fig.2 Series 2000FD heavy-duty pile corrosion protection system

冰是一種復(fù)雜的材料，其強(qiáng)度與應(yīng)變速率關(guān)系緊密.當(dāng)加載較慢時(shí)，冰晶體有充分時(shí)間沿邊界錯(cuò)位滑移，并且沿邊界出現(xiàn)大量微裂紋.隨著載荷增大，這些微裂紋開始擴(kuò)展直至破壞，這時(shí)冰表現(xiàn)為變形較大的延性破壞.當(dāng)加載較快時(shí)，冰晶體來(lái)不及沿邊界充分滑移，出現(xiàn)裂紋后隨即破壞，這時(shí)冰表現(xiàn)為變形較小的脆性破壞.而當(dāng)加載處于某一特殊區(qū)間時(shí)，冰的破壞將表現(xiàn)為交替式延-脆轉(zhuǎn)換模式.

由此可知，冰排在防腐護(hù)甲前的擠壓破壞受作用速率的嚴(yán)格控制，而最大冰力在哪種破壞模式下出現(xiàn)，又受到防腐護(hù)甲變形特征的影響.因此，只有通過大范圍的冰速掃描試驗(yàn)，才能確定最大冰力和護(hù)甲變形出現(xiàn)時(shí)的特征冰速.

冰排在防腐護(hù)甲前發(fā)生連續(xù)破壞的過程中，對(duì)防腐護(hù)甲形成持續(xù)不斷的磨蝕作用，這種作用體現(xiàn)為一種長(zhǎng)期的累積效應(yīng)，進(jìn)而可能導(dǎo)致材料局部的磨損破壞.冰對(duì)結(jié)構(gòu)表面的磨蝕作用體現(xiàn)為 2種模式.首先，在防腐護(hù)甲與冰蓋呈現(xiàn)全接觸狀態(tài)下，冰在結(jié)構(gòu)表面的局部破壞以及局部高壓力區(qū)的形成是產(chǎn)生淺層磨蝕的根源.冰力大部分集中在所謂的高壓力區(qū)[5](見圖 4).在高壓力區(qū)中，應(yīng)力是三向的，沿邊界封閉處到中心位置從低到高分布.在這些區(qū)域中有剪切發(fā)生，從而導(dǎo)致冰內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的改變.高壓力區(qū)一般處在極度封閉區(qū)域，遠(yuǎn)離自由表面，同時(shí)，他們的位置隨著斷裂的發(fā)生不停地改變，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在估計(jì)不到的位置.斷裂一般發(fā)生在冰內(nèi)含有缺陷的地方和壓力集中的地方.斷裂的出現(xiàn)和高壓力區(qū)的形成是如影相隨的.正是這些高壓力區(qū)的不均勻分布與壓力集中效應(yīng)，形成了結(jié)構(gòu)表面局部的磨損.

圖3 鋼管樁防腐護(hù)甲結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of steel-pipe pile corrosion protection system

圖4 冰排的局部破壞Fig.4 Local failure of ice sheet

另外，當(dāng)防腐護(hù)甲與大面積冰蓋的邊緣發(fā)生作用時(shí)，高壓力區(qū)的集中特性將更為突出，并且此時(shí)高壓力區(qū)的作用方向也將由單向的擠壓轉(zhuǎn)換為包含局部剪切的形式，而隨之所造成的材料表面的磨損將體現(xiàn)為局部的深層磨蝕，這里將其稱為局部的“啃蝕”效應(yīng).更需注意的是，防腐護(hù)甲與大面積冰蓋的邊緣發(fā)生作用并非偶發(fā)事件，大面積冰蓋在圓形樁柱前通常有大面積的劈裂進(jìn)程出現(xiàn)，而這一進(jìn)程所導(dǎo)致的后續(xù)作用進(jìn)程就恰恰是冰蓋邊緣與結(jié)構(gòu)的作用，具體體現(xiàn)為高壓力區(qū)在冰蓋邊緣出現(xiàn)的“啃蝕”作用.

當(dāng)鋼管樁未安裝防腐護(hù)甲時(shí)，由于鋼材是各向同性材料，且強(qiáng)度較高，所以在鋼管表面僅出現(xiàn)淺層磨蝕效果，很難發(fā)生啃蝕效應(yīng).而防腐護(hù)甲是各向異性材料，抗剪能力較差，強(qiáng)度低于鋼樁.因此，在對(duì)鋼管樁防腐護(hù)甲的冰磨蝕作用進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)同時(shí)關(guān)注上述2種模式的磨損進(jìn)程.

2 物理模型試驗(yàn)

本文開展室內(nèi)模型試驗(yàn)系統(tǒng)研究鋼管樁防腐護(hù)甲上的冰磨蝕作用.試驗(yàn)中首先進(jìn)行冰速掃描，確定防腐護(hù)甲上出現(xiàn)最大冰力和變形時(shí)的特征冰速.然后在此冰速下進(jìn)行防腐護(hù)甲的冰磨蝕試驗(yàn)，測(cè)試了每組試驗(yàn)中的最大冰力和磨蝕，獲得了防腐護(hù)甲上最大冰力和累積磨蝕數(shù)據(jù).

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文中的室內(nèi)模型試驗(yàn)是在天津大學(xué)冰力學(xué)與冰工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的，見圖 5.實(shí)驗(yàn)室低溫空間面積 216.0,m2，室內(nèi)氣溫最低可降至－22,℃，冰池長(zhǎng)20.0,m、寬 5.0,m、深 1.8,m.通過調(diào)節(jié)室內(nèi)氣溫可以使冰排生長(zhǎng)、回溫和融化.在冰池上有 2部拖車，較大的一部是試驗(yàn)拖車，拖車車速可以在 1～500,mm/s的范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，也可在規(guī)定的速度下恒速行駛.試驗(yàn)拖車的驅(qū)動(dòng)力為 5,t.較小的服務(wù)車主要用于在試驗(yàn)拖車上安裝模型，以及在一些試驗(yàn)中推動(dòng)冰排沖擊模型.服務(wù)車車速可以在 1～200,mm/s的范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié).

圖5 天津大學(xué)冰池Fig.5 Ice tank at Tianjin University

2.2 結(jié)構(gòu)模型

盡管不同國(guó)家和機(jī)構(gòu)研發(fā)的鋼管樁防腐護(hù)甲在內(nèi)涂層成分上有所差別，但這類鋼管樁防腐護(hù)甲技術(shù)的原理是相同的，結(jié)構(gòu)形式也十分相近.在護(hù)甲各層中，外面包覆的聚乙烯層完全承受海洋環(huán)境載荷.海冰的磨蝕主要作用在聚乙烯層上，因此，聚乙烯層的強(qiáng)度和厚度是影響冰磨蝕作用的關(guān)鍵參數(shù).在試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)防腐護(hù)甲模型的聚乙烯層厚 2,mm.這一厚度與前面提到的英國(guó) Denso公司的 2000FD重型海洋鋼管樁防腐護(hù)甲及我國(guó)新型復(fù)層包覆防護(hù)技術(shù)的聚乙烯層厚度相同.

根據(jù)渤海灣海洋平臺(tái)水線面附近樁腿的平均管徑，在試驗(yàn)中將防腐護(hù)甲安裝在直徑22,cm的鋼管上(見圖 6)，鋼管上下水密，通過測(cè)力傳感器安裝在試驗(yàn)拖車的支撐架上(見圖 7).防腐護(hù)甲在試驗(yàn)拖車的推動(dòng)下穿過模型冰蓋.

圖6 結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Structure model

圖7 試驗(yàn)狀態(tài)示意Fig.7 Sketch of test condition

2.3 模型律和模型比尺

用物理模型試驗(yàn)?zāi)M和研究鋼管樁防腐護(hù)甲受到的冰磨蝕作用，應(yīng)按照模型律將原型結(jié)構(gòu)上重要受力統(tǒng)一縮尺至模型結(jié)構(gòu).這樣可以保證在可控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)對(duì)防腐護(hù)甲的冰磨蝕作用進(jìn)行研究.試驗(yàn)中需要模擬冰蓋在管樁前的破壞，在這一過程中慣性力、重力和彈性力的作用明顯，應(yīng)使用 Froude和Cauchy 相似準(zhǔn)則[6-8].

然而，本次試驗(yàn)又具有較強(qiáng)的特殊性.這種特殊性主要體現(xiàn)為防腐護(hù)甲是難以按照相關(guān)模型比尺進(jìn)行縮尺的，因此，對(duì)防腐護(hù)甲材料來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)又是一種原型測(cè)試.基于這一復(fù)雜特性，試驗(yàn)中首先設(shè)置很大的模型幾何比尺，即 λ＝5.同時(shí)，由于冰對(duì)防腐護(hù)甲材料的局部磨蝕效應(yīng)主要受冰強(qiáng)度的控制，因此在試驗(yàn)中并不對(duì)模型冰的強(qiáng)度進(jìn)行縮尺，從而達(dá)到可以向現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行還原的目的.

2.4 模型冰

冰厚與冰強(qiáng)度是刻畫冰情重現(xiàn)期的重要指標(biāo)，因此試驗(yàn)中根據(jù)渤海灣百年一遇冰情設(shè)計(jì)模型冰冰厚與冰強(qiáng)度的目標(biāo)參數(shù).我國(guó)冬季有冰覆蓋海域按可能出現(xiàn)的不同冰情水平被劃分為 21個(gè)冰區(qū)，其中渤海灣內(nèi)包含5個(gè)冰區(qū)，分別為秦皇島、南堡、歧口、曹妃甸和岔尖，而其中又以曹妃甸冰區(qū)的冰情最為嚴(yán)重.因此試驗(yàn)中對(duì)目標(biāo)參數(shù)的選取擬根據(jù)曹妃甸冰區(qū)的參數(shù)制定.按照模型比尺將主要的原型冰參數(shù)和模型冰目標(biāo)參數(shù)列于表 1.在試驗(yàn)中需保證模型冰的彈性模量和冰厚與目標(biāo)冰參數(shù)的偏差在5%以內(nèi).

表1 主要的原型和模型冰參數(shù)Tab.1 Sea ice and model ice parameters

試驗(yàn)中使用尿素模型冰.當(dāng)水溫降至 0,,℃同時(shí)氣溫降至－10,℃時(shí)，噴霧引晶促使冰排開始生長(zhǎng).噴霧引晶過程是通過壓縮空氣在冰池水面上噴灑霧化的尿素水溶液，保證冰排具有小且均勻的冰晶體尺寸(直徑小于 1,mm)，如圖 8所示.當(dāng)冰晶核在水面形成后，降低室溫至－22,℃促使冰生長(zhǎng)至設(shè)計(jì)冰厚.在試驗(yàn)時(shí)冰溫保持在－2～0,℃.

圖8 模型冰Fig.8 Model ice

在制取模型冰的過程中，通過使冰排回溫來(lái)控制模型冰的抗壓強(qiáng)度.模型冰的抗壓強(qiáng)度可以通過單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量.在每組試驗(yàn)開始前先進(jìn)行3組單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，保證3組模型冰樣試驗(yàn)測(cè)得的抗壓強(qiáng)度均滿足目標(biāo)冰強(qiáng)度要求再開始試驗(yàn).

2.5 試驗(yàn)過程

在試驗(yàn)中共使用 4個(gè)配有防腐護(hù)甲的鋼管樁模型，其中，在冰速掃描試驗(yàn)中使用 3個(gè)模型，在冰磨蝕試驗(yàn)中使用 1個(gè)模型.在進(jìn)行冰速掃描試驗(yàn)時(shí)，將包覆防腐護(hù)甲的鋼管樁安裝在試驗(yàn)拖車的支撐架上，在管樁的初始位置，防腐護(hù)甲底部與冰蓋接觸.啟動(dòng)試驗(yàn)拖車按照預(yù)定速度推動(dòng)防腐護(hù)甲穿過模型冰蓋，通過測(cè)力傳感器采集防腐護(hù)甲經(jīng)受的冰荷載.試驗(yàn)拖車停止后，用千分表測(cè)量防腐護(hù)甲與冰蓋接觸部分的表面變形，完成 1組試驗(yàn).降低支撐架使護(hù)甲變形部分沉入水底，上面未變形部分下降與冰蓋接觸，重復(fù)上述過程進(jìn)行下一組試驗(yàn)，每個(gè)鋼管樁防腐護(hù)甲模型在完成 7組試驗(yàn)后進(jìn)行更換.在冰速掃描試驗(yàn)中，共對(duì) 10組冰速(10～400,mm/s)進(jìn)行了試驗(yàn)，每組冰速進(jìn)行2次重復(fù)試驗(yàn)，共20組試驗(yàn).

根據(jù)冰速掃描試驗(yàn)結(jié)果確定防腐護(hù)甲上出現(xiàn)最大冰力和變形時(shí)的特征冰速，在此冰速下更換結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行冰磨蝕試驗(yàn).試驗(yàn)過程與冰速掃描過程相近，不同的是在每組試驗(yàn)中均保持防腐護(hù)甲的固定位置與冰蓋持續(xù)接觸磨蝕.試驗(yàn)拖車每持續(xù)推動(dòng)防腐護(hù)甲與冰蓋接觸6,min停車，用千分表測(cè)量護(hù)甲表面劃痕和凹痕的深度，得到防腐護(hù)甲表面的累積磨蝕.累積磨蝕的定義為

式中：Ca為累積磨蝕，%；Vl為由冰磨蝕造成的聚乙烯層累積損失體積，可在每組試驗(yàn)后測(cè)得；Vi為未經(jīng)冰磨蝕作用的聚乙烯層初始體積，可由防腐護(hù)甲與冰蓋的接觸面積乘以聚乙烯層厚度得到.需要說(shuō)明的是，由于冰對(duì)護(hù)甲表層的磨蝕作用體現(xiàn)為整體接觸區(qū)域下的隨機(jī)分布型式，如采用相對(duì)厚度表述累積磨蝕，較易產(chǎn)生磨蝕貫穿材料厚度的歧義，因此這里采用相對(duì)體積來(lái)表述累積磨蝕效應(yīng).在冰磨蝕試驗(yàn)中，共進(jìn)行100組試驗(yàn)，累計(jì)測(cè)試時(shí)間10,h.

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 冰速掃描試驗(yàn)

在冰速掃描試驗(yàn)過程中，隨著冰速的變化，冰排在防腐護(hù)甲前表現(xiàn)出3種不同的破壞行為，即低冰速下的延性破壞，高冰速下的脆性破壞，以及中等冰速下的交替延性-脆性破壞.

當(dāng)冰速處于低冰速區(qū)間(冰速 10～100,mm/s)時(shí)，防腐護(hù)甲前端冰蓋在其作用下于不同深度的平面內(nèi)逐漸形成一系列清晰的徑向裂紋，這些徑向裂紋可以擴(kuò)展很長(zhǎng)的距離直至出現(xiàn)一較長(zhǎng)的環(huán)向裂紋.當(dāng)環(huán)向裂紋出現(xiàn)時(shí)，冰蓋發(fā)生屈曲破壞，防腐護(hù)甲前冰蓋向上隆起或向下凹陷變形斷裂，此時(shí)冰力達(dá)到一個(gè)破壞周期內(nèi)的最大值.隨著冰蓋發(fā)生破壞，冰力迅速減小，在冰力時(shí)程曲線中表現(xiàn)為明顯的緩慢加載快速卸載過程.

當(dāng)冰速處于高冰速區(qū)間(冰速 200～400,mm/s)時(shí)，冰蓋受到防腐護(hù)甲的快速擠壓，應(yīng)變速率很高，防腐護(hù)甲前端冰蓋內(nèi)迅速產(chǎn)生宏觀裂紋，在很小的變形下就發(fā)生了脆性擠壓破壞.此時(shí)冰蓋的破壞模式為連續(xù)擠壓破壞，碎冰不斷從接觸面擠出，冰蓋表面無(wú)明顯裂紋.冰力時(shí)程曲線表現(xiàn)出明顯的高頻加載特征.

當(dāng)冰速處于中等冰速區(qū)間(冰速 100～200,mm/s)時(shí)，防腐護(hù)甲前冰蓋的破壞模式介于延性破壞和脆性破壞之間.此時(shí)冰蓋的破壞現(xiàn)象復(fù)雜，防腐護(hù)甲前冰蓋交替出現(xiàn)隆起或下凹變形的屈曲破壞和連續(xù)擠壓破壞.在冰力時(shí)程曲線中可以明顯地觀察到發(fā)生屈曲破壞時(shí)冰力的突然卸載，以及發(fā)生擠壓破壞時(shí)冰力的高頻加載.

整理不同冰速條件下防腐護(hù)甲上的冰荷載數(shù)據(jù)和變形量，得到冰力極值和變形量隨冰速的變化曲線如圖9和圖10所示.

圖9 不同冰速下的冰力極值曲線Fig.9 Maximum ice force curve at different ice speeds

圖10 不同冰速作用下的變形量曲線Fig.10 Deformation curve at different ice speeds

從圖 9中可以發(fā)現(xiàn)，隨著冰速的增加，防腐護(hù)甲上所受到的最大冰力首先表現(xiàn)為迅速增大.當(dāng)冰速達(dá)到v＝150,mm/s時(shí)，防腐護(hù)甲上的冰力達(dá)到最大值8.84,kN.隨著冰速的進(jìn)一步增加，最大冰力呈現(xiàn)出先減小隨后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì).結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象和冰荷載時(shí)程曲線可知，防腐護(hù)甲上經(jīng)受的最大冰荷載出現(xiàn)在中等冰速條件下，此時(shí)冰蓋的破壞模式為交替出現(xiàn)的延性-脆性破壞.由圖 10可知，當(dāng)冰速 v＝150,mm/s時(shí)，防腐護(hù)甲在冰蓋作用下的變形量達(dá)到最大值0.1,mm.同時(shí)，變形量曲線也表現(xiàn)出隨著冰速增加先增大后減小再趨于平穩(wěn)的特征.

由冰速掃描結(jié)果可知，防腐護(hù)甲在冰速為150,mm/s時(shí)經(jīng)受最大的冰荷載并出現(xiàn)最大變形，此時(shí)冰蓋的破壞模式為交替出現(xiàn)的延性-脆性破壞.同時(shí)，當(dāng)冰蓋發(fā)生交替延性-脆性破壞時(shí)，防腐護(hù)甲將受到最嚴(yán)重的冰磨蝕作用.這不僅因?yàn)榇藭r(shí)防腐護(hù)甲上的冰力和變形最大，還與冰排破壞后的碎冰尺寸有關(guān).當(dāng)冰排發(fā)生延性破壞時(shí)，冰排斷裂為大塊的冰板，這些冰板對(duì)防腐護(hù)甲的作用主要是沖擊和擠壓，磨蝕作用較小.當(dāng)冰排發(fā)生脆性破壞時(shí)，冰排在防腐護(hù)甲的連續(xù)擠壓下破壞成尺寸很小的碎冰沫，這些碎冰沫在冰與防護(hù)層表面的接觸區(qū)域內(nèi)，發(fā)揮一定程度的潤(rùn)滑作用[5]，從而弱化了冰破壞進(jìn)程對(duì)護(hù)甲表面的磨蝕作用.然而，當(dāng)冰排發(fā)生交替延性-脆性破壞時(shí)，冰排破壞后形成大量具有一定強(qiáng)度的微小碎冰塊，而這些微小碎冰塊將產(chǎn)生顯著的磨蝕效果.由此，后續(xù)的防腐護(hù)甲冰磨蝕試驗(yàn)在冰速 150,mm/s條件下進(jìn)行.

3.2 冰磨蝕試驗(yàn)

正如前面所討論的，冰對(duì)結(jié)構(gòu)表面的磨蝕作用體現(xiàn)為 2種模式，即冰排正面全接觸時(shí)產(chǎn)生的淺層磨蝕，以及冰蓋邊緣作用在結(jié)構(gòu)上造成的啃蝕效應(yīng).試驗(yàn)中這2類磨蝕作用現(xiàn)象均得到了觀測(cè).如圖11所示，防腐護(hù)甲與冰蓋全接觸，并持續(xù)保持這種接觸狀態(tài).聚乙烯層表面在壓力集中位置出現(xiàn)冰蓋摩擦作用下的局部劃痕，見圖12.

圖11 冰蓋正面全接觸Fig.11 Frontal contact of the ice sheet

圖12 淺層磨蝕作用下的劃痕Fig.12 Nicks caused by the basic abrasion

除了上述冰蓋與防腐護(hù)甲保持全接觸狀態(tài)形成的淺層磨蝕，在試驗(yàn)中還觀察到防腐護(hù)甲與大面積冰蓋邊緣發(fā)生作用時(shí)的啃蝕效應(yīng).在部分試驗(yàn)中，完整冰蓋在防腐護(hù)甲前發(fā)生大面積的劈裂破壞(見圖13)，冰蓋在護(hù)甲前端劈裂為左右 2部分，這 2部分便形成了大面積冰蓋的邊緣.當(dāng)防腐護(hù)甲通過冰蓋劈裂后形成的水道時(shí)，與兩側(cè)的大面積冰蓋邊緣發(fā)生作用，在聚乙烯層表面出現(xiàn)因局部啃蝕效應(yīng)造成的凹痕，見圖14.

圖13 冰蓋邊緣的啃蝕效應(yīng)Fig.13 Nibbling effect caused by the ice sheet edge

圖14 啃蝕作用下的凹痕Fig.14 Concaves caused by the nibbling effect

完整冰蓋的劈裂破壞是由于徑向裂紋擴(kuò)展貫穿整個(gè)冰蓋造成的.當(dāng)冰排發(fā)生中等冰速下的交替延性-脆性破壞時(shí)，冰蓋在發(fā)生延性破壞時(shí)所導(dǎo)致的徑向裂紋，在進(jìn)而交替出現(xiàn)的脆性斷裂機(jī)理控制下，其受拉擴(kuò)展乃至貫穿整個(gè)冰蓋的可能性將大幅度提升.因此當(dāng)冰蓋發(fā)生交替延性-脆性破壞時(shí)，與其他 2種破壞形式相比，冰蓋在防腐護(hù)甲前更容易發(fā)生大面積的劈裂破壞，從而在聚乙烯層表面更易出現(xiàn)啃蝕作用下的凹痕.

整理試驗(yàn)中測(cè)得的累積磨蝕和冰荷載時(shí)程曲線，得到累積磨蝕和冰力極值曲線，如圖15所示.

圖15 累積磨蝕和冰力極值曲線Fig.15 Accumulated abrasion curve and maximum ice force curve

在持續(xù)不斷的磨蝕作用下，由冰排淺層磨蝕造成的劃痕和冰排邊緣啃蝕效應(yīng)造成的凹痕均出現(xiàn)在聚乙烯層表面.其中，劃痕隨冰蓋對(duì)聚乙烯層表面的持續(xù)磨蝕不斷增加，其累積速度開始很慢，這是因?yàn)槌跏季垡蚁颖砻姹容^光滑，與冰蓋間的摩擦系數(shù)較小，冰蓋對(duì)聚乙烯層表面的摩擦作用較小，致使劃痕的出現(xiàn)和累積較為緩慢.隨著劃痕的不斷出現(xiàn)，聚乙烯層表面逐漸變得粗糙，摩擦系數(shù)增大，劃痕的累積速度也逐漸增大.這一過程在圖 15中對(duì)應(yīng)累積磨蝕曲線的 AB段.在曲線的 AB段內(nèi)，劃痕的最大磨損深度為 0.02,mm，累積磨蝕整體水平較低.因此，由冰排淺層磨蝕造成的劃痕對(duì)于防腐護(hù)甲表面的累積磨蝕貢獻(xiàn)較小.

在防腐護(hù)甲表面出現(xiàn)的另一種局部磨損現(xiàn)象是由冰蓋邊緣啃蝕效應(yīng)造成的凹痕.在累積磨蝕曲線的BC段出現(xiàn)了冰蓋邊緣對(duì)防腐護(hù)甲的啃蝕效應(yīng)，所造成的 1號(hào)凹痕出現(xiàn)在防腐護(hù)甲迎冰面沿冰蓋推進(jìn)方向的 0°位置，其最大深度為 0.42,mm，磨損量為4.36,mm3.

隨著防腐護(hù)甲表面與冰蓋的繼續(xù)作用，由啃蝕作用產(chǎn)生的凹痕相繼出現(xiàn).在累積磨蝕曲線的 DE和FG段相繼出現(xiàn)了2號(hào)和3號(hào)凹痕.2處凹痕均出現(xiàn)在防腐護(hù)甲迎冰面與沿冰蓋推進(jìn)方向成 60°角的側(cè)面，最大啃蝕深度均為 0.13,mm，磨損量也相差不大，約為 0.73,mm3.

同時(shí)，試驗(yàn)中還對(duì)防腐護(hù)甲上的冰力進(jìn)行了不間斷記錄.如圖 15所示，防腐護(hù)甲上的最大冰力隨累積磨蝕的增加而小幅增大.這是因?yàn)殡S著冰蓋對(duì)防腐護(hù)甲表面的持續(xù)磨蝕，聚乙烯層表面上的劃痕逐漸增多，聚乙烯層與冰蓋間的摩擦系數(shù)增大，致使兩者間的相互作用更加顯著，使冰荷載有小幅增大趨勢(shì).同時(shí)，由累積磨蝕與最大冰荷載分布可以發(fā)現(xiàn)，最大冰力的變化主要受由劃痕產(chǎn)生的累積磨蝕影響，由凹痕造成的累積磨蝕對(duì)最大冰荷載的影響很小.

4 結(jié) 論

(1) 在試驗(yàn)中，防腐護(hù)甲表面最大累積磨蝕為9.56×10-5，最大磨蝕深度為 0.42,mm，防腐護(hù)甲上的冰磨蝕作用明顯.因此，在有冰期海域使用鋼管樁防腐護(hù)甲時(shí)應(yīng)考慮冰磨蝕作用的影響，預(yù)先進(jìn)行物理模型試驗(yàn)測(cè)試，保證護(hù)甲有足夠的耐冰磨蝕性能.

(2) 在試驗(yàn)中，當(dāng)冰蓋發(fā)生中等冰速下的交替延性-脆性破壞時(shí)，防腐護(hù)甲上的冰磨蝕作用最嚴(yán)重.

(3) 當(dāng)冰蓋在防腐護(hù)甲前發(fā)生大面積劈裂時(shí)，雖然此時(shí)冰力明顯下降，但冰蓋邊緣作用下的磨蝕情況反而更加嚴(yán)重.因此在考慮冰磨蝕作用時(shí)，需要特別注意冰蓋發(fā)生大面積劈裂時(shí)的磨蝕情況.

(4) 由冰排正面全接觸磨蝕造成的劃痕對(duì)于防腐護(hù)甲表面的累積磨蝕影響較小，累積磨蝕主要受啃蝕效應(yīng)造成的凹痕控制.

(5) 防腐護(hù)甲上的最大冰力隨累積磨蝕的增加而小幅增大.同時(shí)，最大冰力的變化主要受由劃痕產(chǎn)生的累積磨蝕影響，由凹痕造成的累積磨蝕對(duì)最大冰荷載的影響很小.

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