辛公鋒,龍關(guān)旭,袁陽(yáng)光,黃平明,張澤軍
(1.山東高速集團(tuán)有限公司創(chuàng)新研究院,山東 濟(jì)南 250101;2.山東省高速公路技術(shù)和安全評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250101;3.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055;4.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)
高強(qiáng)鋼絲因其良好的力學(xué)性能已被普遍應(yīng)用于現(xiàn)代工程建設(shè)[1-2].與多數(shù)金屬材料一樣,高強(qiáng)鋼絲在服役期間同樣受環(huán)境侵蝕性介質(zhì)影響,頻繁發(fā)生腐蝕病害.腐蝕在降低高強(qiáng)鋼絲有效抗拉截面積的同時(shí),尚會(huì)對(duì)材料性能造成負(fù)面影響,最終導(dǎo)致纜索構(gòu)件承載力不足,構(gòu)成安全隱患[3-5].為提升高強(qiáng)鋼絲耐腐蝕能力,通常會(huì)在其表面熱鍍金屬或合金鍍層,以達(dá)到物理隔絕保護(hù)與陰極保護(hù)的雙重效果.截至目前,鍍鋅層與鋅鋁合金鍍層中的Galfan鍍層(Zn-5%Al-Re)在高強(qiáng)鋼絲加工制作中應(yīng)用最為廣泛[6].鋼絲鍍層的腐蝕特性直接影響到鋼材基質(zhì)的腐蝕狀態(tài)及后續(xù)疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程[7].因此,對(duì)既有纜索承重結(jié)構(gòu)服役性能預(yù)測(cè)與維護(hù)等工作,高強(qiáng)鋼絲鍍層耐蝕性及點(diǎn)蝕概率模型研究意義明顯.
為明確高強(qiáng)鋼絲的腐蝕行為,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量試驗(yàn)研究.Li等[8]以鍍鋅高強(qiáng)鋼絲為對(duì)象,通過(guò)加速腐蝕試驗(yàn),研究了點(diǎn)蝕及均勻腐蝕模型.Sun等[9]研究了腐蝕對(duì)纜索力學(xué)性能的時(shí)變效應(yīng).蔣超等[10]通過(guò)加速腐蝕試驗(yàn)研究了纜索高強(qiáng)鋼絲的均勻腐蝕及點(diǎn)蝕規(guī)律.喻宣瑞等[11]研究了交變荷載與氯鹽耦合下鋼絞線的腐蝕特征與力學(xué)性能.以上研究在高強(qiáng)鋼絲腐蝕行為表征方面取得了顯著成果,然而以上研究多以鍍鋅鋼絲為對(duì)象,且研究?jī)?nèi)容多針對(duì)鋼絲或纜索腐蝕全過(guò)程,鍍層腐蝕特性未被引起足夠重視.
相比于鍍鋅鋼絲,Galfan鍍層鋼絲由于在近年來(lái)才逐漸被應(yīng)用于工程建設(shè),其腐蝕行為研究相對(duì)較少.國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該類鍍層制造工藝研發(fā)階段,對(duì)其腐蝕行為特征展開了部分研究[12-13].除此之外,Xue等[14]研究了Galfan鍍層的腐蝕疲勞行為,Cao等[15]研究了增加Nd對(duì)NaCl溶液中Galfan鍍層腐蝕行為的影響.以上研究對(duì)Galfan鍍層耐蝕性能分析研究具有重要參考,但并未對(duì)Galfan鍍層耐蝕性及點(diǎn)蝕發(fā)展歷程展開系統(tǒng)研究.綜合以上分析,高強(qiáng)鋼絲鍍鋅層及Galfan鍍層耐蝕性研究仍有欠缺,鍍層點(diǎn)蝕發(fā)展概率模型亟待建立.
由此,基于加速腐蝕試驗(yàn),研究鍍鋅層及Galfan鍍層的耐蝕性,包括均勻腐蝕過(guò)程、腐蝕全過(guò)程的宏觀與微觀形貌特征、鍍層腐蝕全過(guò)程的腐蝕傾向性,并引入動(dòng)態(tài)廣義極值分布建立兩種鍍層的最大點(diǎn)蝕系數(shù)極值模型.
試驗(yàn)用高強(qiáng)鋼絲由江蘇法爾勝纜索有限公司提供,直徑分別為5.34 mm、5.25 mm,單位面積鍍層重量分別不低于338 g/m2、337 g/m2,標(biāo)準(zhǔn)極限強(qiáng)度為1 670 MPa,兩種鍍層高強(qiáng)鋼絲中的微量元素質(zhì)量百分比如表1.為了制作加速腐蝕試件,對(duì)鋼絲盤條調(diào)直,裁剪為長(zhǎng)度約20 cm的試件,對(duì)所有鋼絲預(yù)稱重、編號(hào),稱重的精度為0.000 1 g.
表1 高強(qiáng)鋼絲中微量元素質(zhì)量百分比
圖1 加速腐蝕試件加工
加速腐蝕試驗(yàn)的開展參照《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》(GB/T 10125—2012),噴霧所用NaCl溶液濃度為(50±5)g/L,加速腐蝕試驗(yàn)裝置如圖2(a),包括鹽霧試驗(yàn)箱(LX-120)、油水分離器、空氣壓縮機(jī)等.鹽霧試驗(yàn)箱工作容積為120 cm×85 cm×50 cm,采用塔式噴霧裝置和無(wú)結(jié)晶噴嘴實(shí)現(xiàn)連續(xù)噴霧,80 cm2范圍內(nèi)的鹽霧沉降量為每小時(shí)1~2 mL,所收集溶液pH值介于7.1~7.2之間,試驗(yàn)開始之前,采用CR4級(jí)冷軋?zhí)间摪鍖?duì)鹽霧箱的腐蝕性能進(jìn)行檢驗(yàn).試驗(yàn)過(guò)程中,試件分批次取出,所有試件的腐蝕時(shí)長(zhǎng)如表2.
表2 加速腐蝕時(shí)長(zhǎng)
圖2 試驗(yàn)裝置與測(cè)試設(shè)備
腐蝕完成之后,采用流水沖洗表面結(jié)晶鹽,烘干后拍照記錄宏觀腐蝕形貌.表2中腐蝕時(shí)長(zhǎng)為82、255、366、462 h的鍍鋅鋼絲試件同時(shí)被用于微觀腐蝕形貌觀測(cè).Galfan鍍層鋼絲試件中,每個(gè)腐蝕時(shí)長(zhǎng)的2根試件用于微觀腐蝕形貌觀測(cè).微觀腐蝕形貌觀測(cè)借助場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡,觀測(cè)前采用流水沖洗表面結(jié)晶鹽,在70 ℃的恒溫烘箱中烘干8 h.對(duì)于其他用于均勻腐蝕與點(diǎn)蝕特性研究的試件,記錄宏觀腐蝕形貌后,參考《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣腐蝕產(chǎn)物的清除》(GB/T 16545—2015),采用化學(xué)清洗與物理清洗相結(jié)合的方式清除表面腐蝕產(chǎn)物,并稱量確定失重.
為從電化學(xué)熱力學(xué)與電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)角度描述兩種鍍層的腐蝕過(guò)程,借助圖2(b)所示電化學(xué)工作站(CHI660E)測(cè)定動(dòng)電位極化曲線,測(cè)試過(guò)程中將腐蝕鋼絲、鉑片電極與甘汞電極組成三電極系統(tǒng).
為建立兩種鍍層腐蝕全過(guò)程的點(diǎn)蝕概率模型,采用如圖2(c)所示三維表面形貌儀(ST400)掃測(cè)2D形貌輪廓,回歸3D表面腐蝕形貌,在鋼絲橫截面內(nèi),每9°掃測(cè)一條2D輪廓,測(cè)試過(guò)程中借助旋轉(zhuǎn)控制裝置自動(dòng)旋轉(zhuǎn).ST400在進(jìn)行2D形貌輪廓掃測(cè)過(guò)程中采用白光共聚色差技術(shù),方向測(cè)量分辨率為2 nm,掃描步長(zhǎng)與掃描速度分別為0.1 μm、20 mm/s.
盡管實(shí)際中的腐蝕現(xiàn)象多為非均勻腐蝕,但研究過(guò)程中多采用均勻腐蝕深度量化總體腐蝕進(jìn)程,根據(jù)各試件的失重測(cè)試結(jié)果,計(jì)算與之對(duì)應(yīng)的均勻腐蝕深度,計(jì)算方法為[8,10]
(1)
兩種鍍層高強(qiáng)鋼絲的均勻腐蝕分析結(jié)果如圖3,根據(jù)單位面積鍍層質(zhì)量推算的鍍層厚度,通過(guò)失重水平換算均勻銹蝕深度,二者數(shù)值相等時(shí)即為鍍層被完全銹蝕的臨界時(shí)長(zhǎng),鍍鋅層與Galfan鍍層被消耗完的臨界時(shí)長(zhǎng)分別約為336 h、1 088 h.通過(guò)擬合分析,得到兩種鍍層均勻腐蝕深度與加速腐蝕時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系為
圖3 兩種鍍層均勻腐蝕過(guò)程對(duì)比分析
(2)
式中:duZn(t)、duGal(t)分別表示鍍鋅層及Galfan鍍層的均勻腐蝕深度.根據(jù)圖2及式(2),鍍鋅層均勻腐蝕深度隨時(shí)間延長(zhǎng)近似呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),Galfan鍍層腐蝕深度隨時(shí)間延長(zhǎng)呈拋物線增長(zhǎng)趨勢(shì).
為明確加速腐蝕時(shí)長(zhǎng)與真實(shí)環(huán)境腐蝕時(shí)長(zhǎng)的換算關(guān)系,最有效的方法為將圖3所示均勻腐蝕深度與暴露試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,考慮到暴露試驗(yàn)在短期內(nèi)難以開展,將試驗(yàn)結(jié)果與Marder等[16]、Aoki等[17]得到的暴露試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn),對(duì)于鍍鋅層,加速腐蝕試驗(yàn)1 h分別相當(dāng)于工業(yè)污染環(huán)境0.022年以及鄉(xiāng)村環(huán)境0.088年,對(duì)于Galfan鍍層,加速腐蝕試驗(yàn)1 h分別相當(dāng)于工業(yè)污染環(huán)境0.018~0.024 a以及鄉(xiāng)村環(huán)境0.033~0.052 a.
高強(qiáng)鋼絲兩種鍍層的典型宏觀腐蝕形貌如表3,由表3可知:
表3 兩種鍍層全過(guò)程宏觀腐蝕形貌
(1)鍍鋅層全過(guò)程宏觀腐蝕形貌可劃分為兩階段,t≤168 h時(shí),Zn的白色腐蝕產(chǎn)物逐漸累積,腐蝕產(chǎn)物形貌呈絮狀、斑狀,168 h
(2)Galfan鍍層全過(guò)程宏觀腐蝕形貌可劃分為三個(gè)階段,t≤216 h時(shí),表面白色腐蝕產(chǎn)物呈絮狀或斑狀,區(qū)域性明顯;216 h
采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測(cè)不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)鋼絲不同區(qū)域的微觀形貌,圖4給出了兩種鍍層較為典型的5 000倍鏡微觀形貌圖像.鍍鋅層在腐蝕前期,表面逐漸布滿較為密集的白色腐蝕產(chǎn)物,如圖4(a),隨著腐蝕時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng),由較致密完整的形態(tài)逐漸向多孔、鏤空狀變化,如圖4(b),當(dāng)腐蝕時(shí)長(zhǎng)超過(guò)336 h后,可見Fe的小團(tuán)絨狀腐蝕產(chǎn)物,應(yīng)為γ-FeOOH,如圖4(c).Galfan鍍層在腐蝕前期由致密的表面特征快速過(guò)渡至多空、鏤空狀,如圖4(d),隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng),進(jìn)一步過(guò)渡至層狀堆疊狀,如圖4(e),并可見Zn的尖條狀腐蝕產(chǎn)物逐漸積累,如圖4(f),當(dāng)腐蝕時(shí)長(zhǎng)達(dá)到臨界時(shí)間點(diǎn)時(shí),表面形貌演變?yōu)樗缮㈩w粒狀,局部可見Fe的腐蝕產(chǎn)物.
圖4 鍍層微觀腐蝕形貌變化
兩種鍍層腐蝕后的動(dòng)電位極化曲線測(cè)試結(jié)果如圖5.分析時(shí)重點(diǎn)關(guān)注不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)下的自腐蝕電流密度與混合電位[18].自腐蝕電流密度通過(guò)對(duì)動(dòng)電位極化曲線塔菲爾區(qū)的擬合得到,用以反映腐蝕速率,腐蝕速率與自腐蝕電流密度的關(guān)系可表述為
(3)
圖5 不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)極化曲線 上右去掉
式中:M、icorr分別表示金屬的摩爾質(zhì)量(g/mol)以及自腐蝕電流密度(mA/cm2),p、F、ρ1分別為金屬的價(jià)數(shù)、法拉第常數(shù)以及材料密度.混合電位與腐蝕傾向性有關(guān).
由圖4可知:
(1)Galfan鍍層鋼絲的極化曲線存在明顯鈍化區(qū),腐蝕時(shí)長(zhǎng)越小,鈍化區(qū)越穩(wěn)定,腐蝕前期極化曲線中尚可見過(guò)鈍化區(qū),主要由于氧化膜仍比較完整,氧化膜被破壞后使腐蝕再次加劇;
(2)鍍鋅鋼絲自腐蝕電流密度在168、216及264 h三條曲線變化不大,438 h與510 h對(duì)應(yīng)的自腐蝕電流密度相同,明顯小于前三條曲線,說(shuō)明在鍍層損耗完之前,鍍鋅層腐蝕速度變化不大,而鍍鋅層損耗完之后,腐蝕速率有所下降;Galfan鍍層鋼絲的自腐蝕電流密度在整個(gè)腐蝕過(guò)程中逐漸下降,說(shuō)明腐蝕速率隨腐蝕時(shí)長(zhǎng)的增加整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),該結(jié)論與圖3分析結(jié)果相吻合;
(3)鍍鋅鋼絲在鍍層完全損耗之前,混合電位有輕微正移趨勢(shì),損耗完全之后明顯正移,說(shuō)明鍍層損耗完之前腐蝕傾向性輕微下降,完全損耗之后腐蝕傾向性明顯下降;Galfan鍍層鋼絲在整個(gè)腐蝕過(guò)程中腐蝕電位逐漸正移,說(shuō)明腐蝕傾向性在整個(gè)過(guò)程中越來(lái)越小;腐蝕傾向性的變化可主要?dú)w因于Zn、Al、Fe三種金屬標(biāo)準(zhǔn)電極電位的差異.
為建立兩種鍍層的點(diǎn)蝕概率模型,首先基于三維表面輪廓儀掃測(cè)得到的2D形貌輪廓,回歸確定每一根鋼絲的三維腐蝕形貌,其次,通過(guò)與相應(yīng)均勻腐蝕深度對(duì)比,確定整個(gè)三維輪廓上的點(diǎn)蝕系數(shù),最后,基于極值理論,借助區(qū)間最大法,引入動(dòng)態(tài)廣義極值分布建立兩種鍍層的點(diǎn)蝕概率模型.
盡管已經(jīng)鋼絲進(jìn)行了調(diào)直,但鋼絲并非完全平直,導(dǎo)致掃描得到的2D表面輪廓整體呈不規(guī)則曲線形狀,無(wú)法直接確定點(diǎn)蝕深度.為排除鋼絲自身曲線線形對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,采用小窗移動(dòng)平均自動(dòng)基線校正方法估計(jì)實(shí)測(cè)輪廓基線,所估計(jì)的基線即為未腐蝕試件輪廓的近似,基線估計(jì)效果如圖6(a)所示[19].根據(jù)實(shí)測(cè)輪廓坐標(biāo)與基線坐標(biāo),可確定鋼絲軸向長(zhǎng)度上的點(diǎn)蝕深度,如圖6(b).
圖6 基于實(shí)測(cè)二維輪廓線的3D點(diǎn)蝕深度獲取
進(jìn)一步地,對(duì)每一根腐蝕試件,采用測(cè)試、分析得到的40根2D點(diǎn)蝕深度曲線,可回歸得到試件的3D表面形貌,圖6(c)以任意一根試件為例,給出了3D表面腐蝕形貌回歸的等高線圖.通過(guò)將圖6(c)中數(shù)值與該試件對(duì)應(yīng)均勻腐蝕深度的對(duì)比,確定試件表面各點(diǎn)位的點(diǎn)蝕系數(shù).
根據(jù)極值理論以及區(qū)間最大法,在鋼絲軸向以1 cm為一個(gè)區(qū)間長(zhǎng)度,每一個(gè)區(qū)間長(zhǎng)度取出一個(gè)點(diǎn)蝕系數(shù)最大值,同一加速腐蝕時(shí)長(zhǎng)所有試件得到的最大點(diǎn)蝕系數(shù)形成一個(gè)極值樣本[20].對(duì)每一加速腐蝕時(shí)長(zhǎng)的最大點(diǎn)蝕系數(shù)極值樣本,采用動(dòng)態(tài)廣義極值(GEV)分布對(duì)其進(jìn)行擬合分析[21]:
Zp~GEV(μ(t),σ(t),ξ(t))=G(x;θ(t))
(4)
式中,μ(t)、σ(t)、ξ(t)分別為加速腐蝕時(shí)長(zhǎng)t對(duì)應(yīng)的位置參數(shù)、尺度參數(shù)與形狀參數(shù),動(dòng)態(tài)廣義極值分布的截口分布為三種極值分布中的一種,ξ(t)→0時(shí),對(duì)應(yīng)于Gumbel分布,ξ(t)≠0時(shí)對(duì)應(yīng)于Frechet分布或Weibull分布.
圖7(a)以Galfan鍍層任意1個(gè)加速腐蝕時(shí)長(zhǎng)為例,給出了采用動(dòng)態(tài)GEV分布擬合的結(jié)果,根據(jù)對(duì)所有加速腐蝕時(shí)長(zhǎng)點(diǎn)蝕系數(shù)極值樣本的擬合,形狀參數(shù)均接近于零,說(shuō)明區(qū)間最大點(diǎn)蝕系數(shù)可以采用Gumbel分布描述.
鍍鋅層及Galfan鍍層區(qū)間最大點(diǎn)蝕系數(shù)的位置參數(shù)、尺度參數(shù)隨腐蝕時(shí)長(zhǎng)的變化如圖7(b)~(c).可見,兩種鍍層最大點(diǎn)蝕系數(shù)的位置參數(shù)與尺度參數(shù)均隨腐蝕時(shí)長(zhǎng)的增加呈現(xiàn)指數(shù)下降趨勢(shì),具體的變化規(guī)律可描述為
(5)
(6)
式中:μZn(t)、σZn(t)、μGal(t)、σGal(t)分別表示加速腐蝕時(shí)長(zhǎng)t對(duì)應(yīng)的鍍鋅層及Galfan鍍層區(qū)間最大點(diǎn)蝕系數(shù)分布的位置參數(shù)與尺度參數(shù).
(1)隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng),鍍鋅層與Galfan鍍層均勻腐蝕深度分別呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)以及拋物線增長(zhǎng)的趨勢(shì),鍍鋅層在腐蝕過(guò)程中腐蝕速率變化較小,Galfan鍍層腐蝕速率逐漸降低;
(2)鍍鋅層全過(guò)程宏觀腐蝕形貌呈現(xiàn)兩階段變化,黃褐色腐蝕物覆蓋表面約1/3區(qū)域時(shí),可基本判定鍍鋅層被完全腐蝕;Galfan鍍層全過(guò)程宏觀腐蝕形貌呈現(xiàn)三階段變化,面積較大的紅褐色銹斑占據(jù)覆蓋鋼絲表面積約30%時(shí),可基本判定Galfan鍍層被完全腐蝕;
(3)鍍鋅層微觀腐蝕形貌在初期呈較致密狀態(tài),隨后向多空、鏤空狀演變,鍍鋅層被完全腐蝕后表面可見Fe的小團(tuán)絨狀腐蝕產(chǎn)物;Galfan鍍層微觀形貌在初期由致密狀過(guò)渡至多空鏤空狀,并逐漸演變?yōu)閷訝疃询B狀態(tài),Galfan鍍層被完全腐蝕時(shí),微觀形貌呈現(xiàn)松散顆粒狀;
(4)相比鍍鋅層,Galfan鍍層動(dòng)電位極化曲線存在明顯鈍化區(qū),腐蝕時(shí)長(zhǎng)越短,鈍化區(qū)越穩(wěn)定;鍍鋅層在被完全腐蝕之前,腐蝕傾向性有輕微下降趨勢(shì),Galfan鍍層在整個(gè)腐蝕過(guò)程中腐蝕傾向性越來(lái)越小;
(5)在所建立的兩種鍍層點(diǎn)蝕概率模型中,區(qū)間最大點(diǎn)蝕系數(shù)截口分布不拒絕Gumbel分布,兩種鍍層區(qū)間最大點(diǎn)蝕系數(shù)分布的位置參數(shù)及尺度參數(shù)均隨著腐蝕時(shí)長(zhǎng)的增加呈指數(shù)下降趨勢(shì).