淺談銹蝕對扣件式鋼管腳手架鋼管性能的影響

范永風

（甘肅建筑職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730050）

一般鋼材銹蝕主要分為剝蝕和坑蝕兩種，即均勻銹蝕和局部銹蝕。剝蝕會造成鋼管截面面積減小，但需要一定的時間，容易及時察覺，且不至于導致鋼管突然破壞；坑蝕會造成鋼管表面產(chǎn)生大小不一的銹坑，進而會使鋼管表面的局部應力集中，導致局部先于整體屈服，使腳手架結(jié)構(gòu)中的鋼管突然破壞，且坑蝕的分布具有很大的隨機性，造成的破壞難以預測。

1 銹蝕對鋼管微觀方面的影響

由于鋼管腳手架長期暴露在露天環(huán)境中，且多次周轉(zhuǎn)后的鋼管腳手架歷經(jīng)風吹日曬及鋼管扣件之間的相互磨損，加快了鋼管腳手架的銹蝕。伴隨著銹蝕齡期的延長，鋼管內(nèi)外壁銹蝕率都相應提高，其中，鋼管內(nèi)壁的銹蝕速率相對小于外壁[1]。

鋼管均勻銹蝕的特點為銹蝕分布于整個鋼管表面，使鋼管的截面尺寸均勻縮小；局部銹蝕的特點為鋼管表面不同的位置存在不同程度的銹蝕，使鋼管表面凹凸不平。局部銹蝕造成的危害遠遠大于均勻銹蝕，而實際工程中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件大部分的銹蝕往往是局部銹蝕。

從一些二維表面輪廓圖可以看出，鋼管銹蝕初期，銹坑數(shù)量增長較為緩慢，銹坑深度和寬度也相對較小。隨著鋼管銹蝕時間逐漸增加，銹坑的數(shù)量開始增多且深度和寬度也逐漸增大。隨著銹蝕齡期的持續(xù)延長，鋼管表面銹蝕產(chǎn)物開始脫落，鋼管表面的銹坑開始貫通，導致鋼管整體銹蝕深度增加。

隨著鋼管銹蝕時間的增加，鋼管銹蝕率逐漸提高，鋼管銹蝕產(chǎn)物的結(jié)片脫落，鋼管內(nèi)外壁的最大銹蝕深度和平均銹蝕深度都逐漸增加，導致鋼管的平均殘余厚度逐漸減小。鋼管內(nèi)外壁銹蝕后的表面如圖1所示。整體而言，隨著銹蝕時間的增加，鋼管外壁的最大銹蝕深度和平均銹蝕深度都遠遠大于內(nèi)壁[2]。

圖1 鋼管內(nèi)外壁銹蝕后的表面

一般通過銹蝕鋼材的三維粗糙度來綜合分析銹蝕鋼管表面的腐蝕形貌。隨著銹蝕齡期的延長，鋼管表面的銹坑也隨機分布，使鋼管銹坑表面的起伏程度也逐漸加強至最終的劇烈起伏。不同區(qū)域的最大銹坑并非呈遞增變化，原因是在鋼管銹蝕過程中，表面銹層脫落嚴重，導致最大銹坑呈現(xiàn)出不規(guī)律的變化。從整體銹蝕情況來看，在同等銹蝕齡期和銹蝕環(huán)境下，鋼管外側(cè)銹蝕速率明顯大于內(nèi)側(cè)[3]。

2 銹蝕對鋼管力學性能的影響

鋼管銹蝕后進行鋼材拉伸試驗，將鋼管加工切割成相關規(guī)范要求的片狀拉伸試樣，試樣形狀如圖2所示。通過管材拉伸的力學性能試驗得出銹蝕后鋼管抗拉強度、屈服強度、彈性模量、伸長率等力學指標。

圖2 試樣形狀

通過拉伸試驗可以看出，銹蝕鋼管試件的破壞形態(tài)均出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，這也符合鋼材拉伸試驗的頸縮階段。但是，隨著銹蝕率的提高，銹蝕鋼管拉伸后的頸縮現(xiàn)象越來越不明顯。一般未銹蝕的試件基本斷裂于中間位置，而銹蝕后的試件斷裂普遍發(fā)生在有較大或較多銹坑的薄弱位置，原因為銹蝕后試件不規(guī)則的銹坑使截面變得粗糙不平，局部較大或較多的銹坑使該截面應力增加，使銹蝕試件斷裂沿著最薄弱的截面位置發(fā)展[4]。

研究表明，銹蝕鋼管力學性能降低的主要原因是，銹蝕鋼管內(nèi)外壁產(chǎn)生大小、形狀及深度各不相同且隨機分布的銹坑，在進行拉伸試驗時，因軸向力的作用，銹坑周圍應力集中，從而在銹坑附近過早形成微裂縫，隨著裂縫的發(fā)展，鋼管強度及塑性變形能力下降。

拉伸試驗后，將銹蝕鋼管的屈服強度、抗拉強度、彈性模量、斷后伸長率及斷面收縮率與鋼管銹蝕率進行線性回歸分析，可以得到各力學性能指標與銹蝕率之間的變化規(guī)律。隨著銹蝕率的不斷提高，管材的屈服強度、抗拉強度、彈性模量、斷后伸長率及斷面收縮率都近似線性下降，由此可以形成銹蝕率對鋼管力學性能影響的退化關系式：

式中：α為系數(shù)，η為鋼管銹蝕率。

也有相關文獻表明，鋼材銹蝕后構(gòu)件的彈性模量略微下降，且降低幅度會有一定的波動，可能是銹坑使構(gòu)件拉伸時出現(xiàn)應力集中造成的。屈服強度和極限強度都隨著銹蝕率的提高呈線性變化趨勢，且極限強度降低得更快。隨著銹蝕程度的提高，銹蝕鋼板的強度遵循較顯著的兩折線退化規(guī)律。銹蝕前期，銹蝕對鋼板強度影響不大，而超過一定銹蝕率后，鋼板強度隨著銹蝕程度的提升而較好地呈現(xiàn)線性退化規(guī)律，退化速率與銹蝕鋼板表面銹蝕形貌特征密切相關。

3 結(jié)語

鋼管銹蝕初期，銹蝕形態(tài)為局部腐蝕，數(shù)量少，分布較廣；銹蝕后期，銹蝕形態(tài)由局部銹蝕發(fā)展為不均勻銹蝕，由于數(shù)量較多，連接成片后銹蝕產(chǎn)物大面積脫落。通過三維粗糙度綜合分析銹蝕鋼管表面的銹蝕形貌，分析其表面特征參數(shù)與銹蝕率的關系。通過銹蝕率可以直觀地反映出鋼管的銹蝕程度。銹蝕鋼管的強度（屈服強度和抗拉強度）隨著銹蝕程度的提升呈現(xiàn)顯著的退化規(guī)律，銹蝕鋼管的塑性指標也隨著銹蝕率的提高而降低。通過建立銹蝕率與力學指標之間的關系，可以分析其他銹蝕率下的鋼管力學性能。