钢结构涂层腐蚀预测模型简析

表 １ 不 同预 测 模 型 计 算 比较
加工制作方便 、 施工速度快 、 建设周期短等一系列 化数据列为｛｝ ， － ， ＝ ，， － ｝ 优点。 但也有明显的弱点 一易腐蚀。 钢材的腐蚀给 与其相对应的时间列为 国民经跻造成了巨大的损失， 钢结构的腐蚀不仅造 ｛ ＝ ｆ２ ，｝ ， 数据 ｔ ｉ ｆ… 两列 Ｊ ｌ， ， 成巨大的经济损失 ， 还直接影响安全生产。 之间满足如下的幂函数关系 ： 现 今 ＩＳ＝Ａｌｔ ｎ ｎ ｑＢ （） ４ 防护 ， 因此 令 Ｙ＝ ｎ， ｌ ｔ ｌＳ Ｘ＝ ｍ ，则 式
可改写 成 ：
潜在 危险 其 十分 重要 的意义 。 有
２
Ｙ＝ ｘ ＡＢ
（） ５
式 中 Ａ、 Ｂ由最小 二 乘 法 当前常用的涂层寿命预测公式的文献仅有以 确定 。 下 三种类 型 ： ２ ｙｅ ． Ｍａｎ 预测模 型 １
：
∑； ）
，
Ｂ－ ｙ－Ａ￣ －
＝
凄 百
究思 路值得 思考 。
２ Ｏ世纪 ５ Ｏ年代 ， ｙ ｅ Ｍａｎ 通过对涂层钢板进 行电化学研究， 出“ 提 涂层极化电阻控制理论” 。他 分析， 即腐蚀面积序列为： 认为， 高涂层的电阻值， ‘ 提 就可以降低腐蚀电流” 。 ｛） ｛．４ ，１ １． ＝ ２ ，５ ．８， ２ ４ ．６，７ １｝ 结合 Ｆｃ ｉ ｋ扩散理论， 提出了涂层腐蚀寿命 ： 对 应的 时间序列 为 ：
蚀率 。
梁彩凤等 通过 对 ７个试 验 站 １ ７个钢 种 ５个 周期近 ２ 年 的暴露试验所测得的 ｌ２４８ １ ０ 、，、、６年 ｛） ０７４， ０ ８ ．８ ２ ６ ２ ５１ ｙ＝｛８ ７ ．４ ， ０２ ．３ —４ ９ ．５ １ ０ １ ％ １ ３ ２ １ ） ５ ８ 腐蚀试验数据及大气环境中主要化学元素含量数 ｛ ＝ ｛． ８ １ ． ７６１ ８ ２，． ４ ８１ ０ ４ ｝ Ｘ｝＝１ ９ ６，２ ２ ，． ６９１５ ０，． ９ ４ ０ １５ ３ ０ ６ 据进行统计分析， 证实大气腐蚀深度与腐蚀时间的 代人式（）并进行线性回归可 Ｙ ２ ９ ４ Ｚ５４Ｘ ５， ＝一． ９ ＋ ９７８ ２０ 关系符合幂函数关系－＝ Ｔ，其中 Ｄ为腐蚀深度 ． Ｃ＂ Ｄ 即： （“ 为暴露时间（ 、 ｍ 年 ｎ为常数 ， 建立了大气 中 ｌ Ｓ ２ ９ ０ ＋２ ５ ４ ｎ ｎ ＝一 ９ ４ ． ７ ８ｌ ｔ ９ 主要 化学 元素含量 与系数 Ｃ ｎ 问的关 系式。 、之 Ｓ ０１ ０ ６￣７ － ０ ＿． ３ｔ ４ ８ （） ６ 以 七 提到 所 式（ ） ６ 即为本文对文献实测腐蚀数据的模拟 涂层污染环境下的钢材大气腐蚀预测模型。然而， 预测公式， 蚣 式对钢结构涂层腐蚀失效进行预 用ｌ 实际工程 中 几乎所有的在役钢结构都具有防腐涂 测， 预测结果及其 与 文献ｆ 果比 ４ 怙 较如表 １ 。 通过表 层。在涂层失效前， 钢结构基材不发生腐蚀或腐蚀 １中两种预测方法计算结果比较， 易知本文提出的 相当微弱。因此， 可以认为涂层钢结构基材窗蚀发 的 精度。 生在涂层失效以后。 ４ 在Ｅ 述内容基础上，本文结合腐蚀深度幂函 薄的液膜下的电化 ｌ（ ） ’ ‘ ｌ（ｏＳ１ ） （） ｒ ％ ＝ａ ｔ ｎＡ／・０ ２ Ｉ ＋ ０ 数关 系 Ｄ Ｃ ＂ 出 ＝ Ｔ给 其中： 学反应。由于金属表面性质的差异， 导致某些表面 如下 ： Ｓ ％－涂层开孔面积率；ｃ 腐蚀电流密度； 位置有 利于 阳极 反应 （ 电子反应 ） Ｉ 一 。 ｏ 产生 的发生 ， 它 其 Ｄ＝ｃＴ Ｙ （ （） ７ 消耗 ， Ａ －初始开孔面积 ； 一涂层 的开孑 率； ０ Ｌ ｔ 一相应的 位置 利于 阴极 反应 （ 电子反 应 ）阳极 和阴极 的 其中 ：一腐蚀深度 ｎ ） 一涂层失效时间 Ｄ ｍ； ｋ 时间；一浸渍面积，ｍｏ ｓ Ｃ２ 反应一 般可用 下式表 示 ： （ ） 年 ，由公式 （）确定 ；＿ ４ ｜ 涂层钢结构服役年限 ｒ ２ Ｍ１Ｄ ３ Ｇ （，预测模 型 Ｍ Ｍ ＋ （ 阳极 反应 ， 金属溶 解 ） （ ） ｎ 年 ； 一与区域大气腐蚀Ｉ有关的常数。 Ｃ、 生 ３ １］ ￣ ３的作者 以涂 Ｏ ＋２ ， ＋４ 一４／一 阴极 反应 ， ， Ｈ Ｏ ０／ （ 氧被 还原 ） 对于不含防护涂层的裸露钢材 ，＝ ， ｔ Ｃ 则模型 ｃ 数， 通过假设涂层腐蚀面积变化的原始序列 ： 研 究 人员在 几 十年 的大 气腐 蚀 研究 过 程 中 ， 退化为腐蚀深度幂函数模型。 方面取得很多有使 ｆ 一 １ （， （ｌ和 此 应的 １ ｆ ） ２ 一 Ⅳ 与 对 时 （ ）， ） ， ５ 论 结 用价值的研究成果。 如王景茹等 人 通过假设ａ 只考 间 列ｆ ｛，，，） 色理 建立了 层寿 序 一ｔ￣ ， ａ … 用灰 论 ｔ 涂 本文通过对 ｒ 【 种涂层腐蚀预测模型的分析对 命预测的 Ｇ （】ｌ Ｍ１ 型： ， 虑碳钢 、 低合金钢的均匀腐蚀， 不考虑点蚀和缝隙 比， 利用腐蚀深度幂函数关系 ， 提出了便于应用的 由局部腐蚀电池造成的 ” ＋）Ｊ （ ｌ ＋ ｆ １Ｉ １ ｅ 一 ｋ ： ）兰 － ｕ ’ （） 腐蚀虹认为锈层是均匀的． ３ 的预 测模 型 ， 并结 合实 测值 ， 证 了此模 型 具有 较 验 ｎＪ ａ 锈层不均匀性被忽略嚣 不考虑腐蚀过程过多细节 高 的精 确性 ， 从而 上式为方程 — 一 的解， ａ＂ ” “ ｘ ＋ａ 其中 性的内容， 如温度、 、 比 湿度 污染物等变化对锈层生 涂层钢结构使用寿命 ， 揭示在役锈蚀钢结构工程潜 ） （ｘ（ － ） （： （ ， 长历程的影响的前提下， ＝ １ “ ）。 ） 妻 ｍ ） ’ ： 州Ⅳ ， ） ．２ ） 运用 阶段复合模型对碳 在危险， 对在役锈蚀钢结构工程的安全控制与维修 ａ 、ｕ 由最小二乘法确定。 … 钢和低合金钢大气腐蚀 １ ６年数据进行分析研究 ， 加固具有参考意义。 ３ 防腐涂层 提出 分阶段讨沦 腐蚀规律的 符合模型。 第一 、 即： 三 参 考文献 阶段用线性模型模拟 ， 而第二阶段使用了抛物线模 涂层大气Ｊ蚀的影响因素多且复杂 ， 蘸 腐蚀信 ［陈禄如等． １ 】 建筑钢结构施工手册【ｌ Ｍ 北京： 中国计 息 通常是 不完全 确知 的， 行涂层 失效预 测分 析 型模 拟的 三阶段复合模 型 。 在进 其局 限性 在于假设 条件 划 出版社 ，０ ２５ ２ ０ ，． （ 转 １ ４页 ） 下 ９ 时， 往往需要测量足够的腐蚀相关数据以便进行统 较多， 与实际腐蚀过程可能存在较大差异 ， 但其研
Ｔ＝ｄ／０＋ （ ・ ） ６ （） １
唐其环通过 Ｇ （１ 模型 、指数回归模型 Ｍ １） ， （ ＝ ｅ ） 函数回归模型（ ＝ Ｘ ） Ｙ Ａ 及幂 ＹＡ 对低合金钢 大气腐蚀数据进行了比涣漠拟 ０ ， 得出三种模型 都可拟合低合金钢户外暴露 １ ４ ～ 年的腐蚀速率 ， 但只有幂函数 回归模型可以模拟低合金钢 ８ 年腐
科
李 勇 － 张广 亮
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科 技 论坛 Ｉ Ｊ ｌ
钢 结 构涂层腐蚀预 测模 型 简析
刘 向峰 ： 李 献 军 －
（ 、 南安 阳钢铁 集 团公 司设 计 院 ， 南 安 阳 ４ ５０ ２ 河 南红 旗 渠 建设 集 团有 限 公 司 ， 南 安 阳 ４ ５０ ） １河 河 ５０４ 、 河 ５ ０４
摘
模型 。
要： 本文根据 已收集的若干资料， 对现有 的几种预测模型进行 了对比检验和工程分析评价 ， 并提 出了结构相对简单、 易于计算应 用的预测
关 键 词 ： 层 钢 结构 ； 蚀 ； 全 控 制； 测 模 型 涂 腐 安 预
１ 概述 计分析 ， 从大量离散的信息中 随 着我 国钢 铁工 业的发 展 ，钢 结构在 建 筑工 找出其 内在隐含的规律。 程中 的应用 日 增多 。 益 钢结 构具有 韧性好 、 强度 高 、 假设 涂层 的腐 蚀 面 积变