钢管桩防腐护甲冰磨蚀试验学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于2013年《天津大学学报》第46卷第4期，由天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室的黄焱和田育丰完成，受国家自然科学基金资助项目（51179123）和国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目（51021004）支持。研究针对处于飞溅区的钢管桩上安装的防腐护甲，开展室内模型试验研究冰磨蚀作用，揭示了冰排对防腐护甲的两种磨蚀模式及其力学效应。

钢管桩是港口、码头、海上平台等海洋工程中最常用的基础结构形式。在寒冷海域，海冰对钢管桩的冲击和磨蚀是结构破坏的主要原因之一。飞溅区（splash zone）是钢管桩上最易遭受腐蚀的区域，位于潮间带上下，干湿交替频繁，腐蚀速率极高。在飞溅区安装防腐护甲（如橡胶护甲、金属护甲或复合材料护甲）是避免腐蚀破坏的有效方法，但护甲本身又面临海冰磨蚀的威胁。因此，研究冰磨蚀对防腐护甲的影响，对于海洋工程结构的全寿命安全评估至关重要。

试验方案与冰速扫描

试验首先进行冰速扫描，测试不同冰速下防腐护甲的受力和变形。冰速范围涵盖了冰排在桩前发生延性破坏、交替延性-脆性破坏直至脆性破坏时的特征冰速。这一试验设计体现了对冰-结构相互作用（Ice-Structure Interaction, ISI）机理的深入理解。

冰排对结构的破坏模式随冰速变化而改变，这一规律在冰力学研究中已有大量研究：

试验发现，防腐护甲上的最大冰力和变形出现在冰排发生交替延性-脆性破坏时，对应冰速为150 mm/s。这一结论具有重要的工程设计意义：在进行冰载荷设计时，应将150 mm/s附近的冰速作为控制工况，因为该工况下冰力最大，对护甲的破坏作用最强。

冰磨蚀模式与损伤机理

试验观察到防腐护甲上存在两种冰磨蚀作用模式：

第一，浅层磨蚀（Shallow Abrasion）。这是冰排正面接触护甲表面造成的表层划痕和磨损。浅层磨蚀主要影响护甲的表面完整性，可能导致涂层或橡胶层变薄、金属护甲表面粗糙度增加。试验发现浅层磨蚀造成的划痕对冰力有明显影响——划痕的存在改变了冰排与护甲的接触状态，可能使冰力分布更加不均匀，加速局部损伤的发展。

第二，啃蚀效应（Nicking Effect）。这是冰排边缘对护甲产生的集中切削和剥离作用。啃蚀效应造成的凹痕控制累积磨蚀的增长水平，即啃蚀效应是决定护甲长期磨蚀损伤程度的关键因素。啃蚀效应的机理在于：冰排边缘的锋利棱角对护甲材料产生剪切和剥离作用，每次冲击都造成一定材料的损失，随着冲击次数增加，凹痕逐渐加深扩大，最终导致护甲失效。

从材料损伤的角度分析，两种磨蚀模式的损伤机制不同：浅层磨蚀属于表面疲劳损伤，随着循环次数增加，表层材料逐渐疲劳脱落；啃蚀效应属于切削损伤，每次冲击都造成不可逆的材料损失。因此，啃蚀效应对护甲寿命的影响更为严重，是护甲设计时必须重点考虑的损伤模式。

工程应用与防腐护甲设计建议

基于试验结果，对防腐护甲的设计与选型提出以下建议：

第一，护甲材料的选择应充分考虑抗冰磨蚀性能。橡胶护甲具有较好的弹性变形能力，能够吸收部分冰冲击能量，但橡胶材料在低温下可能变硬变脆，抗啃蚀能力下降。金属护甲（如不锈钢或铝合金）硬度高，抗啃蚀能力强，但刚性大，冰冲击时变形小，可能导致冰力集中。复合材料护甲兼具两者优点，但成本较高。

第二，护甲的几何形状设计应考虑冰力分布特征。试验表明最大冰力出现在冰排交替延性-脆性破坏时，护甲设计应能承受该工况下的冰力冲击。护甲表面宜采用圆滑过渡，避免尖锐棱角，以减少冰排边缘的啃蚀效应。护甲厚度应充分考虑累积磨蚀量，预留足够的磨蚀余量。

第三，护甲的固定方式应确保在冰冲击下不松动或脱落。冰排对护甲的冲击可能产生较大的水平力和扭矩，固定件应能承受这些力，并考虑腐蚀环境下的长期可靠性。

第四，护甲的维护与更换策略应基于磨蚀监测数据。建议定期（如每年冰季后）对护甲进行检查，测量磨蚀深度和面积，建立磨蚀速率数据库，据此制定合理的维护计划。

学习心得与展望

这篇文献的研究对于寒冷海域海洋工程结构的防腐设计具有重要的工程指导价值。试验揭示了冰磨蚀的两种模式及其对护甲性能的不同影响，为护甲设计提供了关键的力学依据。特别是啃蚀效应对累积磨蚀的控制作用这一发现，提示我们在护甲设计中应优先关注冰排边缘的切削损伤，而非仅考虑正面冲击。

从研究方法的角度看，文献采用室内模型试验结合冰速扫描的方式，系统地研究了冰速对冰力和磨蚀模式的影响，试验设计科学合理，数据翔实可靠。这种"先扫描确定控制工况，再在控制工况下进行详细试验"的研究思路，在冰-结构相互作用研究中具有普遍适用性，值得其他研究者借鉴。

从工程实践的角度看，防腐护甲的冰磨蚀问题在寒冷海域的海洋工程中是一个长期存在的挑战。随着全球气候变化，海冰的范围和强度可能发生变化，对海洋工程结构的影响也将随之改变。未来的研究应关注气候变化背景下冰情特征的变化趋势，以及新型防腐材料和护甲结构在冰磨蚀环境下的长期性能，为海洋工程结构的长期安全提供技术支撑。