内河码头钢构件防腐涂层冲蚀模拟研究

发布时间：2020-04-16 19:26

【摘要】：长江上游包括重庆市、四川省、云南省等大型码头的建设中,由于存在覆盖层浅及深水施工等问题,码头下部结构更多采用钢管混凝土嵌岩桩型式,桩基及纵横撑均大量使用钢结构。目前内河港口钢构件防腐主要依据沿海钢结构防腐标准采用涂层保护法。但与海港相比,内河在汛期具有流速大、高含沙量的水流环境,导致涂层在泥沙的冲蚀作用下快速脱落。本文采用CFD数值模拟方法,建立水沙两相圆柱绕流流场的数值模型,在此基础上研究内河含沙水流条件下,泥沙颗粒的冲蚀特性,基于已有的冲蚀理论模型,提出内河条件下冲蚀损伤模型。本文的主要研究工作及取得的成果如下:(1)采用大涡模型模拟非稳定湍流流场,离散相模型(DPM)模拟泥沙轨迹,建立了雷诺数为1.5×10~5的水沙绕流数值模型。计算结果表明:阻力系数C_d、升力系数C_l、斯特劳哈数St、表面压力系数,及不同粒径泥沙在尾流内的分布特征与相关文献结果基本一致,验证了模型的可靠性。(2)基于建立的水沙绕流数值模型,研究了泥沙颗粒在不同粒径、不同流速条件下对圆柱迎水面的冲蚀特性,结果表明:越靠近圆柱90°位置,受泥沙冲蚀的概率就越大,但冲蚀速度越小。大部分泥沙均以小冲角划过圆柱面,对涂层材料表面造成微切削损伤,经过反复冲刷后形成较长的沟壑。在圆柱90°附近,会有少量泥沙以大角度冲击涂层,在反复的冲击作用下形成冲击坑。泥沙粒径或流速越大,冲蚀圆柱45°-90°位置的概率就越大,且冲蚀速度、冲蚀角度、有效撞击率也随之增大。当粒径增大到一定范围,有效撞击率开始减小。(3)基于水沙绕流数值模型,研究了泥沙颗粒在不同粒径、不同流速条件下对圆柱背水面的冲蚀特性,结果表明:越靠近圆柱-90°位置,受泥沙冲蚀的概率就越大,冲蚀速度也越大。冲蚀背水面的泥沙颗粒,大部分还是小冲角划过圆柱面。相比于迎水面,背水面发生大角度冲蚀作用范围更广,且占比更多,但冲蚀程度远远不及迎水面。泥沙粒径或流速越大,圆柱-45°至-90°位置的冲蚀概率就越大,且冲蚀速度、冲蚀角度、有效撞击率也随之增加。当粒径增大到一定范围,有效撞击率开始减小。(4)结合数值模拟计算结果和现有冲蚀模型提出了适用于内河含沙水流条件下的涂层冲蚀数学模型。经计算1.0m/s、1.2m/s、1.5m/s、1.8m/s四种流速下涂层的厚度损伤量,各流速下的最大冲蚀量均出现在圆柱30°-45°位置附近。将计算值与室内模型试验值进行对比,验证了提出的涂层冲蚀数学模型的可靠性。
【图文】：

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会下降 10%～15%。据有关统计，我国每年由于金属腐蚀引起的直接经济损失已达数千亿元，占 GDP 的 1%～4%，而水环境引起的金属腐蚀占比大于 33%。因此，解决内河港口水工钢构件的防腐成为人们日益关心的问题。目前我国还没有完整的、有针对性的内河钢构件防腐设计规范及工艺标准，在进行码头施工时一般参照海港工程相关规范中的涂层保护法来进行钢结构的防腐。涂层保护法具有操作便捷，施工简易，不易受施工场地、钢构件形状和尺寸限制等诸多优点[2]。但由于我国内河是淡水水质，且具有流速大（洪水期 3m/s～5m/s）、大泥沙含量等特点，，与近海条件下的腐蚀介质、水流特性等有较大的差异。在内河含沙水流条件下，仍然参照海港工程钢结构防腐规范进行设计，则很难达到预期效果，涂层甚至会极早失效。本课题组对重庆果园港钢构件防腐涂层使用情况进行了实地调研，如图 1.1 所示，防腐涂层在经过含沙水流冲刷一年左右后，已经出现大范围的开裂和脱落，钢构件直接裸露在空气中，腐蚀情况严重，涂层的使用寿命还远未达到 10 年的设计要求。目前，内河含沙条件下防腐涂层的冲蚀问题已经影响到内河水工钢构件的正常使用，是港口工程营运中亟待解决的重大问题。

路线图,路线图,总体技术

总体技术路线图
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U656.1

【参考文献】