“在發(fā)達(dá)國家，耐候鋼已被逐漸當(dāng)作一種普通鋼種來廣泛使用，應(yīng)用體系已日趨完善，而我國擴(kuò)大耐候鋼的應(yīng)用也是必然的趨勢。”4月28日，在2016高性能橋梁鋼在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用與發(fā)展技術(shù)交流會上，中國工程院院士柯偉介紹了耐候鋼的發(fā)展情況與研究現(xiàn)狀。
柯偉指出，腐蝕會消耗大量的資源，并導(dǎo)致自然環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境破壞，其中基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕占有相當(dāng)大的份額。為了解決鋼在大氣中容易腐蝕的問題，人們研制開發(fā)了耐候鋼。據(jù)了解，鋼的腐蝕是一個普遍而嚴(yán)重的問題，其中大氣腐蝕造成的損失約占全部腐蝕損失的一半，給國民經(jīng)濟(jì)帶來了巨大損失，更不符合我國綠色發(fā)展的理念。目前，全世界每年因鋼結(jié)構(gòu)腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失已高達(dá)數(shù)千億美元以上。有統(tǒng)計(jì)表明，我國每年因大氣腐蝕而損耗的鋼鐵達(dá)到500多萬噸。鑒于目前我國耐候鋼在研究與市場推廣方面與國外形成的較大差距，在當(dāng)下開發(fā)耐候鋼對于延長鋼材壽命、節(jié)約鋼材、改善鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施用鋼結(jié)構(gòu)意義重大?？聜?qiáng)調(diào)，加強(qiáng)調(diào)查研究是擴(kuò)大使用耐候鋼應(yīng)用的前提。
國外耐候鋼研究波折前行
耐候鋼是指添加少量合金元素(如Cu、P、Cr、Ni、Mn、Mo、Al、V、Ti、RE等)，使其耐大氣腐蝕性能獲得明顯改善的低合金鋼。它的表面能形成保護(hù)性銹層，有效阻滯腐蝕介質(zhì)的滲入和傳輸，往往使用時(shí)間愈長，其耐候的作用愈突出。
柯偉介紹，1900年，人們已經(jīng)開始關(guān)注不同合金元素對鋼材耐大氣腐蝕能力的作用，一種銅鋼已在市場上出現(xiàn)。1916年ASTM（美國材料與試驗(yàn)協(xié)會）對260種試驗(yàn)鋼在不同地帶開展了大氣曝曬試驗(yàn)。1920年，美國鋼鐵公司（USS）進(jìn)行更大規(guī)模的曝曬試驗(yàn)表明，含適量Cu、P、Ni、Cr元素的低合金鋼具有優(yōu)良的耐大氣腐蝕性能。1933年，美國鋼鐵公司研制了高P、Cu+Cr、Ni的CortenA系列和以Cr、Mn、Cu合金化為主的CortenB系列耐候鋼，其耐腐蝕性能為碳鋼的4~8倍。
耐候鋼通常分成兩類：對焊接性能要求不高的耐候鋼和焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼。對焊接性能要求不高的耐候鋼以Cu、P（0.07%~0.15%）系為主，屈服強(qiáng)度一般在345兆帕以下，板厚一般不超過16毫米，如美國的ASTM A242系列和日本JIS中的SPA系列。焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼以Cr-Ni系為主，含P量在0.04%以下，如美國的ASTM A588和A514系列、日本的JIS SMA系列。1964年，美國開始用裸耐候鋼建設(shè)公路橋，1968年制定了A588標(biāo)準(zhǔn)，1977年建成世界最大跨度上承式耐候鋼拱橋，1983建成耐候鋼斜拉橋。 “這些使用耐候鋼建造的橋梁大多數(shù)運(yùn)行良好，但也出現(xiàn)過一些問題。因此，1988年，密歇根州禁止在全州范圍裸用耐候鋼建橋。之后的1989年，聯(lián)邦公路局制定了無涂裝耐候鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南。”柯偉表示。1974年，ASTM A709中出現(xiàn)了70W和100W等高強(qiáng)度耐候橋梁鋼，但是，這些鋼中碳含量較高（≥0.12%），對焊接工藝要求也高。1997年，ASTM A709系列中出現(xiàn)了HPS70W鋼，近期HPS100W鋼也將被納入標(biāo)準(zhǔn)。這些鋼中的碳含量比70W和100W有了一定程度的降低，焊接性能也有所改善。1955年，日本開始從美國引進(jìn)耐候鋼的專利，并于1967年已經(jīng)開始將耐候鋼用于橋梁建設(shè)。1968年、1971年，日本分別制定了焊接結(jié)構(gòu)和高耐大氣腐蝕熱軋結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1978年日本的耐候鋼產(chǎn)量為15萬噸，其中35%用于橋梁。1983年，日本修訂了《JIS G3114焊接用耐候性熱軋結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)，1985年制定了無涂裝耐候性橋梁設(shè)計(jì)施工要領(lǐng)。
“根據(jù)日本建設(shè)省土木研究所推算，60年后普通鋼橋的費(fèi)用為耐候鋼橋費(fèi)用的1.5倍，100年后將在2倍以上。”柯偉補(bǔ)充說，在耐候鋼研究初期，技術(shù)人員主要研究低合金化對于抗大氣腐蝕的影響，進(jìn)行新鋼種開發(fā)，累計(jì)工程數(shù)據(jù)，開展應(yīng)用調(diào)查；上世紀(jì)60年代以后，開始注重環(huán)境因素對耐候鋼表面腐蝕產(chǎn)物的影響，并闡明了耐候鋼抗大氣腐蝕機(jī)理；上世紀(jì)90年代至今，很多研究者將目光轉(zhuǎn)向低成本、高強(qiáng)度、耐蝕性能更高的新型高性能耐候鋼開發(fā)，并且取得了一定成果。
我國耐候鋼研究特點(diǎn)明顯
“我國耐候鋼的開發(fā)雖然較晚，但也有相當(dāng)長的歷史。1960年前后，武鋼首先在國內(nèi)進(jìn)行了含銅耐候鋼的研究和開發(fā)工作，1965年已開始在全國推廣，1967年首次用于鐵路車輛，1978年~1985年試制客貨車輛，1990年起新車已全部采用耐候鋼。統(tǒng)計(jì)資料表明，雖然車輛成本增加20%~30%，但壽命約延長1倍” 。我國開發(fā)耐候鋼種的主要特點(diǎn)是：鋼中不含Ni、Cr，以添加Cu或者P，或者Cu+P為主，并結(jié)合了我國豐富的V、Ti、Nb、Al、RE資源。
在我國橋梁用鋼研究初期，耐蝕性并非最優(yōu)先的考量因素。過去，因?yàn)樽非蟠罂缍?，高?qiáng)度、低屈強(qiáng)比、低溫韌性、可焊性和厚板均一性是橋梁鋼獲得應(yīng)用的必要條件。而近年來，耐候鋼的經(jīng)濟(jì)性、橋梁美學(xué)和疲勞性能日漸受到重視。
而現(xiàn)在，高強(qiáng)度耐候橋梁鋼的發(fā)展與現(xiàn)代冶煉、軋制技術(shù)和裝備的發(fā)展密切相關(guān)：采用高純凈化的冶煉和澆注，盡量減少成分偏析；采用低碳（0.07%~0.11%）TMCP（控制加熱溫度并實(shí)施冷卻）控軋控冷工藝；不用調(diào)質(zhì)處理，鋼板愈厚其焊接敏感性系數(shù)愈高，在焊接時(shí)需要預(yù)熱；在采用大線能量焊接時(shí)，還存在韌性降低的問題。微觀組織為超低碳（小于0.05%）貝氏體或針狀鐵素體，具有高強(qiáng)度、高韌性和可焊接性，組織均勻，微區(qū)間電極電位差較小，增強(qiáng)了耐蝕能力。添加Cu、P、Cr、Ni等合金元素改善鈍化性能和銹層結(jié)構(gòu)，可以提高耐候性。同時(shí)，在低成本耐候鋼研究與開發(fā)過程中，可利用合金元素Mn、Cu間協(xié)同作用發(fā)展低成本耐候鋼，進(jìn)行低成本Mn-Cu合金型耐候鋼的組織控制，對傳統(tǒng)銅磷耐候鋼的進(jìn)行性能改進(jìn)，并發(fā)揮RE的作用。Mn-Cu耐候鋼的海岸大氣腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明：隨暴露時(shí)間延長，錳銅低合金鋼的腐蝕量明顯小于低碳鋼、16Mn鋼和普通含銅鋼。鷹潭大橋江面腐蝕試驗(yàn)結(jié)果是隨暴露時(shí)間延長，錳銅低合金鋼的腐蝕量普遍大于低碳鋼。以上研究說明，Mn、Cu作為合金元素符合降低成本、節(jié)約資源的需要。Mn、Cu具有協(xié)同改善銹層性能的作用。但是，海岸和工業(yè)酸雨大氣化學(xué)環(huán)境的差異會造成Mn-Cu耐候鋼耐蝕性能的差異。
耐候橋梁鋼應(yīng)用需多方面考慮
“我國已經(jīng)具備規(guī)?；瘧?yīng)用高性能耐候橋梁鋼的技術(shù)基礎(chǔ)。在橋梁建設(shè)中，只要運(yùn)用適當(dāng)，耐候鋼就能發(fā)揮作用。橋梁設(shè)計(jì)、材料研發(fā)、腐蝕控制和配套的國家標(biāo)準(zhǔn)是擴(kuò)大耐候鋼應(yīng)用的4個重要環(huán)節(jié)。”柯偉表示，近期內(nèi)，鐵路橋梁用鋼的抗拉強(qiáng)度級別應(yīng)在500兆帕~800兆帕，且要求低屈強(qiáng)比、厚板無預(yù)熱焊接、優(yōu)良的低溫抗沖擊性能，以及鋼材的抗疲勞性能。
柯偉認(rèn)為，是否注意耐候鋼橋梁設(shè)計(jì)的特點(diǎn)細(xì)節(jié)，可能是成敗的關(guān)鍵，這方面已有相當(dāng)成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。其中包括：在設(shè)計(jì)階段考慮對銹蝕層的折減計(jì)算；帶銹鋼材疲勞性能的評價(jià)，建造無伸縮縫鋼橋；在耐候鋼構(gòu)件上局部采用涂層保護(hù)；簡化耐候鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)和裝配，注意防止局部腐蝕和縫隙腐蝕；對各類污染環(huán)境設(shè)定臨界標(biāo)準(zhǔn)，等等。
柯偉建議，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)創(chuàng)新和美學(xué)等多角度來看高性能橋梁。同時(shí)，還要普及公眾對耐候性的認(rèn)知程度，深入對鋼材耐候性規(guī)律和應(yīng)用特點(diǎn)了解，加強(qiáng)調(diào)查研究是擴(kuò)大使用耐候鋼應(yīng)用的前提；對耐候鋼的使用做持續(xù)追蹤調(diào)查，按安全壽命周期的理念詳細(xì)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。此外，正確的國家戰(zhàn)略、政策和腐蝕管理對擴(kuò)大耐候鋼應(yīng)用十分重要。
--本文摘自特殊鋼技術(shù)
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