“在發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)擴(kuò)大耐候鋼的應(yīng)用也是必然的趨勢(shì)。”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(huì)上,中國(guó)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(huì)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(gè)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(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來了巨大損失,更不符合我國(guó)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(guó)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(guó)耐候鋼在研究與市場(chǎng)推廣方面與國(guó)外形成的較大差距,在當(dāng)下開發(fā)耐候鋼對(duì)于延長(zhǎng)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(guó)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(zhǎng),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(duì)鋼材耐大氣腐蝕能力的作用,一種銅鋼已在市場(chǎng)上出現(xiàn)。1916年ASTM(美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì))對(duì)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(guó)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(guó)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(duì)焊接性能要求不高的耐候鋼和焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼。對(duì)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(guó)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(guó)的ASTM A588和A514系列、日本的JIS SMA系列。1964年,美國(guó)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(duì)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(guó)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(duì)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(duì)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(guó)耐候鋼研究特點(diǎn)明顯
“我國(guó)耐候鋼的開發(fā)雖然較晚,但也有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史。1960年前后,武鋼首先在國(guó)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(guó)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(zhǎng)1倍” 。我國(guó)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(guó)豐富的V、Ti、Nb、Al、RE資源。
在我國(guó)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(duì)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(zhǎng),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(zhǎng),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(huì)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(guó)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是擴(kuò)大耐候鋼應(yīng)用的4個(gè)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(jí)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(duì)銹蝕層的折減計(jì)算;帶銹鋼材疲勞性能的評(píng)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(jiǎn)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(duì)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(duì)耐候性的認(rèn)知程度,深入對(duì)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(duì)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(guó)家戰(zhàn)略、政策和腐蝕管理對(duì)擴(kuò)大耐候鋼應(yīng)用十分重要。
--本文摘自特殊鋼技術(shù)