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海洋桥梁工程轻质、高强、耐久性材料现状及发展趋势
发布时间:2022年06月13日

高性能钢材现状及发展趋势

1. 既有研究概述

国外海洋桥梁工程用钢屈服强度为 245~700 MPa不等[3]。国内普通桥梁用钢的发展从20世纪50年代至 60 年代起步,与国外相比发展速度缓慢。20 世纪 90 年代上海南浦大桥、杨浦大桥、徐浦大桥等桥梁采用的都是进口或国产的 StE355 钢。随后,我国研制开发了桥梁钢 14MnNbq,先后用于芜湖长江大桥、南京长江大桥、黄河长东二桥等长江、黄河上的近 20 座桥梁。2007 年,WNQ570 (Q420qE)桥梁钢用于南京大胜关长江大桥;2016 年,在建的沪通大桥首次应用 Q500qE 高性能桥梁钢(见图 1)。

图 1 中国桥梁钢的发展历程

 

(1)钢材耐腐蚀表面处理技术

自 18 世纪将涂料用于钢铁桥梁的保护以来,钢材表面处理技术已有 200 多年的历史。在涂层材料方面,目前采用既具有隔离功能又具有电化学牺牲阳极保护功能的富锌涂料和喷涂金属涂层作为底涂层,即钢结构防腐蚀可分为两类,一类是以富锌涂料为底涂,中间漆多为环氧云铁涂料,面漆有醇酸树脂漆、氯化橡胶漆和聚氨酯(含脂肪族)漆,以聚氨酯面漆居多;另一类是以喷涂金属为底涂,面涂多采用氟碳涂料的长效防腐蚀体系。目前国外较为先进的表面稳定化处理技术包括耐候性涂膜处理、氧化物涂膜处理、带锈涂层处理、锈层稳定化表面处理、钛合金表面处理等。

采用上述表面处理技术进行一次涂覆使用后,免维护时间长。然而,目前国内该技术在钢构件中的应用还处于空白,也未开发出较成熟的可广泛应用于稳定耐候钢构件表面锈层的处理技术。

(2)耐腐蚀钢

耐腐蚀钢是不锈钢的一种。美国和日本的耐腐蚀钢在桥梁中已有成熟的应用,分别有约 50% 和20% 的桥梁使用耐腐蚀钢。此外,加拿大新建的钢桥中有 90% 使用耐腐蚀钢,韩国目前有十余座耐腐蚀钢桥。目前国际主流的耐腐蚀钢主要有 Cu-P-Cr-Ni 系的美国 Corten 钢及日本的 SMA 钢等 [4]。国内除仿制上述两种产品外,还考虑 Ni、Cr 资源的稀有性及我国富含稀土资源,逐渐开发出 Cu-P-RE系。1984 年,我国制定了高耐候性结构钢标准及焊接结构用耐腐蚀钢的相关标准,并于 2008 年重新修订。近年来,国内桥梁建设中耐腐蚀桥梁钢的应用逐渐增加。国内桥梁大量使用耐腐蚀钢的工程主要有:咸阳渭河公路桥、沈阳后丁香大桥、大连16 号路跨海桥、官厅水库特大桥、川藏线拉林铁路雅鲁藏布江大桥、河北路桥工程。目前,国内具备耐腐蚀性能的桥梁用钢,如 Q355NH、Q345qNH、Q420qNH、Q460qNH、Q420qE、Q500qE 等钢,已经开展室内加速腐蚀试验研究,并在不同环境条件下进行了长期暴晒试验。据相关资料显示,上述钢种的耐腐蚀性能是普通 Q235 钢的 2~8 倍甚至更优。但是,所有上述钢种存在两个主要问题,一是缺乏暴露状态的应用业绩,二是缺乏海洋环境下的应用业绩,国内所有海洋环境下的桥梁工程,绝大部分采用涂装方式使用。国外高性能耐海洋腐蚀用桥梁钢已经开始实桥应用,选材规范已经建立,涂装使用、暴露使用和表面处理使用都有章可循,而国内在这方面还有很大的差距。

(3)耐候钢

耐候钢是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列。日本开发出系列适应恶劣海洋环境的耐候桥梁钢,如 355 MPa 级和 455 MPa 级耐候桥梁钢。截至目前,上述日本桥梁用钢在海洋桥梁工程的应用比较普遍,大幅降低了全寿命成本。其中S490A/B/C、SMA490AW/BW/CW、SMA490AP/BP/CP 等钢种已经普遍应用,且应用技术及维护技术相当成熟。

国内钢铁企业也开始大力开展桥梁用耐候钢的相关研究,以超低碳贝氏体为设计主线,并充分利用 HTP、RPC、TMCP 等多项组织细化、组织均匀等关键技术。通过控制碳含量在 0.03%~0.07%,并优化组合 Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、Nb 等化学元素,提高钢的韧性并降低冷裂纹敏感性和焊接热影响区硬度,使该钢种具有良好的焊接性能;通过控制铁素体、贝氏体组织转变,提高钢的强度、塑性和韧性;通过均匀的铁素体、贝氏体组织和 Cu、Ni、Cr、Mo 的合理配置,使钢具有优良的耐大气腐蚀性能。

虽然耐候钢成本低、工艺简单且能够减缓腐蚀速度,但其形成致密锈层历时长(4~15 年),形成稳定化锈层之前会出现锈液流挂与飞散,污染周围环境,在沿海的海洋大气环境中会出现层状剥落,具有一定的局限性。此外,国产耐候钢还存在耐候性不足、焊接性能差、低温韧性不足、封闭部位防腐差、综合成本高等问题。

(4)高 Ni 钢

高 Ni 钢具有良好的综合性能,可耐各种酸腐蚀和应力腐蚀。日本对高 Ni 钢的研究处于世界靠前,其产品中 Ni 含量超过了相关标准 JIS、GB/T 714 和ASTM A709 中的上限值,是典型的含 Ni 高等耐腐蚀钢。日本通过不同 Ni 含量的高等耐腐蚀钢在高含盐环境(空气中含盐量高达 1.3 mdd)下的大气暴露试验,验证了高 Ni 钢优越的耐腐蚀性能。

与日本 JIS 标准耐腐蚀钢和普通钢材相比,在相同的腐蚀条件下,高 Ni 钢的板厚减薄量明显小于普通耐腐蚀钢,远优于普通钢材,耐腐蚀性能优良。但由于贵重合金元素含量高,因此高 Ni 钢初期成本极高,且材料缺乏长期应用数据。

(5)国内外目前海洋桥梁工程用缆索用钢

日本在线盐浴工艺生产的 SWRS87B-DLP 盘条,组织均匀性性能较好,可满足 ϕ5.0 mm 2000 MPa(含扭转)的要求。欧洲专注于高碳钢生产的钢厂主要有英国钢铁公司、德国撒斯特公司。韩国的桥梁缆索行业的发展时间不到 10 年,主要采用盘条离线铅浴的传统处理方式,解决了盘条的组织均匀性问题。

在国内桥梁缆索用钢主要采用锌铝钢丝,其特点是强度高、松弛低、直线性好、缆索成型性很好,且缆索服役后的钢丝蠕变较少。桥梁镀锌钢丝企业不再采购日本盐浴淬火(DLP)盘条,使国内钢厂得到更多的机会持续改善盘条品质 [5]。国内锌铝合金镀层钢丝目前在桥梁应用已有 5 座以上,例如2007 年苏通大桥采用了 ϕ7.0 mm 1770 MPa 级的桥索钢丝。随着城镇化建设的深入,特别是黄河、长江、珠江等流域城市群的建设及“一带一路”倡议背景下海外基建市场的陆续启动,预计锌铝合金镀层技术的应用前景将非常广阔。

通过升高碳含量实现强度的提高,会造成盘条塑性明显下降,高强度钢丝扭转、弯曲、缠绕性能遇到极大挑战;桥索的缠绕弯曲扭转特性、工艺性能和强度指标尚有待进一步研究;此外,国外线材制品的技术保护使得相关技术的国产化需求迫在眉睫。

2. 发展趋势

从前述的桥梁用钢现状来看,高性能钢是未来发展的主要方向。研究和工程实践表明,桥梁结构用高性能钢具有如下优点:①减轻自重,易于处理和运输,且减小在顶推施工中悬臂段的弯矩,降低施工和运输成本;②可降低梁高,使结构更美观;③增加跨度,减少了桥墩数量或主梁数量;④减少了焊接中的制造成本,且因为板厚减小,焊接体积减小同时预热要求降低;⑤提高的断裂韧性减小了由脆断引起的突然破坏的可能,增加了裂缝容忍能力,提高了结构的安全系数和可靠性;⑥高性能钢良好的耐腐蚀性使桥梁在长期的使用阶段免于涂装;⑦延长了桥梁使用寿命,减少了桥梁的全寿命周期成本。

桥梁防腐涂装技术的未来发展趋势将遵循高性能、长寿命、绿色环保的原则,向多元化方向发展以适应不同腐蚀环境、不同防腐部位,并要考虑施工技术及维护方案,还要考虑材料成本控制和人文景观的要求。



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