沙鋼聯(lián)合東南大學(xué)研發(fā)海洋工程用鐵素體貝氏體雙相耐蝕鋼筋
2023-10-19 15:52:14
作者：賈生暉 來源：腐蝕與防護(hù)
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港口碼頭、橋梁、臨海建筑等海洋工程腐蝕失效日趨嚴(yán)峻。隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施，海洋工程朝著大型化、長壽命化方向發(fā)展，其腐蝕失效及防護(hù)問題亟待解決。
海洋工程腐蝕失效行為的影響因素眾多，包含鋼筋自身的抗腐蝕性能、混凝土的抗?jié)B性以及服役環(huán)境中侵蝕性離子的濃度等。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說，已有數(shù)據(jù)表明，鋼筋自身的抗腐蝕性能差是引發(fā)銹蝕的首要因素。鋼筋在高鹽、高溫、高濕作用下，易發(fā)生銹蝕，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹，引發(fā)混凝土脹裂，導(dǎo)致海洋工程腐蝕失效。雙相不銹鋼耐蝕性好，但價(jià)格很高；耐候鋼成本低，但耐蝕性不足；涂層鋼筋不易加工、焊接，且與混凝土的握裹力差、施工過程易破損，安全隱患大（表1）。可見，現(xiàn)有產(chǎn)品和防護(hù)技術(shù)尚無法完全解決海洋工程腐蝕失效問題。
表1 國內(nèi)外海洋工程混凝土用鋼筋現(xiàn)狀
鋼筋抗腐蝕性能不足，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，降低了建筑結(jié)構(gòu)的安全性能，還加大了資源和能源的消耗，加劇了環(huán)境負(fù)擔(dān)。研制和使用高耐蝕鋼筋刻不容緩，是解決海洋工程腐蝕失效的有效方法，對(duì)確保海洋工程耐久性具有重要意義，已成為我國鋼鐵行業(yè)品種提檔升級(jí)的標(biāo)志性任務(wù)。基于上述背景，江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司聯(lián)合東南大學(xué)開展海洋工程用長壽命高耐蝕鋼筋研發(fā)，一方面通過超低碳多元素復(fù)合耐蝕設(shè)計(jì)，結(jié)合煉、軋工藝和現(xiàn)場施工條件，開發(fā)出海洋工程混凝土用高耐蝕鋼筋和關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)；另一方面研究耐蝕鋼筋與混凝土之間的協(xié)同關(guān)系，建立耐蝕鋼筋腐蝕評(píng)價(jià)體系和服役壽命預(yù)測平臺(tái)，形成耐蝕鋼筋混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程，引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，為海洋工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足問題的解決提供新思路。
關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究
針對(duì)耐蝕鋼筋產(chǎn)品在海洋環(huán)境下服役壽命不足的問題，系統(tǒng)研究了鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中全壽命周期的腐蝕行為和耐蝕機(jī)理，闡明了合金元素、組織形態(tài)及鈍化膜結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋耐蝕性的影響規(guī)律，突破了傳統(tǒng)合金元素耐蝕機(jī)制，針對(duì)嚴(yán)酷海洋服役環(huán)境，率先提出了“超低碳鉻鉬多元復(fù)合耐蝕”成分設(shè)計(jì)體系，揭示了影響鋼筋鈍化行為的關(guān)鍵因素，開發(fā)了鐵素體貝氏體雙相組織調(diào)技術(shù)，攻克了超低碳高合金鋼采用“轉(zhuǎn)爐-LF-RH”工藝冶煉和焊接容易出現(xiàn)冷裂紋的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，解決了焊接接頭與母材性能存在差異性難題，開展了實(shí)際服役環(huán)境下鋼筋耐蝕性定量評(píng)價(jià)技術(shù)和服役壽命預(yù)測技術(shù)研究，形成了耐蝕鋼筋混凝土關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)。項(xiàng)目總體技術(shù)方案如下圖所示：
圖1 項(xiàng)目總體研究方案
(1) 鋼筋高耐蝕高塑性低成本成分設(shè)計(jì)及組織調(diào)控技術(shù)針對(duì)嚴(yán)酷海洋環(huán)境，基于嚴(yán)酷環(huán)境下鋼筋的鈍化與腐蝕行為研究，發(fā)展了混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋全壽命周期連續(xù)耐蝕理論研究，形成了耐蝕鋼筋腐蝕自抑制技術(shù)，構(gòu)建了超低碳鉻鉬多元復(fù)合耐蝕成分體系。開發(fā)了新型耐蝕鋼筋鐵素體貝氏體雙相組織調(diào)控技術(shù)及高塑性調(diào)控技術(shù)，獲得了復(fù)合鈍化膜+復(fù)相組織的耐蝕鋼筋。新型耐蝕鋼筋耐海水腐蝕性能比普通鋼筋提高10倍以上，與馬氏體不銹鋼410相當(dāng)，最大力總延伸率Agt≥11%，成本比馬氏體不銹鋼410低20%，兼顧了“高耐蝕”“高塑性”和“低成本”。
圖3 新型耐蝕鋼筋鈍化膜Mott-Schottky曲線
圖5 新型耐蝕鋼筋過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線
(2) 新型超低碳鉻鉬系耐蝕鋼筋產(chǎn)業(yè)化制造采用“轉(zhuǎn)爐-LF-RH”工藝生產(chǎn)超低碳高鉻合金鋼全流程協(xié)同控制方法，基于合金烘烤、多點(diǎn)分散合金加料模型、鋼溫精準(zhǔn)控制研究，開發(fā)了超低碳高鉻合金鋼轉(zhuǎn)爐高效冶煉技術(shù)。明確真空度、冶煉時(shí)間和吹氧流量之間的關(guān)聯(lián)，開發(fā)了超低碳高鉻合金鋼精煉深脫碳技術(shù)。鉻收得率由70%以下提升至90%以上，精煉時(shí)間由130 min以上降低至100 min以下，解決了熱量平衡、冶煉周期長等難題，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化制造。(3) 新型超低碳鉻鉬系耐蝕鋼筋關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)開發(fā)通過系列試驗(yàn)，獲得焊接工藝參數(shù)如頂鍛壓力、焊后冷卻速度等與焊接接頭組織及力學(xué)性能的定量關(guān)系，開發(fā)了基于焊接接頭組織控制的新型耐蝕鋼筋專用固態(tài)焊接技術(shù)，突破了高合金鋼熔化焊接易出現(xiàn)冷裂紋的技術(shù)瓶頸，解決了焊接接頭與母材性能存在差異性難題，并實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。針對(duì)耐蝕鋼筋與普通鋼筋以焊接、套筒連接、捆扎等不同方式連接時(shí)潛在的宏電池腐蝕傾向，基于腐蝕電化學(xué)測試的高強(qiáng)耐蝕鋼筋宏電池腐蝕監(jiān)測技術(shù)，形成鋼筋/混凝土界面微化學(xué)環(huán)境調(diào)控和鋼筋連接方式優(yōu)化的高強(qiáng)耐蝕鋼筋宏電池腐蝕的預(yù)防與抑制技術(shù)。
依托上述研究成果，制定T/CECS 1202-2022《耐蝕鋼筋混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，已應(yīng)用于施工現(xiàn)場，且連接效率可提升20%以上。
圖7 焊接接頭低倍形貌
圖 8 耐蝕鋼筋與普通鋼筋接頭的SVET及DHM形貌
(4) 新型超低碳鉻鉬系耐蝕鋼筋服役壽命預(yù)測技術(shù)開發(fā)融合電化學(xué)、鹽霧、現(xiàn)場掛片等試驗(yàn)數(shù)據(jù)、借助多尺度腐蝕形態(tài)學(xué)分析，開發(fā)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐蝕性定量評(píng)價(jià)技術(shù)，評(píng)價(jià)效率及精度提升50%以上。依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕破壞模型，基于混凝土中氯離子的擴(kuò)散傳輸行為及規(guī)律，構(gòu)建了混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命預(yù)測平臺(tái)，可接受實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新和預(yù)報(bào)，為重大工程應(yīng)用、腐蝕行為研究及服役壽命預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。
圖9 混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命預(yù)測平臺(tái)
項(xiàng)目以重大需求為導(dǎo)向，對(duì)海洋工程用耐蝕鋼筋制造及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，成功開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高耐蝕、高塑性、可焊接且成本低的耐蝕鋼筋，并在重大工程實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。項(xiàng)目主要?jiǎng)?chuàng)新有：(1) 發(fā)明了鐵素體貝氏體雙相耐蝕鋼筋。針對(duì)嚴(yán)酷海洋環(huán)境，率先構(gòu)建了超低碳鉻鉬多元復(fù)合耐蝕成分體系，開發(fā)了鐵素體貝氏體雙相組織調(diào)控技術(shù)，獲得了復(fù)合鈍化膜+復(fù)相組織的耐蝕鋼筋，其耐海水腐蝕性能比普通鋼筋提高10倍以上，與馬氏體不銹鋼410相當(dāng)，最大力總延伸率Agt≥11%，成本比馬氏體不銹鋼410低20%，兼顧了“高耐蝕”“高塑性”和“低成本”。(2) 開發(fā)了“轉(zhuǎn)爐-LF-RH”冶煉超低碳高鉻鋼工藝。開發(fā)了轉(zhuǎn)爐高效冶煉和精煉深脫碳技術(shù)，鉻收得率由70%以下提升至90%以上，精煉時(shí)間由130 min以上降低至100 min以下，解決了熱量平衡、冶煉周期長等難題，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化制造。(3) 開發(fā)了專用固態(tài)連接技術(shù)。開發(fā)了閃光對(duì)焊技術(shù)，突破了高合金鋼熔化焊接易出現(xiàn)冷裂紋的技術(shù)瓶頸，形成了工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)程，已應(yīng)用于施工現(xiàn)場，且連接效率可提升20%以上。(4) 構(gòu)建了耐蝕性評(píng)價(jià)、服役壽命預(yù)測平臺(tái)。融合電化學(xué)、鹽霧、現(xiàn)場掛片等試驗(yàn)數(shù)據(jù)、借助多尺度腐蝕形態(tài)學(xué)分析，開發(fā)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐蝕性定量評(píng)價(jià)技術(shù)，評(píng)價(jià)效率及精度提升50%以上。構(gòu)建了混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命預(yù)測平臺(tái)，可接受實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新和預(yù)報(bào)，為重大工程應(yīng)用、腐蝕行為研究及服役壽命預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。本項(xiàng)目研究成果是高端棒材領(lǐng)域首個(gè)橫跨防腐、冶金和軋制多學(xué)科的海洋工程用耐蝕鋼筋制造及關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)。采用該關(guān)鍵技術(shù)，成功開發(fā)出海洋工程鐵素體貝氏體雙相耐蝕長壽命鋼筋，并實(shí)現(xiàn)了批量、穩(wěn)定供貨。近三年利用該技術(shù)開發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品累計(jì)達(dá)到萬噸級(jí)別，累計(jì)新增產(chǎn)值近1億萬元。2017年2月，規(guī)格ф10~ф25 mm耐蝕鋼筋在沿海高鐵通道青島-連云港段重大節(jié)點(diǎn)工程膠州灣跨海大橋?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，主要用于橋墩和梁柱關(guān)鍵位置，累計(jì)使用量1000噸。2020年2月，規(guī)格ф10~ф25 mm 耐蝕鋼筋在京滬高鐵二線-京津冀城際鐵路石橫滄港段使用，主要用于橋墩和梁柱關(guān)鍵位置，累計(jì)使用量6000余噸。2022年2月，規(guī)格ф10~ф25 mm 耐蝕鋼筋在南海島礁某軍事工程實(shí)現(xiàn)示范，主要用于量、板、柱等關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土工程中，保證了工程的順利實(shí)施和完成。經(jīng)專家評(píng)價(jià)，本項(xiàng)目發(fā)明的超低碳鐵素體貝氏體雙相耐蝕鋼筋，其鋼筋耐蝕設(shè)計(jì)及焊接工藝技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，這對(duì)引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、促進(jìn)鋼筋產(chǎn)品的升級(jí)換代具有重要示范意義。項(xiàng)目已獲授權(quán)專利18項(xiàng)，發(fā)表論文25篇，軟件著作權(quán)2件，主持制定國家標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。項(xiàng)目的成功實(shí)施引領(lǐng)了國際耐蝕鋼筋的技術(shù)發(fā)展，是循環(huán)經(jīng)濟(jì)、智能制造和綠色發(fā)展的杰出代表，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大，應(yīng)用前景廣泛。
海洋強(qiáng)國等政策的實(shí)施，推動(dòng)了海洋工程的快速發(fā)展，促進(jìn)了海洋工程混凝土用耐蝕鋼筋的推廣應(yīng)用。已實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34206-2017《海洋工程混凝土用高耐蝕性合金帶肋鋼筋》對(duì)耐蝕鋼筋的具體性能指標(biāo)做了明確說明與規(guī)定；已發(fā)布的T/CECS 1202-2022《耐蝕鋼筋混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》對(duì)耐蝕鋼筋的應(yīng)用指標(biāo)作了明確的規(guī)定，并將于2023年4月1日起正式實(shí)施。依托本項(xiàng)目技術(shù)開發(fā)的海洋工程混凝土用高耐蝕鋼筋及相關(guān)成果，正在申報(bào)ISO國際標(biāo)準(zhǔn)。國家標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)程的起草、實(shí)施為耐蝕鋼筋的工程應(yīng)用提供了保障。
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