{首页主词},&

耐候鋼：高性價比的鐵路橋梁用鋼

2021-01-28 11:58:47 作者：本網整理來源：鐵路視點分享至：

摘要：

耐候鋼是耐大氣腐蝕低合金鋼，在一般大氣環境中其耐蝕性能是普通鋼材的2～8倍。由于耐候鋼價格高于普通鋼，且表面形成的致密內銹層需通過3~10年的“生長”期，規模化應用還需要一個過程。隨著對耐候鋼的合金化和電化學理論的進一步深入研究，以及對耐候鋼全壽命周期性能認識的不斷深入，可在鐵路鋼橋上實現大量應用。

1 耐候鋼發展歷程

耐候鋼的研制起源于歐美。20世紀初，歐美的科學家發現向鋼鐵里加入銅可以改善鋼在大氣中的耐蝕性能。1916年，美國開始從實驗和材料學方面著手進行鋼材的大氣腐蝕研究。到了20世紀30年代，美國鋼鐵公司首先研制成功了耐腐蝕高、含銅的低合金鋼材——牌號CortenA，耐候性約為普通碳素鋼的４倍；20世紀60年代，免涂漆的耐候鋼大量應用于建筑和橋梁中；1955年，日本引進耐候鋼，經過幾十年的不斷積累和發展，目前已經在耐候鋼材生產加工、耐候鋼橋設計建造及維護維修等方面形成了一整套較為先進成熟的體系，覆蓋目前常見的橋梁形式，如梁橋、拱橋、桁架橋、懸索橋和斜拉橋等。

我國的耐候鋼研發始于20世紀60年代初，最初從仿制美國的Corten系列鋼材開始，之后武鋼首先在國內研發了含銅鋼；到20世紀80年代進入迅速發展階段，逐漸形成了Cu-P-Re系和Cu-P-Ni-Cr系列適合我國經濟特色的耐候鋼品種，并具備了量產化的生產能力。

2 耐候鋼技術特點

2.1 耐候鋼優點

耐蝕性能優異

由于耐候鋼中添加了耐蝕性合金元素如Cu、P、Cr、Ni等，使得其表面銹層相對普通碳素鋼具有致密、牢固等特點，能夠阻礙銹蝕性物質（如水分、CO2、SO2等）與基體表面接觸，從而減弱甚至阻止基體被持續腐蝕，在一般大氣環境中的耐腐蝕性能是普通碳素鋼的2～8倍，而且服役時間越長優勢越明顯。目前已在橋梁、輸電線路鐵塔、園林景觀等設施建設中得到了青睞。

免維護、綜合成本低

已建成的耐候鋼橋幾乎不需定期維護，非常適合在維護困難或施工危險的地方應用。從全壽命周期成本來考慮，采用耐候鋼的綜合成本相對普通碳鋼均具有明顯優勢。耐候鋼有免涂裝和涂裝兩種，分別以橋梁為例與涂裝的普通鋼橋進行全壽命周期成本對比分析。結果如下：

（1）“免涂裝耐候鋼”與“普通鋼材+涂裝”的對比。在橋梁建設期，耐候鋼比普通結構鋼成本增加約10%~25%，耐候鋼用焊絲比普通鋼用焊絲成本增加約50%~70%，綜上可知耐候鋼橋建造成本是普通鋼橋的1.2倍左右。但考慮到普通鋼橋的涂裝成本（涂裝成本占橋梁建設材料的1/4左右），耐候鋼橋的初始建設成本與傳統的涂漆鋼成本接近，見表1。

▼表1 免涂裝耐候鋼橋與普通鋼橋建設成本比較

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

注：根據2021年1月市場價格測算。

（2）“耐候鋼+涂裝”與“普通鋼+涂裝”的對比。在一些腐蝕相對嚴重的地區，耐候鋼也需要進行涂裝。假設三座鋼橋首次使用時都進行涂裝，相比采用普通鋼材，采用耐候鋼建造的初期成本增加約4.4%～12.2%，但全壽命周期成本降低36.7%～39.8%。同樣，由于維護很少，與未來相關的維護風險顯然能最小化，避免了與初始涂裝有關的健康和安全問題。具體對比見表2。

▼表2 涂裝耐候鋼橋與涂裝普通鋼橋的全壽命周期成本比較

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

注：根據2021年1月市場價格測算。

?環境效益好

由于耐候鋼可免涂裝或少涂裝，極大地避免或減少了普通鋼橋表面油漆涂層的揮發性有機化合物（VOC）排放和后續維護過程（如噴砂）產生清理碎屑對周邊環境的影響。同時，耐候鋼會隨著時間而發生變化，其色彩明度、飽和度較普通鋼高，并能保持極好的外觀一致性。

2.2 耐候鋼局限性

耐候鋼也有一定的局限性，主要體現在以下幾個方面：

特殊部位易腐蝕

耐候鋼連接部位采用焊接方式時，易在焊縫部位加速腐蝕，需注意焊材氧化速率和母材匹配性；不同廠家耐候鋼材質略有差異，連接部位易腐蝕，需注意材料一次采購量。同時，耐候鋼并非不銹鋼，如果耐候鋼構件凹處有積水，也會導致此處腐蝕速率變快，因此橋梁設計與施工要關注排水。

富鹽高濕環境適應性差

耐候鋼對富鹽高濕環境較敏感，“Cl-”容易穿透表層保護膜。在這樣的環境中，表層保護膜可能阻止不了內部的進一步氧化，從而造成耐候鋼不“耐候”，因此需要考慮合適的涂裝防護。

銹層穩定期長

裸露使用雖然是耐候鋼獨特的使用方式，但其在自然環境中完成銹層的穩定化過程需要相當長的時間，而且在形成穩定化銹層之前常常出現銹液流掛與飛散的現象。為促進穩定銹層盡快形成，最有效的方法就是人為在耐候鋼表面制備一層可以透氣透水的膜，加速形成穩定的銹層。

3 耐候鋼在鐵路鋼橋上應用

當前，免涂裝耐候鋼橋梁已在中國鐵路的建設中有所應用。鞍鋼、首鋼、南鋼、湘鋼、舞鋼、寶武是耐候橋梁鋼的主要生產廠家，都具有耐候橋梁鋼研發、生產供貨能力，耐大氣腐蝕指數根據需求可以是I≥6.0或I≥6.5，鋼的各項性能指標可滿足現代鋼橋的制造需求。

1989年武鋼NH35q曾試用于京廣鐵路巡司河橋梁，是我國第一座耐候鋼鐵路大橋；武鋼研制出新型高強度耐候鋼Q420q，已成功應用在京滬高鐵南京大勝關長江大橋；鞍鋼參與的耐候鋼橋梁工程有阿拉斯加塔那那西河鐵路橋。南鋼開發的Q345qENH～Q420qENH耐候橋梁鋼及其配套耐候焊材已應用于川藏鐵路拉林段（拉薩—林芝），成為國內第一座使用免涂裝耐候鋼鐵路大橋——雅魯藏布江藏木特大橋，且產品性能穩定、質量優良。此外，南鋼耐候橋梁鋼板已先后實現在張吉懷酉水大橋、濰萊高鐵右線跨青榮鐵路特大橋、赤壁大橋，以及耐候螺栓實現在黑河大橋等國內重大或重點橋梁工程應用，使用壽命有望超過120年。

為了監控和了解耐候橋梁鋼在川藏鐵路沿線地區的自然環境腐蝕性能，鐵科院金化所、南京鋼鐵公司和北京科技大學等單位組成聯合科研團隊，于2020年9月開展了川藏鐵路線地區腐蝕環境調研，先后累計投樣800余片，涉及多種掛片鋼種，實現雅礱江大橋、列衣大橋、金沙江大橋和川藏鐵路拉林段藏木大橋等擬建或在建橋位的腐蝕環境調研及耐候鋼投樣掛片（圖1），同步收集溫、濕度數據，這些數據，將對耐候鋼的在川藏鐵路（高原）沿線的應用奠定良好的基礎。