&

耐候鋼：高性價比的鐵路橋梁用鋼

2021-01-28 11:58:47 作者：本網(wǎng)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(huán)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(nèi)銹層需通過3~10年的“生長”期，規(guī)模化應(yīng)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(xiàn)大量應(yīng)用。

1 耐候鋼發(fā)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(fā)現(xiàn)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(yīng)用于建筑和橋梁中；1955年，日本引進耐候鋼，經(jīng)過幾十年的不斷積累和發(fā)展，目前已經(jīng)在耐候鋼材生產(chǎn)加工、耐候鋼橋設(shè)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(fā)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(nèi)研發(fā)了含銅鋼；到20世紀80年代進入迅速發(fā)展階段，逐漸形成了Cu-P-Re系和Cu-P-Ni-Cr系列適合我國經(jīng)濟特色的耐候鋼品種，并具備了量產(chǎn)化的生產(chǎn)能力。

2 耐候鋼技術(shù)特點

2.1 耐候鋼優(yōu)點

耐蝕性能優(yōu)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(zhì)（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(xù)腐蝕，在一般大氣環(huán)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(yōu)勢越明顯。目前已在橋梁、輸電線路鐵塔、園林景觀等設(shè)施建設(shè)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(yīng)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(yōu)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(jié)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(shè)期，耐候鋼比普通結(jié)構(gòu)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(shè)材料的1/4左右），耐候鋼橋的初始建設(shè)成本與傳統(tǒng)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(shè)成本比較

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

注：根據(jù)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(qū)，耐候鋼也需要進行涂裝。假設(shè)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(guān)的維護風險顯然能最小化，避免了與初始涂裝有關(guān)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(jù)2021年1月市場價格測算。

?環(huán)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(fā)性有機化合物（VOC）排放和后續(xù)維護過程（如噴砂）產(chǎn)生清理碎屑對周邊環(huán)境的影響。同時，耐候鋼會隨著時間而發(fā)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(xiàn)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(zhì)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(gòu)件凹處有積水，也會導(dǎo)致此處腐蝕速率變快，因此橋梁設(shè)計與施工要關(guān)注排水。

富鹽高濕環(huán)境適應(yīng)性差

耐候鋼對富鹽高濕環(huán)境較敏感，“Cl-”容易穿透表層保護膜。在這樣的環(huán)境中，表層保護膜可能阻止不了內(nèi)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(wěn)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(huán)境中完成銹層的穩(wěn)定化過程需要相當長的時間，而且在形成穩(wěn)定化銹層之前常常出現(xiàn)銹液流掛與飛散的現(xiàn)象。為促進穩(wěn)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(wěn)定的銹層。

3 耐候鋼在鐵路鋼橋上應(yīng)用

當前，免涂裝耐候鋼橋梁已在中國鐵路的建設(shè)中有所應(yīng)用。鞍鋼、首鋼、南鋼、湘鋼、舞鋼、寶武是耐候橋梁鋼的主要生產(chǎn)廠家，都具有耐候橋梁鋼研發(fā)、生產(chǎn)供貨能力，耐大氣腐蝕指數(shù)根據(jù)需求可以是I≥6.0或I≥6.5，鋼的各項性能指標可滿足現(xiàn)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(yīng)用在京滬高鐵南京大勝關(guān)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(fā)的Q345qENH～Q420qENH耐候橋梁鋼及其配套耐候焊材已應(yīng)用于川藏鐵路拉林段（拉薩—林芝），成為國內(nèi)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(chǎn)品性能穩(wěn)定、質(zhì)量優(yōu)良。此外，南鋼耐候橋梁鋼板已先后實現(xiàn)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(xiàn)在黑河大橋等國內(nèi)重大或重點橋梁工程應(yīng)用，使用壽命有望超過120年。

為了監(jiān)控和了解耐候橋梁鋼在川藏鐵路沿線地區(qū)的自然環(huán)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(lián)合科研團隊，于2020年9月開展了川藏鐵路線地區(qū)腐蝕環(huán)境調(diào)研，先后累計投樣800余片，涉及多種掛片鋼種，實現(xiàn)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(huán)境調(diào)研及耐候鋼投樣掛片（圖1），同步收集溫、濕度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)，將對耐候鋼的在川藏鐵路（高原）沿線的應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

▲圖1 川藏鐵路拉林段藏木特大橋和大氣腐蝕掛片試驗（紅圈位置）

4 耐候鋼未來在鐵路鋼橋的發(fā)展趨勢

我國橋梁規(guī)模龐大，但目前鋼橋占比不到2%，而美國、日本和法國的這一比例分別達到35%、41%和85%，發(fā)展空間巨大。川藏鐵路、沿海鐵路、山區(qū)鐵路等鐵路工程的大量建設(shè)，使我國耐候鋼橋梁在鐵路行業(yè)的推廣使用面臨較大的戰(zhàn)略機遇，未來發(fā)展趨勢如下：

（1）加強調(diào)查研究，了解不同服役環(huán)境下的腐蝕性能。即不同耐候鋼的環(huán)境適應(yīng)性，以及有關(guān)銹層結(jié)構(gòu)、性質(zhì)演化的研究，同時深入開展合金化和電化學理論研究，促進經(jīng)濟型耐候鋼原始創(chuàng)新發(fā)展。

（2）通過建立銹蝕層強度折減計算模型，簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)實際服役環(huán)境需求選擇合理的使用方式（如：凃漆、銹層穩(wěn)定化處理或直接裸露使用）等，加快制定合理的耐候鋼鐵路橋梁的設(shè)計、制造及維護標準或規(guī)范。

（3）發(fā)展具有綜合性能的耐候鋼橋梁及耐海洋大氣腐蝕的耐候鋼。具有大厚度、高強、高韌、高耐候、低屈強比、抗層狀撕裂、易焊接、高耐候指數(shù)等綜合性能的耐候橋梁鋼以及耐海洋大氣環(huán)境耐蝕橋梁鋼，也是未來鐵路用橋梁鋼的發(fā)展方向。

免責聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請第一時間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。