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國外高性能耐候橋梁用鋼開發及應用

作者:天津亞太恒通鋼鐵 來源:www.tuhctz.tw 點擊數: 更新時間:2015年08月04 【字體:

隨著鋼結構橋梁向大跨度和全焊接結構方向發展,對橋梁結構的安全可靠性要求越來越嚴格,由此對鋼板質量提出了更高的要求,即不僅要求其具有高強度以滿足結構輕量化要求,而且還應具有優良的低溫韌性、焊接性和耐蝕性等。對此,美國和日本分別投入大量資源開發了滿足上述要求的高性能耐候橋梁用鋼,并且取得了可觀的經濟效益和社會效益。在國外,低成本高性能耐候橋梁用鋼已成為橋梁用鋼發展的一個新方向。

  典型耐候橋梁用鋼的開發

  美國耐候橋梁用鋼。自二十世紀九十年代以來,由美國鋼鐵學會、美國聯邦公路管理署、美國海軍和米塔爾美國公司聯合立項研究高性能鋼,由米塔爾美國公司參與研發和生產,先后開發了HPS50W、HPS70W和HPS100W系列鋼種,具體產品的化學成分、力學性能分別見表1、2。

  注:夏比V型缺口沖擊吸收功的測試溫度分別為-12,-23,-34℃;各品種均采用淬火—回火工藝生產。其中,HPS50W采用TMCP(熱機械控制工藝)生產時的長度為15200mm;HPS70W采用TMCP生產時的厚度為50mm、寬度為3000mm、長度為38100mm。

  截至2000年,美國45%的耐候橋梁用鋼可以不涂裝。橋梁用鋼量大幅減少,與傳統的橋梁用鋼相比,橋梁制造成本降低最高可達18%,重量減輕可達20%以上。

  日本耐候橋梁用鋼。日本新日鐵住金公司開發了具有抗腐蝕性的耐候高性能橋梁用鋼BHS700W,其化學成分(%)為C:0.06;Si:0.26;Mn:1.30;P:0.004;S:0.001;Cu:1.13;Ni:1.46;Cr:0.59;Mo:0.44;V:0.04;B:0.0002;Pcm:0.280。

  注:Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(%),為焊接冷裂紋敏感指數。

  力學性能為屈服強度:782MPa;抗拉強度:820MPa;斷后伸長率24%;夏比沖擊吸收功:245J;厚度方向斷面收縮率:54%(夏比沖擊吸收功的測試條件為V型口平行軋向)。

  在焊接方面,BHS700W的Pcm較大,且強度較高,導致BHS700W的焊接預熱溫度在50℃左右,同時其焊接熱輸入降為5kJ/mm,從而減少焊縫開裂。BHS700W的碳含量低,以此來降低焊接預熱溫度。除此之外,還有效利用了銅的時效析出來保證鋼板的強度。通過控制工藝過程,使鋼板的屈服強度增加了15MPa。

  耐候橋梁用鋼的應用

  裸裝使用是耐候鋼最突出的優點,也是最為常見的使用方法,可以最大程度發揮耐候鋼的優勢。一般經過4—15年后,耐候鋼表面才能形成一層致密的銹層,銹層逐漸穩定,腐蝕發展減慢,外觀呈巧克力色,從而達到保護基體的目的,這是耐候鋼獨特的使用方法。耐候鋼的銹層穩定化過程受鋼材的化學成分、使用環境、構造細節和機械磨損等條件的影響,如果使用不當而破壞了穩定銹層的生成條件,則耐候鋼將會產生嚴重腐蝕。實踐證明,在無嚴重大氣污染或非特別潮濕的地區,耐候鋼可直接裸露于大氣中,但在海水和含鹽地區、溫泉(含H2S)地區以及亞硫酸氣體濃度較高的地區都不宜使用耐候鋼。

  耐候鋼裸裝使用時存在一些問題及使用界限,耐候鋼耐腐蝕銹層的形成有一定的年限,其間將生成紅銹(氧化鐵)和黃銹等疏松銹層和銹液,流淌銹蝕不僅影響外觀,且會污染環境。另外,耐候鋼在海鹽粒子飛揚量超過5mg/(m2·d)以上的條件下使用時,不僅上述傾向顯著,而且生成穩定銹層存在困難。因此,在建筑、橋梁和車輛等很多行業,耐候鋼和普通鋼一樣,大都是涂裝使用。涂裝后的耐候鋼和普通鋼相比,表現出極優越的耐蝕性,能夠比普通鋼延長涂裝壽命。耐候鋼表面涂裝后,涂膜與基體附著力增強,在涂膜下發生局部腐蝕速度減小,使涂膜受到損傷的幾率減少。另外,由于其鐵銹擴展的速度也比普通鋼慢,因此延長了涂膜劣化的時間,從而降低了重新涂裝維持費用。但涂裝使用增加了使用成本和操作工序,難以普遍適用于大型構件。

  解決耐候鋼裸裝使用時早期銹液流淌與飛散引起的環境污染問題,促進其在高鹽分環境下穩定銹層生成的另一有效方法是采用耐候鋼表面穩定化處理技術。1970年日本利用表面涂層改性加速保護性銹層的形成。日本原住友金屬工業公司為防止耐候鋼的銹蝕以及銹蝕對環境的污染,在耐候鋼表面涂帶有磷化低漆和能使鋼鐵表面形成鉻化膜成分的涂料。通過涂層掛片發現,涂層中的Zn3(PO4)2和重鉻酸鉀對銹層有一定的改性作用。在對耐候鋼掛片進行了24年的掛片分析基礎上,發現了具有保護性銹層的基本結構,即含有鉻的α—FeOOH致密銹蝕層,由此提出了通過表面涂層改性加速生成該銹層的思想,并將其實施于1994年啟動的新一代耐候鋼的研制中。1994年由日本技術廳組織原住友金屬工業公司、原新日鐵公司、東北工業大學和筑渡金屬研究所等單位對耐候鋼表面穩定銹層技術進行研究。目前,日本JFE、神戶制鋼和新日鐵住金等鋼鐵公司的耐候鋼材出廠前大多進行銹層穩定化處理,且廣泛使用在橋梁和建筑等鋼結構上。

  從材料和設計的角度講,一座橋梁的承重結構采用的鋼材也可以是不同型號,這類設計的特點是根據結構受力情況配置不同型號(一般不超過兩種)的鋼材,以便充分發揮材料特性,取得經濟效益。經過一些實際投入使用的橋梁數據的積累認為,與全部采用高性能橋梁用鋼相比,采用不同型號鋼材設計可平均節省月10%的建橋費用,經濟效益最好的一座橋的用鋼量減少28%,總費用減少18%。

  典型應用實例

  美國使用裸露耐候鋼的主要領域是橋梁建筑,1967年美國在世界上首次將耐候鋼用于“裸橋”方式建設鋼橋,并于1977年建成了世界上最大跨度的承式耐候鋼拱橋——新河峽大橋。1980年美國建橋所用的鋼材約12%為耐候鋼,1989年耐候鋼的使用比例達到15%。1990年密執安州規定,只要遵守FHWA(FederalHighwayAdministration,美國聯邦公路管理局)的技術基準,耐候鋼可裸裝使用。為了節省管理維修費用,在勝景地帶和田園地帶,裸露耐候鋼廣泛應用于護欄、鋼絲網和照明塔等道路附屬物領域。輸電鐵塔采用裸露耐候鋼已有8000座以上的實際業績。

  1955年日本開始研發耐候鋼,1967年日本首次在知多2號橋使用。近幾年日本耐候鋼橋的占有量已達到鋼橋總數的20%左右。1969年日本公布了JISG3114—1968《可焊接耐候熱軋鋼材》標準。從1981年起,建設省土木研究所、鋼材俱樂部以及橋梁建設協會等3個部門進行了耐候鋼的露天暴露試驗等許多調查與研究,并于1985年制訂了《無涂裝耐候性橋梁設計施工要領》。日本橋梁建設協會規定,在海鹽粒子飛揚量低于5mg/(m2·d)區域,耐候鋼可裸裝使用,如在太平洋一側大于2km、在日本海一側的北端大于20km、在南側大于5km和內海大于1km的海岸線上可以使用無涂裝鋼材。

  美國和日本在高性能耐候橋梁用鋼的生產及應用等方面發展較快,產品開發方面注重提高可焊性、機械性能和耐候性。日本由于其特殊的氣候環境,在耐候橋梁用鋼的應用推廣方面進行了長年的追蹤分析,在腐蝕環境不同的地區對耐候鋼進行露天暴露試驗,開發了沿海高鹽環境用耐候橋梁用鋼。高性能耐候橋梁用鋼可滿足我國對鋼橋提出的節約環保及可持續發展的新要求,為此,我國鋼鐵企業和橋梁設計部門可積極借鑒美國和日本的經驗,適度加大對耐候橋梁用鋼的設計與長年限應用方面的研究。http://www.tuhctz.tw/

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