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    中國高性能耐候鋼橋蓄勢待發

    2022-06-06 13:02:00

      價廉物美的耐候鋼
      耐候鋼,即耐大氣腐蝕鋼。它是介于普通鋼和不銹鋼之間的一種低合金鋼。 耐候鋼靠自身產生的致密銹層防止基體被外界環境進一步侵蝕,從而達到自然的保護。
      探尋耐候鋼耐大氣腐蝕的原理,是由于鋼中加入磷、銅、鉻、鎳等微量元素后,使鋼材表面形成致密和附著性很強的保護膜,阻礙銹蝕往里擴散和發展,保護銹層下面的基體,以減緩其腐蝕速度。在銹層和基體之間形成的約50μm~100μm厚的非晶態尖晶石型氧化物層致密且與基體金屬黏附性好,由于這層致密氧化物膜的存在,阻止了大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入,減緩了銹蝕向鋼鐵材料縱深發展,大大提高了鋼鐵材料的耐大氣腐蝕能力。由于耐候鋼是一種可以減薄使用、裸露使用或簡化涂裝,從而使制品抗蝕延壽、省工降耗、升級換代的鋼系,因此 ,其也是一個可融入現代冶金新機制、新技術、新工藝而使其持續發展和創新的鋼系。
      與普碳鋼相比,耐候鋼在大氣中具有更優良的抗蝕性能。與不銹鋼相比,耐候鋼只有微量的合金元素,諸如磷、銅、鉻、鎳、鉬、鈮、釩、鈦等,合金元素總量僅占百分之幾,而不像不銹鋼那樣,達到百分之十幾,因此價格較為低廉。
      建橋優勢 難以替代
      從2012年至今是,我國推進橋梁鋼綠色化發展的新階段。在這一階段,最具代表性的鋼種是耐候橋梁鋼。可以說,耐候橋梁鋼的發展與應用,開啟了中國橋梁鋼發展的新篇章。
      為什么會如此高度評價?皆因在橋梁建造領域,解決金屬材料腐蝕問題迫在眉睫;據工業發達國家統計,每年由于鋼結構腐蝕造成的經濟損失,占GDP的2%~4%,全世界每年鋼結構腐蝕造成的經濟損失高達數萬億美元。在所有腐蝕造成的損失中,大氣腐蝕造成的損失約占50%。耐候鋼的出現,很大程度上解決了鋼材的腐蝕問題。研究表明,從快速建造、全壽命周期成本和環境保護諸多因素考慮,將耐候鋼用于橋梁建設可以得到很大的收益。
      耐候鋼因其獨特的優點,因而在橋梁應用中具有以下優勢:
      一是內部性能優勢:許多橋梁的設計緊貼水面,有的橋梁甚至跨海大橋,不管是海水還是河水,都或多或少會發生漲潮現象,淹沒在橋面上,這對橋梁的材料要求很高,使用普通鋼材很快就會生銹,然而耐候鋼板在橋梁工程中的應用,則可以有效減少這種腐蝕現象。
      二是美觀:耐候鋼板使用一段時間后,其銹層會發生自然鈍化。這種鐵銹腐蝕的顏色會隨著時間的推移而變化,最終呈現深咖啡色。在很多建筑物的設計中加入這種顏色元素,可以達到厚重的效果。橋梁工程使用耐候鋼板,無形中給橋增加了厚重的質感,且與環境和諧融合。  
      三是長壽:耐候性鋼可以延長橋梁的壽命,保護基層材料不受腐蝕,這也是獲得越來越多人認可的重要原因。
      攻玉喜有他山石
      耐候鋼因其不朽之美,在美國、日本較早就被用于橋梁結構。并為橋梁建設帶來減輕自重、節約維護成本、提高建造效率等優勢,而且在這一過程中,耐候橋梁鋼的性能得以不斷提高,發展為高性能橋梁鋼(High Performance Steels)。
      耐候橋梁用鋼因其具有初期成本低、全壽命成本低、建造速度快、對環境影響小、不產生影響工人健康與安全問題等優點,在國外得到了較為廣泛的發展。到2020年,日本7%和美國45%的橋梁已經采用了耐蝕鋼,實現了不涂裝使用。從發展趨勢來看,國外己將耐候鋼逐漸當作一種普通鋼種來廣泛使用。除美國、日本外,加拿大、德國、英國及韓國等一些國家也先后開始研發并在橋梁工程中大量使用耐候鋼。
      從市場需求來看,目前國外采用耐候鋼建造鋼橋越來越多。據不完全統計,1993年美國的裸露耐候鋼橋梁就已經達到23000座以上。日本從1968年開始涂裝使用耐候鋼橋梁,1976年開始裸露使用,到現在以橋梁為基數,2/3裸露使用,1/5銹層穩定化處理,涂漆使用僅僅1/10。從鋼材用量來比較,美國與日本的耐候鋼橋分別占全部鋼橋的45%、15%。
      新里程碑 驚艷世界
      經國內冶金科技工作者不懈的努力,催生了一批具有重要示范意義的代表工程,把國內耐候鋼橋的發展由涂裝、半涂裝推向免涂裝的全新發展階段,取得重要應用突破。
      在這一發展過程中,新聳立起了三座嶄新的國內高性能耐候鋼橋建設里程碑:第一座是鐵路橋——川藏鐵路拉薩至林芝段(簡稱拉林鐵路)的藏木雅魯藏布江大橋;第二座是公路橋——北京官廳水庫特大橋;第三座是國家“一帶一路”示范工程--中俄跨境黑河—布拉格維申斯克黑龍江(阿穆爾河)公路大橋(以下簡稱黑河大橋)。
      藏木雅魯藏布江大橋,全長525.1米。它屹立于桑加大峽谷藏木水電站上游庫區,橫跨水深達66m的雅魯藏布江,全長525.1m,兩岸對接隧道。這座大橋創造了多項橋梁領域新紀錄,代表著中國乃至世界同類型橋梁建設的最高水平。大橋主拱跨徑430m,是世界上跨度最大的鐵路鋼管拱橋。主拱管徑1.8m,在同類型橋梁中排名世界第一。
      為應對高寒、大溫差、強紫外線等高原環境,建設者提出了鐵路高性能免涂裝耐候鋼成套技術,首次在國內鐵路橋主體結構中采用免涂裝耐候鋼,使該橋100年內無需進行油漆防腐涂裝,不僅減少了高原缺氧環境下鋼結構養護維修工作量,避免了油漆涂裝導致的環境污染問題,而且節約維護成本,延長橋梁使用壽命。
    圖一 中國著名橋梁鋼專家中信金屬公司副總經理兼總工程師郭愛民博士(左)和本文作者王厚昕博士在中國耐候鋼橋第一座里程碑——西藏拉林藏木鐵路耐候鋼橋前留影。
      首座免涂裝耐候特大公路橋-官廳水庫橋,處于北京一級水源保護區,為減少對水庫的污染,免除后期重新涂裝工作,采用了含Nb免涂裝耐候橋梁鋼Q345qENH,共計8700余噸。
      官廳水庫特大橋施工過程中采用以下新技術:
      首先,是超耐候鋼橋防腐涂裝技術。主橋鋼結構采用超耐候防腐涂裝技術,提高主橋鋼桁架耐候性能,最大程度地延長涂裝體系壽命,減少橋梁全壽命期內重新涂裝次數,降低鋼橋涂裝作業產生的各種污染。
    圖二 中國耐候鋼橋第二座里程碑——首座免涂裝耐候特大公路橋-官廳水庫橋,處于北京一級水源保護區,為減少對水庫的污染,免除后期重新涂裝工作,采用了含Nb免涂
      黑河大橋采用了鞍鋼生產的4536噸Q420qFNH高韌高耐候橋梁鋼,填補了F級耐候橋梁鋼的應用的空白,把我國耐候橋梁的開發與應用推向了一個發展新高地。黑河大橋采用的Q420qFNH具有高強高韌高耐候特點,由中信金屬公司匯同鞍鋼并聯合黑龍江省公路勘察設計院、中鐵山橋等單位共同成立產業鏈項目組歷時兩年研制成功。
    圖三 中國耐候鋼橋第三座里程碑——國家“一帶一路”示范工程——中俄跨境黑河-布拉格維申斯克黑龍江公路大橋(黑河大橋)雄姿。
    圖四 國內橋梁鋼專家在黑河大橋旁留影。
      市場潛力巨大 國家已有規劃
      按美國耐候橋梁鋼用量推測,如果中國橋梁用耐候鋼達到美國水平,則具有年用量108-120萬噸市場潛力。可見,耐候橋梁鋼在我國具有巨大的市場潛力。
      國內裸露使用的耐候鋼橋發展勢頭強勁,但對耐候橋梁鋼(涂裝、不涂裝)在設計與施工中所遇到的一些細節問題需要鋼鐵企業、橋梁設計部門、制造部門通力協作,進行周密而系統的研究。還須對正在服役的耐候性橋梁進行跟蹤,了解其在使用中,所存在的問題。以期建立相應的企業或行業與國家標準,便于設計者選取,從而為耐候橋梁鋼的應用奠定堅實的基礎。
      我國未來橋梁工程建設中將更多地以鋼結構作為其主體結構形式的趨勢,國家對橋梁工程建設也有鼓勵政策。《國家中長期科學與技術發展規范綱要(2006—2020年)》指出:要重點研究開發“跨海灣通道、大型橋梁和隧道等高難度交通運輸基礎設施建設和養護關鍵技術及裝備”;重點研究開發“城市綜合交通、市政基礎設施等綜合功能提升技術”;《產業結構調整指導目錄(2011年本)》亦將“城市基礎設施、鐵路、公路”列為鼓勵發展行業,并特別鼓勵發展“特大跨徑橋梁修筑和養護維修技術應用”;而2016年交通運輸部發文《關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》明確要求要加強方案比選,鼓勵選用鋼結構橋梁。為提升公路橋梁品質和耐久性,降低全壽命周期成本,要求環境條件適合的項目應推廣使用耐候鋼,提高結構抵抗自然環境腐蝕能力,降低養護成本。
      相信在國家諸多鼓勵政策的驅動和引導下,我國橋梁工程建設規模以及與其密切相關的橋梁用鋼將呈持續發展趨勢,應用耐候橋梁鋼也必將是重要的發展之路。
    中信微合金化技術中心 王厚昕博士

    來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

    編輯:張雨恬

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