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国外高性能耐候桥梁用钢开发及应用

作者:天津亚太恒通钢铁 来源:www.dhjgzg.com 点击数: 更新时间:2015年08月04 【字体:

随着钢结构桥梁向大跨度和全焊接结构方向发展,对桥梁结构的安全可靠性要求越来越严格,由此对钢板质量提出了更高的要求,即不仅要求其具有高强度以满足结构轻量化要求,而且还应具有优良的低温韧性、焊接性和耐蚀性等。对此,美国和日本分别投入大量资源开发了满足上述要求的高性能耐候桥梁用钢,并且取得了可观的经济效益和社会效益。在国外,低成本高性能耐候桥梁用钢已成为桥梁用钢发展的一个新方向。

  典型耐候桥梁用钢的开发

  美国耐候桥梁用钢。自二十世纪九十年代以来,由美国钢铁学会、美国联邦公路管理署、美国海军和米塔尔美国公司联合立项研究高性能钢,由米塔尔美国公司参与研发和生产,先后开发了HPS50W、HPS70W和HPS100W系列钢种,具体产品的化学成分、力学性能分别见表1、2。

  注:夏比V型缺口冲击吸收功的测试温度分别为-12,-23,-34℃;各品种均采用淬火—回火工艺生产。其中,HPS50W采用TMCP(热机械控制工艺)生产时的长度为15200mm;HPS70W采用TMCP生产时的厚度为50mm、宽度为3000mm、长度为38100mm。

  截至2000年,美国45%的耐候桥梁用钢可以不涂装。桥梁用钢量大幅减少,与传统的桥梁用钢相比,桥梁制造成本降低最高可达18%,重量减轻可达20%以上。

  日本耐候桥梁用钢。日本新日铁住金公司开发了具有抗腐蚀性的耐候高性能桥梁用钢BHS700W,其化学成分(%)为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(%),为焊接冷裂纹敏感指数。

  力学性能为屈服强度:782MPa;抗拉强度:820MPa;断后伸长率24%;夏比冲击吸收功:245J;厚度方向断面收缩率:54%(夏比冲击吸收功的测试条件为V型口平行轧向)。

  在焊接方面,BHS700W的Pcm较大,且强度较高,导致BHS700W的焊接预热温度在50℃左右,同时其焊接热输入降为5kJ/mm,从而减少焊缝开裂。BHS700W的碳含量低,以此来降低焊接预热温度。除此之外,还有效利用了铜的时效析出来保证钢板的强度。通过控制工艺过程,使钢板的屈服强度增加了15MPa。

  耐候桥梁用钢的应用

  裸装使用是耐候钢最突出的优点,也是最为常见的使用方法,可以最大程度发挥耐候钢的优势。一般经过4—15年后,耐候钢表面才能形成一层致密的锈层,锈层逐渐稳定,腐蚀发展减慢,外观呈巧克力色,从而达到保护基体的目的,这是耐候钢独特的使用方法。耐候钢的锈层稳定化过程受钢材的化学成分、使用环境、构造细节和机械磨损等条件的影响,如果使用不当而破坏了稳定锈层的生成条件,则耐候钢将会产生严重腐蚀。实践证明,在无严重大气污染或非特别潮湿的地区,耐候钢可直接裸露于大气中,但在海水和含盐地区、温泉(含H2S)地区以及亚硫酸气体浓度较高的地区都不宜使用耐候钢。

  耐候钢裸装使用时存在一些问题及使用界限,耐候钢耐腐蚀锈层的形成有一定的年限,其间将生成红锈(氧化铁)和黄锈等疏松锈层和锈液,流淌锈蚀不仅影响外观,且会污染环境。另外,耐候钢在海盐粒子飞扬量超过5mg/(m2·d)以上的条件下使用时,不仅上述倾向显著,而且生成稳定锈层存在困难。因此,在建筑、桥梁和车辆等很多行业,耐候钢和普通钢一样,大都是涂装使用。涂装后的耐候钢和普通钢相比,表现出极优越的耐蚀性,能够比普通钢延长涂装寿命。耐候钢表面涂装后,涂膜与基体附着力增强,在涂膜下发生局部腐蚀速度减小,使涂膜受到损伤的几率减少。另外,由于其铁锈扩展的速度也比普通钢慢,因此延长了涂膜劣化的时间,从而降低了重新涂装维持费用。但涂装使用增加了使用成本和操作工序,难以普遍适用于大型构件。

  解决耐候钢裸装使用时早期锈液流淌与飞散引起的环境污染问题,促进其在高盐分环境下稳定锈层生成的另一有效方法是采用耐候钢表面稳定化处理技术。1970年日本利用表面涂层改性加速保护性锈层的形成。日本原住友金属工业公司为防止耐候钢的锈蚀以及锈蚀对环境的污染,在耐候钢表面涂带有磷化低漆和能使钢铁表面形成铬化膜成分的涂料。通过涂层挂片发现,涂层中的Zn3(PO4)2和重铬酸钾对锈层有一定的改性作用。在对耐候钢挂片进行了24年的挂片分析基础上,发现了具有保护性锈层的基本结构,即含有铬的α—FeOOH致密锈蚀层,由此提出了通过表面涂层改性加速生成该锈层的思想,并将其实施于1994年启动的新一代耐候钢的研制中。1994年由日本技术厅组织原住友金属工业公司、原新日铁公司、东北工业大学和筑渡金属研究所等单位对耐候钢表面稳定锈层技术进行研究。目前,日本JFE、神户制钢和新日铁住金等钢铁公司的耐候钢材出厂前大多进行锈层稳定化处理,且广泛使用在桥梁和建筑等钢结构上。

  从材料和设计的角度讲,一座桥梁的承重结构采用的钢材也可以是不同型号,这类设计的特点是根据结构受力情况配置不同型号(一般不超过两种)的钢材,以便充分发挥材料特性,取得经济效益。经过一些实际投入使用的桥梁数据的积累认为,与全部采用高性能桥梁用钢相比,采用不同型号钢材设计可平均节省月10%的建桥费用,经济效益最好的一座桥的用钢量减少28%,总费用减少18%。

  典型应用实例

  美国使用裸露耐候钢的主要领域是桥梁建筑,1967年美国在世界上首次将耐候钢用于“裸桥”方式建设钢桥,并于1977年建成了世界上最大跨度的承式耐候钢拱桥——新河峡大桥。1980年美国建桥所用的钢材约12%为耐候钢,1989年耐候钢的使用比例达到15%。1990年密执安州规定,只要遵守FHWA(FederalHighwayAdministration,美国联邦公路管理局)的技术基准,耐候钢可裸装使用。为了节省管理维修费用,在胜景地带和田园地带,裸露耐候钢广泛应用于护栏、钢丝网和照明塔等道路附属物领域。输电铁塔采用裸露耐候钢已有8000座以上的实际业绩。

  1955年日本开始研发耐候钢,1967年日本首次在知多2号桥使用。近几年日本耐候钢桥的占有量已达到钢桥总数的20%左右。1969年日本公布了JISG3114—1968《可焊接耐候热轧钢材》标准。从1981年起,建设省土木研究所、钢材俱乐部以及桥梁建设协会等3个部门进行了耐候钢的露天暴露试验等许多调查与研究,并于1985年制订了《无涂装耐候性桥梁设计施工要领》。日本桥梁建设协会规定,在海盐粒子飞扬量低于5mg/(m2·d)区域,耐候钢可裸装使用,如在太平洋一侧大于2km、在日本海一侧的北端大于20km、在南侧大于5km和内海大于1km的海岸线上可以使用无涂装钢材。

  美国和日本在高性能耐候桥梁用钢的生产及应用等方面发展较快,产品开发方面注重提高可焊性、机械性能和耐候性。日本由于其特殊的气候环境,在耐候桥梁用钢的应用推广方面进行了长年的追踪分析,在腐蚀环境不同的地区对耐候钢进行露天暴露试验,开发了沿海高盐环境用耐候桥梁用钢。高性能耐候桥梁用钢可满足我国对钢桥提出的节约环保及可持续发展的新要求,为此,我国钢铁企业和桥梁设计部门可积极借鉴美国和日本的经验,适度加大对耐候桥梁用钢的设计与长年限应用方面的研究。http://www.dhjgzg.com/

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