一、研究的背景與問題
調(diào)查表明，因為腐蝕報廢的金屬材料、設(shè)備及構(gòu)件約占年產(chǎn)量的20%左右，腐蝕所造成的損失巨大。2014年腐蝕給中國帶來的直接和間接經(jīng)濟損失高達2.1278萬億元，占國家GDP的3.34%。其他國家也陸續(xù)進行了調(diào)查，結(jié)果表明金屬腐蝕造成的經(jīng)濟損失大致為該國國民生產(chǎn)總值的4%。因此提高構(gòu)件的耐腐蝕性能意義重大。
由于鋼的強度高、自重輕，具有良好的塑性和韌性；跨越大江大河、深山峽谷的大跨度橋梁均采用鋼橋，如跨徑1385m的江陰長江大橋，主跨550米的盧浦大橋等。但采用普通鋼制造的鋼橋具有容易生銹的缺點。為保證鋼橋在設(shè)計年限內(nèi)的長期使用安全性，做好鋼橋的防腐十分重要。腐蝕問題是影響鋼橋長期使用安全性能的重要問題。隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)急劇增加，橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐問題到重視。目前，鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕措施主要有以下四種：熱浸鋅、熱噴鋁(鋅)復(fù)合涂層、漆涂層法和陰極保護法。涂層防護因其施工方便，相對而言應(yīng)用廣泛。人們曾經(jīng)在涂裝的耐久性上采取不少措施，并取得了成功，使得涂裝的使用期限大大延長；即使這樣，再次涂裝無法避免，涂裝費用十分可觀，而且無法從根本上消除隱患。
隨著我國經(jīng)濟建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展和“一帶一路”戰(zhàn)略實施，對跨海大橋的耐蝕性提出了綠色和長壽命的設(shè)想。從材質(zhì)上考慮，開發(fā)一種難以銹蝕的并且在適宜的環(huán)境中可以免涂裝造橋的橋梁鋼將極大的降低全壽命成本。但是由于大氣腐蝕中海洋大氣腐蝕尤為嚴重，給我國向海洋領(lǐng)域的發(fā)展帶來了一定阻礙，因為海洋大氣環(huán)境具有高濕熱高鹽分特點，環(huán)境因素更加惡劣，對橋梁鋼的耐蝕性能要求更加嚴格。因此對高濕熱耐候橋梁鋼的開發(fā)十分必要。為了填補我國空白，研制出耐海洋大氣腐蝕橋梁鋼的意義重大。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
1、總體思路
鞍鋼已開發(fā)出性能優(yōu)良的耐高濕熱海洋大氣環(huán)境腐蝕橋梁鋼，其技術(shù)路線如圖1所示，首先要經(jīng)過大量的腐蝕試驗篩選出最優(yōu)的成分體系；其次根據(jù)最終的成分設(shè)計出最優(yōu)生產(chǎn)工藝；最終并結(jié)合戶外曝曬試驗與環(huán)境因子的檢測確定耐海洋大氣腐蝕橋梁鋼使用條件。
圖1 技術(shù)路線圖
2、耐候性解決方案
眾所周知，耐候鋼中常見主要的添加元素有Cu、P、Ni、Si等。Cu作為耐候鋼中合金元素最重要，目的是提高鋼的耐蝕性。以上的這些合金元素復(fù)合添加，可以獲得比分別單獨添加更高的雙重效果。為了摸清最優(yōu)的成分配比，就要通過大量的中試研究，不斷調(diào)整成分配比。經(jīng)過這樣多輪的實驗研究，最終設(shè)計出以低碳復(fù)合添加Ni、Cu等耐候元素的1Ni系耐海洋大氣腐蝕橋梁鋼。
3、力學(xué)性能解決方案
鞍鋼1Ni耐海洋大氣腐蝕橋梁鋼的成分體系確定后，為了極大的提升鋼板的性能，其生產(chǎn)采用先進的TMCP軋制工藝。只有這樣在保證優(yōu)良耐候性的同時，該鋼種還具有高韌性、高強度、抗斷性以及良好的焊接性等特點。目前鞍鋼生產(chǎn)的1Ni系耐海洋大氣腐蝕橋梁鋼的強度級別涵蓋了345、370、420MPa三個級別，部分實物鋼板拉伸和系列溫度沖擊性能如下表1、2所示，可以看出該系列鋼種屈強比低，沖擊韌性優(yōu)良。
表1 鞍鋼1Ni系耐海洋大氣腐蝕橋梁鋼板拉伸性能
表2 鞍鋼1Ni系耐海洋大氣腐蝕橋梁鋼板系列溫度沖擊
通過對鞍鋼實際供貨生產(chǎn)的1Ni耐海洋大氣腐蝕橋梁鋼板（Q370qENHY-I）的性能進行統(tǒng)計，如表3、4所示，可以看出實物鋼板橫縱向性能均滿足要求且較為均勻；沖擊韌性優(yōu)良，-40℃沖擊功值在200J以上。
表3 鞍鋼Q370qENHY-I部分供貨鋼板拉伸結(jié)果
表4 鞍鋼Q370qENHY-I部分供貨鋼板沖擊結(jié)果
NDT落錘試驗方法在橋梁、海洋工程等領(lǐng)域得到了普遍重視和廣泛應(yīng)用。NDT溫度也是工程結(jié)構(gòu)防斷設(shè)計的一個重要的定量判據(jù)，即只要結(jié)構(gòu)材料的NDT溫度低于結(jié)構(gòu)的最低使用溫度便具有足夠的抗脆斷安全性能。落錘試驗方法測定NDT溫度，就可以確定材料的使用溫度，可以求得在設(shè)計應(yīng)力下，防止脆性斷裂所允許的最大裂紋尺寸，或者由裂紋尺寸來得到發(fā)生脆斷的最小應(yīng)力。因此在實驗室進行了1Ni鋼3個規(guī)格鋼板的落錘試驗，試驗結(jié)果示于表5。可以看3個規(guī)格鋼板的NDT溫度都很低，最低溫度達到-100℃。
表5 鞍鋼1Ni鋼NDT結(jié)果
4、適應(yīng)性解決方案
解決跨海橋梁的耐蝕性，不僅取決于鋼材的自身耐蝕性的提高，并且與橋梁周圍環(huán)境的腐蝕性有很大關(guān)系。耐候鋼想免涂裝應(yīng)用的先決條件之一是材料的耐候性要與橋址環(huán)境相匹配，因此對橋址環(huán)境評價和基于該評價確定材料如何使用十分重要；而我國在這方面的數(shù)據(jù)幾乎空白。鞍鋼開發(fā)出1Ni系耐海洋大氣腐蝕橋梁鋼后，迅速與設(shè)計院和高校合作，先后在國內(nèi)的福建、深圳、青島、南海；以及國外的馬爾代夫、泰國等地開展了大量的長期曝曬試驗，其間成功推動了我國首座免涂裝跨大橋——泉州灣大橋的建設(shè)
2016年為了解決新建福夏客專泉州灣跨海大橋選材及鋼材如何使用難題，在福建的長樂、泉州、平潭等海洋環(huán)境比較惡劣的島嶼等地進行1Ni系橋梁鋼的實地掛片曝曬試驗，并對當?shù)氐沫h(huán)境因子進行測試，如圖2、3。在獲得了寶貴的耐高鹽高濕海洋環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進行了1Ni鋼腐蝕壽命的預(yù)測。通過腐蝕預(yù)測模型，最終得到鞍鋼Q370qENHY-I耐海洋大氣腐蝕橋梁鋼在泉州灣橋址環(huán)境下50年后鋼板厚度腐蝕減少量小于0.4mm的結(jié)論，具備裸露使用的條件。
圖2 泉州灣跨海大橋橋址試驗點
圖3 氯離子沉積量采集和期間風向
三、主要創(chuàng)新性成果
1、針對高溫、高濕、高鹽的嚴苛海洋大氣腐蝕環(huán)境，利用耐蝕元素的組合，成功研發(fā)出適用于耐海洋大氣環(huán)境腐蝕橋梁鋼成分體系。該鋼種具有良好的耐海洋大氣環(huán)境腐蝕特性，在腐蝕的過程中自身生成致密穩(wěn)定的鈍化銹層，阻止海洋大氣環(huán)境中氯離子的滲透，可實現(xiàn)橋梁制造和維護時少涂漆甚至是免涂漆，充分體現(xiàn)了“以銹治銹”理念；在合適的條件下可替代目前沿海橋梁普通鋼+涂裝的應(yīng)用方式，避免了海洋大氣環(huán)境中長期腐蝕下的多次涂裝維護，降低后期運營維護負擔，減少全壽命周期成本。
2、通過采用多相組織控制的TMCP軋制技術(shù)，在保證優(yōu)良耐候性的同時，生產(chǎn)出了345MPa、370MPa和420MPa，且具有高韌性、抗斷性、低屈強比及良好的焊接性等特點的橋梁鋼。該系列鋼種是一種帶有綠色基因兼具超低碳理念的高性能橋梁鋼，其綜合性能達到國際先進水平。
3、鞍鋼引領(lǐng)了國內(nèi)耐海洋腐蝕橋梁發(fā)展方向。形成授權(quán)發(fā)明專利1項，授權(quán)專有技術(shù)1項，制定并發(fā)布團體標準1項。
四、應(yīng)用情況與效果
鞍鋼開發(fā)的Q370qENHY-I橋梁鋼被成功應(yīng)用福夏客專工程。該工程北起福州市，途徑莆田市、泉州市、廈門市，南至漳州市，既可構(gòu)建京福廈高速鐵路客運通道，也是沿海鐵路客運通道的重要組成部分，設(shè)計速度350km/h，為我國第一條真正意義上的海洋服役環(huán)境高速鐵路工程，項目為國家重點工程、福建省1號工程，建成后將為中國高速鐵路2.0版的代表作。其中的泉州灣跨海大橋是重點控制性橋梁，大橋的索塔鋼錨梁免涂裝使用了Q370qENHY-I耐海洋大氣腐蝕橋梁鋼，且不設(shè)除濕系統(tǒng)?？梢哉f泉州灣跨海大橋是我國首座海洋大氣環(huán)境的耐候鋼橋和全球首座采用免涂裝耐候鋼的跨海工程。
圖4 泉州灣跨海大橋及免涂裝鋼錨梁
可以說鞍鋼1Ni系耐海洋大氣環(huán)境腐蝕橋梁鋼作為“綠色環(huán)保鋼種”，為國家的綠色制造理念增添了新材料。解決了嚴酷海洋環(huán)境重大裝備與設(shè)施長效防腐和安全服役的選材的難題。在嚴苛環(huán)境下涂裝使用可保證裝備結(jié)構(gòu)20年周期內(nèi)免維護，100年使用周期內(nèi)僅維護5次。如果在普通沿海大氣環(huán)境下免涂裝使用，以中型橋梁計算，其全壽命成本可以減少21.8%。
