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柯伟院士:桥梁耐候钢的推广应用是必然趋势
2016-10-31 12:47:05 作者:刘家华 来源:桥梁建设报

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  记者:作为金属防腐蚀领域专家,您的中科院金属所团队何时与桥梁工程有交集?


  柯伟:我们的防腐蚀研究成果首次接触桥梁工程是2001年左右参与杭州湾大桥防腐蚀研究。为大桥钢管桩设计防腐方案需考虑几点:打下去能够保存,能抗海水渗透,能避免紫外老化。我们的方案是在钢管上做涂层,最下面一层强调防腐,中间一层强调抗渗透,外头一层抗紫外线,同时还设计了牺牲阳极保护作为补充。当时,这个方案并不易被接受,虽在输油管道甚至海底管线用过,但在桥上从没用过。我们首先在国内腐蚀学术界做了全面论证,得到腐蚀界专家组认同,但其他领域有很多顾虑。后来我就带着这个方案到参与设计、施工的中铁大桥局(中铁大桥院)讨论,大桥局也进行了考察,我们做了大量示范性实验,最后这种从没使用过的方案被接受了,要感谢大桥局的支持。这个应用在整个桥梁行业是第一次,得到了国际承认,后来我们还完成了一个国际投标。说实话,我自认为不懂桥梁,只是从材料和防护的角度做了一点小事。


  记者:耐候钢主要有哪些性能?


  柯伟:耐候钢是指添加少量合金元素,使其耐大气腐蚀性能获得明显改善的一类低合金钢。它能利用自身在表面形成的锈层,有效阻滞腐蚀介质的渗入和传输,降低在大气环境中的腐蚀速度。就我所知,1900年一种铜钢已在钢铁市场上出现,人们开始关注不同合金元素对钢材耐大气腐蚀能力的作用;1920年美国钢铁公司(USS)进行大规模的曝晒试验表明,含适量铜、磷、镍、铬元素的低合金钢具有优良的耐大气腐蚀性能;1933年,美国钢铁公司研制成功了CortenB系列耐候钢,其耐腐蚀性能约为碳钢的4-8倍。钢桥具有较多优势,而耐候钢又另有防锈养护的优势。综合投资、运营、养护、维修、废置处理、碳排放、寿命等因素,日本建设省土木研究所的推算结果显示:60年后普通钢桥费用为耐候钢桥1.5倍,100年后在2倍以上。


 
记者:当前,我国对耐候钢的研发以及在桥梁中使用的情况如何?


  柯伟:我国耐候钢开发虽较晚,也有相当长的历史。我国开发耐候钢种的主要特点是:钢中不含镍、铬,以添加铜或磷或铜加磷为主,结合我国富有的稀土金属资源。可以说,我国已是耐候钢生产和出口大国。


  我国钢桥建设取得了很大成就。但过去我国桥梁用钢的耐蚀性因素并非是最优先考量,因为追求大跨度,高强度、低屈强比、低温韧性和可焊性以及厚板均一性是获得应用的必要条件。近来,我国铁路桥梁用钢抗拉强度级别应在500-760Mpa范围,但要求低屈强比,厚板无预热焊接,优良的低温抗冲击性能、耐候带锈钢材的抗疲劳性能。桥梁钢总体要求是高强度、均质厚板、低屈强比、高韧性、耐候、疲劳性能高,研发2500MPA级以上高强钢丝、低松弛钢筋、高耐候涂层,同时提高配套的焊接材料和技术水平。


  记者:目前国外桥梁工程使用的耐候钢达到了何种性能水平?推广程度如何?


  柯伟:目前世界耐候钢分为两类。一类是焊接要求不高的耐候钢:以铜、磷系为主,屈服强度一般在345MPa以下,板厚一般不超过16毫米,如美国的ASTM A242系列和日本JIS中的SPA系列。二是焊接结构用耐候钢:以铬-镍系为主,含P量在0.04%以下,如美国的ASTM A588和A514系列、日本的JIS SMA系列。


  1974年,ASTM的A709标准中出现了70W和100W等高强度耐候桥梁钢,但是这些钢中碳含量较高(≥0.12%),对焊接工艺要求也高;1997年,ASTM的A709中出现了HPS70W钢;近年,HPS100W钢也纳入标准,这些钢中的碳含量较70W和100W有了一定程度的降低,焊接性能也有所改善。


  记者:目前,我国耐候钢在桥梁施工刚刚开始推广使用,以前制约我国桥梁工程使用耐候钢的因素主要是哪些?您对于耐候钢在我国桥梁工程的推广前景怎么看?


  柯伟:据我所知,1989年武钢研制的NH35q曾试用于京广路巡司河桥梁,但未推广使用;近年来,长安大学公路学院正致力于耐候钢公路桥梁的开发;目前鞍钢参与的全裸耐候钢桥梁工程有阿拉斯加塔那那西河铁路桥、陕西渭河常兴二桥,半涂装的耐候钢桥有沈阳丁香大桥、白塔河人行桥,全涂装的有重庆朝天门长江大桥、大连普湾跨海大桥。近期,拉林铁路也采用了免涂装的耐候钢桥。


  早期,我国主要研究低合金化对于抗大气腐蚀的影响,开发新钢种,积累工程数据;上世纪60年代以后,开始注重环境因素对耐候钢表面腐蚀产物的影响,并阐明了耐候钢抗大气腐蚀机理;上世纪90年代至今,很多研究者将目光转向低成本、高强度、耐蚀性能更高的新型高性能耐候钢开发,并且取得了一定成果,完成了九五自然科学基金重大项目——材料大气腐蚀数据积累及腐蚀规律性研究工作总结等研究成果。


  我国的耐候钢桥梁的推广使用面临较大的战略机遇,如国家的“一带一路”建设、“京津冀一体化”建设、“城镇化”建设、国内众多城市群建设、西部大开发建设等,还面临着供给侧改革等政策机遇,另外我国的钢铁、桥梁行业也具备了较强的技术实力,这些都是有利因素。


  记者:您对耐候钢在我国桥梁工程的推广和运用有何意见、建议和展望?


  柯伟:我在这方面工作的主要观点是:首先,在发达国家,耐候钢应用体系已日趋完善,我国在耐候钢上虽已有应用,但除集装箱、铁路车辆外,规模化应用的进展比发达国家滞后数十年。桥梁是腐蚀损失的大户,扩大耐候钢的应用是必然的趋势,我国已具备规模化生产和应用高性能耐候钢的技术基础。


  其次,耐候钢只要运用适当就能发挥作用。过去因为受到观念固化的制约,钢桥“用不起”“不敢用(标准和工程数据库滞后)”“不会用(腐蚀规律)”,现在情况已经不同了。要普及公众对耐候性的认知程度,深入对钢材耐候性规律和应用特点的了解,这是正确与扩大使用耐候钢应用的前提。


  再次,研究工作要“胆大”(比如美国)、“心细”(比如日本),需加强调查研究,确切了解服役环境的腐蚀性,即不同耐候钢的环境适应性。


  耐候钢桥梁设计的细节,可能是成败的关键。要普及腐蚀控制的基本知识,建立锈蚀层强度折减计算、带锈钢材疲劳性能,简化结构设计和装配,预防局部腐蚀和缝隙腐蚀的规范。还应该按实际服役环境,选择凃漆、稳定化处理或直接裸露使用。对各类污染环境需要设定临界标准,建立配套的耐候钢、耐候焊接材料、耐候高强度螺栓产品及相关的标准和规范。


  另外,深入合金化和电化学理论的研究是原始创新的源泉,特别是有关锈层结构、性质演化的研究,可以为经济型耐候钢的发展提供有力的支持。


  最后,政策、设计、材料研发、腐蚀控制、配套的国家标准,是扩大耐候钢应用的五个重要环节,需要组成包括上述五个环节的专家组编制新型材料开发的指南,分解项目,合理分工,有的放矢,缩短研究开发周期。

 

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