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桥梁耐候钢应用是必然趋势—访工程院院士柯伟

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2016-09-01 15:17浏览:


✿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。

 

  柯伟,原籍浙江黄岩,1932年10月出生于辽宁沈阳,金属腐蚀与防护专家,中国工程院资深院士,中国科学院金属研究所研究员,曾任中国腐蚀与防护学会理事长。1957年毕业于北京钢铁学院(现北京科技大学)金相热处理专业。20世纪60-70年代在中科院金属所参加中国第一代铁基高温合金及镍基铸造空冷叶片的研制。70年代末,根据中科院和英国皇家学会的协议到英国国家物理实验室访问研究,1982年归国,任中科院金属研究所断裂研究室主任。1983年以后,主持组建了中科院金属腐蚀与防护研究所、腐蚀与防护国家重点实验室和国家腐蚀控制工程技术研究中心。长期从事高温合金的蠕变、疲劳及腐蚀疲劳等材料失效与保护的研究,曾获国家和部级以上奖励17项,发表专著3部、学术论文200余篇。近年来,致力于耐久性高性能钢在我国桥梁等工程建设领域的推广和应用。

国内耐候钢领先者,北科耐候钢http://www.naihougang.cn

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