耐候钢：高性价比的铁路桥梁用钢

2021-01-28 11:58:47 作者：本网整理来源：铁路视点分享至：

摘要：

耐候钢是耐大气腐蚀低合金钢，在一般大气环境中其耐蚀性能是普通钢材的2～8倍。由于耐候钢价格高于普通钢，且表面形成的致密内锈层需通过3~10年的“生长”期，规模化应用还需要一个过程。随着对耐候钢的合金化和电化学理论的进一步深入研究，以及对耐候钢全寿命周期性能认识的不断深入，可在铁路钢桥上实现大量应用。

1 耐候钢发展历程

耐候钢的研制起源于欧美。20世纪初，欧美的科学家发现向钢铁里加入铜可以改善钢在大气中的耐蚀性能。1916年，美国开始从实验和材料学方面着手进行钢材的大气腐蚀研究。到了20世纪30年代，美国钢铁公司首先研制成功了耐腐蚀高、含铜的低合金钢材——牌号CortenA，耐候性约为普通碳素钢的４倍；20世纪60年代，免涂漆的耐候钢大量应用于建筑和桥梁中；1955年，日本引进耐候钢，经过几十年的不断积累和发展，目前已经在耐候钢材生产加工、耐候钢桥设计建造及维护维修等方面形成了一整套较为先进成熟的体系，覆盖目前常见的桥梁形式，如梁桥、拱桥、桁架桥、悬索桥和斜拉桥等。

我国的耐候钢研发始于20世纪60年代初，最初从仿制美国的Corten系列钢材开始，之后武钢首先在国内研发了含铜钢；到20世纪80年代进入迅速发展阶段，逐渐形成了Cu-P-Re系和Cu-P-Ni-Cr系列适合我国经济特色的耐候钢品种，并具备了量产化的生产能力。

2 耐候钢技术特点

2.1 耐候钢优点

耐蚀性能优异

由于耐候钢中添加了耐蚀性合金元素如Cu、P、Cr、Ni等，使得其表面锈层相对普通碳素钢具有致密、牢固等特点，能够阻碍锈蚀性物质（如水分、CO2、SO2等）与基体表面接触，从而减弱甚至阻止基体被持续腐蚀，在一般大气环境中的耐腐蚀性能是普通碳素钢的2～8倍，而且服役时间越长优势越明显。目前已在桥梁、输电线路铁塔、园林景观等设施建设中得到了青睐。

免维护、综合成本低

已建成的耐候钢桥几乎不需定期维护，非常适合在维护困难或施工危险的地方应用。从全寿命周期成本来考虑，采用耐候钢的综合成本相对普通碳钢均具有明显优势。耐候钢有免涂装和涂装两种，分别以桥梁为例与涂装的普通钢桥进行全寿命周期成本对比分析。结果如下：

（1）“免涂装耐候钢”与“普通钢材+涂装”的对比。在桥梁建设期，耐候钢比普通结构钢成本增加约10%~25%，耐候钢用焊丝比普通钢用焊丝成本增加约50%~70%，综上可知耐候钢桥建造成本是普通钢桥的1.2倍左右。但考虑到普通钢桥的涂装成本（涂装成本占桥梁建设材料的1/4左右），耐候钢桥的初始建设成本与传统的涂漆钢成本接近，见表1。

▼表1 免涂装耐候钢桥与普通钢桥建设成本比较

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注：根据2021年1月市场价格测算。

（2）“耐候钢+涂装”与“普通钢+涂装”的对比。在一些腐蚀相对严重的地区，耐候钢也需要进行涂装。假设三座钢桥首次使用时都进行涂装，相比采用普通钢材，采用耐候钢建造的初期成本增加约4.4%～12.2%，但全寿命周期成本降低36.7%～39.8%。同样，由于维护很少，与未来相关的维护风险显然能最小化，避免了与初始涂装有关的健康和安全问题。具体对比见表2。

▼表2 涂装耐候钢桥与涂装普通钢桥的全寿命周期成本比较

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注：根据2021年1月市场价格测算。

?环境效益好

由于耐候钢可免涂装或少涂装，极大地避免或减少了普通钢桥表面油漆涂层的挥发性有机化合物（VOC）排放和后续维护过程（如喷砂）产生清理碎屑对周边环境的影响。同时，耐候钢会随着时间而发生变化，其色彩明度、饱和度较普通钢高，并能保持极好的外观一致性。

2.2 耐候钢局限性

耐候钢也有一定的局限性，主要体现在以下几个方面：

特殊部位易腐蚀

耐候钢连接部位采用焊接方式时，易在焊缝部位加速腐蚀，需注意焊材氧化速率和母材匹配性；不同厂家耐候钢材质略有差异，连接部位易腐蚀，需注意材料一次采购量。同时，耐候钢并非不锈钢，如果耐候钢构件凹处有积水，也会导致此处腐蚀速率变快，因此桥梁设计与施工要关注排水。

富盐高湿环境适应性差

耐候钢对富盐高湿环境较敏感，“Cl-”容易穿透表层保护膜。在这样的环境中，表层保护膜可能阻止不了内部的进一步氧化，从而造成耐候钢不“耐候”，因此需要考虑合适的涂装防护。

锈层稳定期长

裸露使用虽然是耐候钢独特的使用方式，但其在自然环境中完成锈层的稳定化过程需要相当长的时间，而且在形成稳定化锈层之前常常出现锈液流挂与飞散的现象。为促进稳定锈层尽快形成，最有效的方法就是人为在耐候钢表面制备一层可以透气透水的膜，加速形成稳定的锈层。

3 耐候钢在铁路钢桥上应用

当前，免涂装耐候钢桥梁已在中国铁路的建设中有所应用。鞍钢、首钢、南钢、湘钢、舞钢、宝武是耐候桥梁钢的主要生产厂家，都具有耐候桥梁钢研发、生产供货能力，耐大气腐蚀指数根据需求可以是I≥6.0或I≥6.5，钢的各项性能指标可满足现代钢桥的制造需求。

1989年武钢NH35q曾试用于京广铁路巡司河桥梁，是我国第一座耐候钢铁路大桥；武钢研制出新型高强度耐候钢Q420q，已成功应用在京沪高铁南京大胜关长江大桥；鞍钢参与的耐候钢桥梁工程有阿拉斯加塔那那西河铁路桥。南钢开发的Q345qENH～Q420qENH耐候桥梁钢及其配套耐候焊材已应用于川藏铁路拉林段（拉萨—林芝），成为国内第一座使用免涂装耐候钢铁路大桥——雅鲁藏布江藏木特大桥，且产品性能稳定、质量优良。此外，南钢耐候桥梁钢板已先后实现在张吉怀酉水大桥、潍莱高铁右线跨青荣铁路特大桥、赤壁大桥，以及耐候螺栓实现在黑河大桥等国内重大或重点桥梁工程应用，使用寿命有望超过120年。

为了监控和了解耐候桥梁钢在川藏铁路沿线地区的自然环境腐蚀性能，铁科院金化所、南京钢铁公司和北京科技大学等单位组成联合科研团队，于2020年9月开展了川藏铁路线地区腐蚀环境调研，先后累计投样800余片，涉及多种挂片钢种，实现雅砻江大桥、列衣大桥、金沙江大桥和川藏铁路拉林段藏木大桥等拟建或在建桥位的腐蚀环境调研及耐候钢投样挂片（图1），同步收集温、湿度数据，这些数据，将对耐候钢的在川藏铁路（高原）沿线的应用奠定良好的基础。