高性能耐候桥梁钢及其应用

（到岸距离：6km） 今町高架桥（3%Ni钢）
（单独组合箱梁桥） （桥长：53m） （到岸距离：6km） 新黑部站*
新高冈站*
布川线路桥（3%Ni钢） （连续组合箱梁桥） （桥长：230m） （到岸距离：600m）
上越站*
系鱼川站*
饭山站*
金泽站*
白山综合车辆基地*
古原高架桥（3%Ni钢） （单独组合箱梁桥） （桥长：60m） （到岸距离：6km）
1.66 0.008 0.003 Ni、 0.440 0.190 6.233 Cr、
1.67 0.01 0.004 Mo、 0.525 0.225 6.604
Nb等
1.62 0.012 0.005
0.600 0.250
高性能桥梁用钢耐候性能
根据美标G101-04《低合金钢耐大气腐蚀性评估导则 》给出的耐大气腐蚀指数计算公式： I=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(% P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)2
1933年美国COR-TEN钢 。
碳素钢、耐候钢长期大气暴晒 试验结果
耐大气腐蚀钢中合金元素的作用
对提高耐候性效果： 有显著效果：P、Cu、Cr ； 有效果：Ni、Mo ；V、Nb、Ti； As、Sb、Sn； 有害：大量添加Mn、Al、Ti；
效果排序： 工厂大气：P＞ Cu＞Mo ＞Si、Cr ； 郊外大气：P＞ Cu＞ Si ＞Cr； 海洋大气：Mo＞Cu＞Ni＞P＞Si、Cr 。
近年来的一些研究结果
Ca ： 近年研究表明，微量Ca加入耐候钢中不仅可以显著改善 钢的整体耐大气腐蚀性能，而且可以有效避免耐候钢使用时 出现的锈液流挂现象。在耐候钢中加入微量Ca可 促进锈层 致密、保护性好。Ca、Si的联合使用效果更佳。 Ca处理改变夹杂物形态，提高钢的Z向性能、横向性能 ，减小各向异性。
高性能耐候桥梁钢及其应用
鞍钢钢铁研究院
侯华兴
主题内 容
1 高性能耐候桥梁钢简介 2 鞍钢高性能耐候桥梁钢产品开发及实物性能 3 高性能耐候桥梁钢的应用
1 高性能耐候桥梁钢简介
耐候钢：耐大气腐蚀钢： Weathering steel
耐大气腐蚀钢是指在大气 中比具有普通碳素钢优良的耐 腐蚀性能，只含有百分之几的 少量合金元素、价格低廉的低 合金钢。含有少量Cu、P、 Cr 、 Ni、Mo等合金元素。以锈 治锈！
鞍钢高性能耐候桥梁钢实物成分与性能
鞍钢各级别高性能桥梁用钢典型熔炼成分
强度 级别
C Si Mn P
S 其它 CEV Pcm I 元素
Q345qNH 0.044 0.29 Q420qNH 0.052 0.42 Q500qNH 0.064 0.43 Q690qNH 0.056 0.32
1.64 0.007 0.004 Cu、 0.413 0.171 6.105
加拿大 CAN/CSA-G40.21-M92 350AT～480AT等
日 本 JISG3106-2004 俄罗斯 GOST6713-91
SM400(A,B,C)W， SM490(A,B,C)W ，SM570W等 16Д 15ХСНД、10ХСНД -1：无热处理；-2：正火； -3：淬火及高温回火。
轧制、控轧、TMCP（+控冷）， 调质（≥900℃ ，≥590℃ ）
HPS100W [HPS690W]
T或F；1、2、3
淬火（870-925℃） +回火（≥ 565℃）
其它国家标准：
标准
标准号
欧 洲 EN10025-5
典型钢号
S235（J0、J2）W S355（J0、J2、K2）W S355（J0、J2）WP
鞍钢高性能桥梁钢特点
u 厚度：16—80（60）mm； u 钢板焊接性能优良。如Q420q，Q460q，Q500q经过
30～70KJ/cm线能量焊接后，其接头及焊缝的力学性能 完全符合标准要求，热影响区(线外1mm)-40℃的Akv可 达到100～150J； u 钢板经过热矫形后性能稳定； u 低屈强比：TMCP工艺、Q500q以下级别（包括Q500q）的 钢板屈强比在0.85以下，具有理想的低屈强比。 u 具有优良的耐腐蚀性能，在相同条件下，耐腐蚀性能优 于传统耐候钢09CuPCrNi。
富山站*
长野站*
南保高架桥（3%Ni钢） （钢管SRC梁） （桥长：30m） （到岸距离：3km） 观法寺高架桥（3%Ni钢）
北陆道高架桥（3%Ni钢）
（ （ （（ （连 管 桥续 状 长连 钢合 ：SR成9续 管C9桁箱m）S组）桁R）合C梁箱）梁桥） （（到岸桥距离长：：600m9）9m） （到岸距离：600m）
（螺旋桁架桥） （桥长：81m） （到岸距离：2.5km ）
北陆新干线（计划2015年4月完工）Ni钢桥梁
黑部川桥（1.5%Ni钢）
（波型连接板PC箱梁桥）
（桥长：759m） （到岸距离：4.5km） 森本高架桥（3%Ni钢）
（单独组合箱梁桥） （桥长：60m）
镜川桥（2.5%Ni钢）
（上下部一体桁架桥） （桥长：99m） （到岸距离：1km）
Ø 1999年神户钢铁公司：“超级耐腐蚀钢板W”，无须喷涂涂 料，腐蚀厚度减少量是以前耐腐蚀钢种的一半，主要用于 沿海桥梁建设； “超级耐腐蚀钢板P”，涂层钢板，主要用 于城市桥梁建设。价格较同类产品高30%，桥梁总成本降 低50%左右。
日本高性能桥梁用钢
Ø 2000年日本川崎开发桥梁用超低碳贝氏体型耐盐厚钢板， 这种钢板不经涂层就可以在海滨地区使用。抗拉强度级别 有400、490、570 N/mm2三种，板厚最大50mm。
50
60
时 间/d
干湿交替腐蚀试验 试验钢的减薄量随时间的变化
不同晶粒尺寸耐候钢实验室周浸试验 平均腐蚀速率
传统的耐候桥梁钢主要问题
1）焊接性能差：C含量高，冷裂纹倾向大；要预热（ >150℃），不能野外作业，只能采用小线能量焊接；
2）低温韧性不足： 3）厚度效应明显： 4）耐候性不足：服役性能不好及维护成本高； 5）综合成本高：用Q+T工艺（或正火+回火），成本高 ，长度受限。 在美国，耐候钢的最大用途就是制造桥梁。进入90年代 ，美钢铁学会和土建工程研究基金提出高性能耐候钢需求。
美国高性能耐候桥梁钢公开投入使用的数量统计
日本高性能桥梁用钢
Ø 日本无涂装耐候钢桥最早始于从1967年建造的爱知县知多2号桥。在 已建成的钢桥中，耐候钢桥已达到全体钢桥的20％以上。裸露使用的 桥数约占70%，锈层稳定化处理使用的约占20%，涂漆的约占10%。
Ø 1991年后，大量撒布含盐防冻剂、沿海地区裸露受限。对 于实测吹入盐分量在0.05mdd以上的地区，传统耐候钢抵 御盐腐蚀的能力较差 。为此， 日本开发了用于沿海桥梁 建设的高抗腐蚀性能的镍系耐候钢。形成耐田园及工业大 气腐蚀桥梁钢和耐沿海大气腐蚀桥梁钢两个系列。
鞍钢高性能桥梁钢特点
u执行标准：GB/T 714— 2008《桥梁用结构钢》 u成分设计：采用超低碳贝氏体钢成分设计思路，Cu、 Ni、Cr、Mo、Ti、Nb等化学元素优化组合，碳含量控制 在0.03%～0.07%左右，Mn 1. 30%～1. 70% 。 u生产工艺：TMCP+RPC技术、微合金化技术。 u组织控制：铁素体+贝氏体。
奥入濑川桥（1%Ni钢）
为正在进行曝露试验（连续组合箱梁桥） （桥长：406m） （到岸距离：7km）
八户
九州新干线（2011年3月开始运营）中使用Ni钢的桥梁
博多
新鸟栖 久留米 筑后船小屋
为正在进行曝露试验
新大牟田
志志水高架桥（1%Ni钢）
（单独组合箱梁桥） （桥长：57m） （到岸距离：6km）
Ca处理与耐候性
不同Ca含量耐候钢盐雾腐蚀实验 失重率（72h）
海洋大气环境暴晒腐蚀深度 （110、270、365天）
RE： 稀土可加速耐候钢表面致密锈层的形成，提高钢耐腐蚀 性能。主要对钢起净化作用，改变钢中夹杂物存在的状态， 减少有害的大夹杂数量，降低腐蚀源点，从而提高钢的抗大 气腐蚀性能。
耐候钢中有害元素
C：对钢的耐大气腐蚀不利，同时影响钢的低温韧性、焊接性能、 冷脆性能和冲压性能等。
S ：对耐候性起显著有害作用，降低韧性、塑性、抗氢致裂纹性； 作为残余元素越低越好。降至0.01%，碳钢耐候性达含Cu钢水平；降至 0.002%，一般钢可达含耐候钢09CuPCrNi水平；
H ：降低塑性、韧性，引起H脆，导致突然失效；白点。 O ：降低塑性、韧性、疲劳强度、耐腐蚀性能。引起各向异性。 N ：引起时效、焊接区脆化；降低塑性、韧性。
新玉名 熊本
境目线路桥（1%Ni钢） （SRC桥墩） （6座） （到岸距离：7km） 新八代
北 冈 公 司 高 架 桥 （1%Ni 钢）、（螺旋桁架桥） 、（桥长：72m）、（到 岸距离：7km）
大渡线路桥（1%Ni钢 ） （连续组合箱梁桥） （桥长：90m） （到岸距Βιβλιοθήκη ：6km）镜川桥（1%Ni钢）
持久强度等方面都较普通钢材得到较大改善。
美国高性能桥梁用钢
1995年由美国联邦公路局（FHWA）、美国海军、 美国钢铁学会（AISI）共同开发出一种高性能桥梁用钢 HPS70W （HPS485W） ，使用HPS-70W至少节约成本 18%，减轻重量28% 。
HPS 50W （ HPS 345W） HPS 100W（ HPS 690W） 纳入ASTM A709标准中，组织：铁素体+贝氏体。 2005年，第200座HPS钢桥投入使用。
正火，控轧 正火，控轧
Q420q(D、E) NHY
TMCP，控轧
注：力学性能指标执行：GB/T714-2008
美国标准：ASTMA709/A709M-2011
种类
典型钢号
交货状态
耐候 高性能
50W T或F；1、2、3
轧制
HPS 50W [HPS345W] HPS 70W [HPS485W]
T或F；1、2、3
耐一般大气 高
腐蚀桥梁钢 性
（NH系列） 能
Q370q(D、E)NH Q420q(D、E)NH Q500q(D、E)NH
～
控轧、TMCP HPS70W TMCP+回火
桥
Q690q(D、E)NH HPS100W
梁
用 耐海洋大气 Q235q(D、E)NHY
钢
腐蚀桥梁钢 （ NHY系列) Q345q(D、E)NHY
（单独组合箱梁桥） （桥长：80m） （到岸距离：7km）
青海川桥（3%Ni钢）
（单独组合箱梁桥） （桥长：120m）
（到岸距离：600m） 为正在进行曝露试验
*为暂定名称
2 鞍钢高性能耐候桥梁钢产品开发 及实物性能
鞍钢高性能耐候桥梁钢产品牌号
种类
牌号
相当于美标 交货状态
Q345q(D、E)NH HPS50W
镍系耐候钢的耐候性能
东北新干线（2010年12月开始使用）中使用Ni钢的桥梁
驹入川桥（1%Ni钢）
（单独桁架桥）
新青森
（桥长：72m）
（到岸距离：7km）
第三野木天桥（3%Ni钢）
（连续组合箱梁桥） （桥长：86m） （到岸距离：7km）
七户十和田
新敷天桥（1.5%Ni钢）
（单独组合箱梁桥） （桥长：69m） （到岸距离：7km）
减薄 量/mm 腐蚀速率/(g.m-2.h-1)
晶粒细化与耐候性
0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05
0
0# 1# 2# 3#
10
20
30
40
50
60
时 间/d
1#
2#
4.5
4.0
3.5
3#
0# 1# 2# 3#
3.0
2.5
2.0 0
10
20
30
40
Ø 新日铁：不含铬含3 %镍的耐盐桥梁用耐候钢； Ø NKK ：含1.5 %镍、0.3%钼的海岸用耐候钢； Ø 2005年铁钢联盟制定“桥梁用高性能钢材产品规范” Ø 到2015年4月，在东北、九州及北陆新干线铁路道桥中使
用系列高镍钢种的桥梁共计19座。使用Ni含量为1%、 1.5%、2.5%和3%的4种Ni钢。（不涂装用于沿海）
耐候钢对空气中含盐量的限制（日本）
一般的耐候钢，裸装使用仅限于海盐沉积量 0.05mdd或更低的地方。
镍系耐候钢对空气中含盐量具体数值无限制
日本经 过几个沿海 地点的暴晒 试验，证明 了 3%Ni耐 候 钢上形成的 锈层在高盐 环境中具有 足够好的耐 蚀性能。
41 座桥；9年暴晒； 50年板厚减少量0.3mm以下
高性能耐候钢
高性能钢：HighPerformanceSteel,HPS 高性能耐候钢的特点：
低碳含量（≤0.08%），采用TMCP，调质，析出强化
或采用加速冷却或直接淬火工艺等先进冶金生产工艺 。高性 能耐候钢除了具备优良的耐候性能外，钢材的强度、焊接性 能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变性能、疲劳性能以及