高强度桥梁缆索用钢研究现状和发展趋势_刘祥.pdf

刘祥，硕士，高级工程师，2008年毕业于辽宁科技大学钢铁冶金专业。E-mail：高强度桥梁缆索用钢研究现状和发展趋势刘祥1,2，孙浩博1,2，张俊峰3，安绘竹1,2，徐曦1,2，于福海3（1海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山114009；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山114009；3鞍钢股份有限公司线材厂，辽宁 鞍山114042）摘要：概述了国内外桥梁缆索用钢的发展历史；介绍了桥梁缆索用钢丝强度、扭转性能、耐腐蚀性等重要性能的研究现状；并从成分设计、盘条控冷工艺等方面论述了桥梁缆索用钢不同生产工艺的特点及未来发展的方向，为新型桥梁缆索用钢的研发提供借鉴。关键词：桥梁缆索用钢；成分设计；控冷工艺；扭转性能；耐腐蚀性中图分类号：TG142文献标识码：A文章编号：1006-4613（2023）01-0009-05DOI：10.3969/j.issn.1006-4613.2023.01.002Current Status of Study on High Strength Steel forBridge Cable Ropes and Its Development TrendLIU Xiang1,2，SUN Haobo1,2，ZHANG Junfeng3，AN Huizhu1,2，XU Xi1,2，YU Fuhai3（1.State Key Laboratory of Metal Material for Marine Equipment and Application，Anshan 114009，Liaoning，China；2.Ansteel Iron&Steel Research Institutes，Anshan 114009，Liaoning，China；3.Wire Rod Mill of Angang Steel Co.，Ltd.，Anshan 114042，Liaoning，China）Abstract：The development history in terms of the steel for bridge cable ropes at home andabroad was summarized.Then the current status of study on the strength,torsional property,corrosion resistance and other important properties of steel wires for bridge cable ropes wasintroduced.After that the characteristics of different processes for producing steels for bridge cableropes and the development trend in the future in terms of the composition design and controlledcooling process for wire rods were discussed,which provided the reference for the research anddevelopment of new types of steels for bridge cable ropes.Key words：steel for bridge cable ropes；composition design；controlled cooling process；torsional property；corrosion resistance悬索桥是是现代大跨度桥梁最主要的建设形式，其结构是通过悬挂与塔桥和两端的缆索和吊索拉起桥面，具有节省材料，自重轻等优势。主缆是悬索桥的主要承重构件，主要承受拉力，其强度与性能是建设悬索桥的重要工程因素，因此高强度桥梁缆索用钢的开发一直受到世界各国的重视。1国内外高强度桥梁缆索用钢的发展1.1国外高强度桥梁缆索用钢的发展世界上第一座现代化悬索桥是建于19世纪末的布鲁克林大桥，其跨度仅500 m，主缆钢丝采用热镀锌钢丝，强度约为1 200 MPa。20世纪后半叶，随着世界经济复苏，悬索桥缆索制造技术得到迅速发展，20世纪80年代各国桥梁缆索用钢丝的强度基本达到了1 570 MPa；到20世纪末主要发达国家生产的桥梁缆索用钢丝强度已达到1 670 MPa；而建成于1998年的明石海峡大桥，采用新日铁公司专门为其开发的SWRS82B作为主缆钢丝材料，其强度达到1 770 MPa。进入21世纪，我国与韩国在高强度桥梁缆索的研发与应用处于领先地位，韩国2014年建成的李舜臣大桥和蔚山大桥首次应用了鞍 钢 技 术2023 年第 1 期ANGANG TECHNOLOGY总第 439 期9-强度为1 860 MPa和1 960 MPa级别的主缆钢丝1-2。1.2国内高强度桥梁缆索用钢的发展我国现代悬索桥建设虽起步较晚，但起点较高，且发展迅速。1995年我国建成了第一座现代化悬索桥广州湾汕头海湾大桥，其主缆索强度约为1 570 MPa；2005年通车的江苏润扬大桥，其主缆强度超过1 670 MPa；2008年建成的西堠门大桥，主缆强度为1 770 MPa，达到国际先进水平3。近年来，国内桥梁缆索用钢产业取得长足发展，具备了研发先进高强度桥梁缆索用钢的能力，如兴澄特钢、青岛特钢、宝武集团等成功开发了1 960 MPa和2 000 MPa级别的高强度桥索钢丝，并先后应用于2019年的杨泗港江大桥、广东虎门二桥和2020年的沪通长江大桥；正在建设的伶仃洋大桥已采用强度2 060 MPa级别桥索钢丝作为主缆，并已进入主缆施工阶段；计划中的常泰大桥设计使用强度2 100 MPa以上的桥索钢丝，兴澄特钢、青岛特钢、宝武集团均已开展了相关研究4-8。2高强度桥梁缆索用钢丝的服役特点、要求及现状随着社会需求的增长，对大跨度现代悬索桥梁的使用性能和安全性的要求不断提高。高强度桥梁缆索用钢丝是现代大跨度悬索桥建设的基础，因此研制更高性能、更具可靠性的桥梁缆索用钢丝成为国内外桥梁建设的重要研发课题。2.1钢丝强度桥索钢丝强度是悬索桥设计中的重要参数，主要包括抗拉强度Rm和塑性延伸强度Rp0.2，国内外相关标准通常以抗拉强度评价钢丝强度级别9。高强度钢丝不仅能提高主缆的承载能力，为更大跨度的桥梁建设提供条件，也能够节省缆索用量，节约成本。据统计，主缆热镀锌钢丝强度每提高100 MPa，可使主缆用料减少10%。桥索钢丝的强度主要由盘条初始强度、拉拔和热镀过程强度和韧性变化决定。由于生产盘条直径一般小于14.0 mm，冷拔成钢丝的总压缩率低于70%，冷拔过程产生冷作硬化效应不明显。因此，通过优化产品成分设计和配置合理的热处理工艺提高盘条初始强度与抗热镀软化能力成为高强度桥索钢开发的主要研究方向10。2.2扭转性能扭转性能是钢丝在单向扭转时的塑性变形能力，早期多数国家并不将其作为考核指标，仅日本对桥梁缆索用钢的扭转性能有严格标准。随着大量跨江、海悬索桥梁的建设，大风、车辆震动等都会使桥索承受一定的扭转载荷，因此扭转性能逐渐成为评判桥梁缆索钢丝安全性的重要标准，我国相关标准也对不同级别钢丝的抗扭转能力做出了要求。扭转性能受复杂因素影响，早年研究表明：珠光体层片间距、组织均匀程度扭转性能影响显著，层片间距小，晶界数量多，扭转性能更好；热镀锌过程中，钢丝中渗碳体片层受热球化形成渗碳体颗粒，对位错产生钉扎作用，造成内部缺陷，影响扭转性能。通过优化化学成分、添加合金元素，可有效改善钢丝组织，提高钢丝的热稳定性。采用合适的热镀锌工艺，也能够减轻渗碳体球化对钢丝性能的影响11。近年来，研究钢丝微观组织、织构与扭转性能关系的研究报道逐渐增多。赵敏等通过实验发现，钢丝的110织构强度对扭转性能存在显著影响，钢丝扭转性能随110织构强度增大而降低；东南大学蒋建清团队对钢丝拉拔过程中珠光体组织、织构取向变化、组织层状撕裂机理、扭转断口形貌分析等方面进行研究，力求探索出通过改善微观组织来提高钢丝强度、扭转性能的有效方法12-18。2.3抗腐蚀性能桥梁缆索长期与潮湿空气环境接触，在污染地区易受酸雨侵蚀，为保证桥梁的安全性，桥梁缆索钢丝要具备良好的抗腐蚀性。热镀锌法具有操作简便、可靠耐用、成本低廉等优点，广泛应用于钢丝、板件耐腐蚀处理。Zn镀层与大气接触，其表面会迅速氧化，形成的致密的保护膜，屏蔽外界环境对被镀零件的直接侵蚀；而Zn的电极电位较Fe低，一旦发生电化学腐蚀，可作为阳极先于被镀零件损耗，兼具阴极保护法的效果。热镀过程中，锌液与基件表面Fe相互扩散形成合金层，使镀层与基体结合更加牢固。但Zn镀层存在腐蚀产物疏松、高温易腐蚀等缺陷，且Zn-Fe合金层塑性较差，在长期应力作用下易产生裂纹，影响缆索使用寿命。为进一步提升镀层的综合性能，70年代后Zn-Al合金镀层得到了开发和广泛应用。Al具备与Zn类似的耐腐蚀特性，且与Fe具有更好的亲合力，能够形成韧性更好的Fe-Al合金层，减少硬脆的Fe-Zn合金层鞍钢技术 2023 年第 1 期刘祥等:高强度桥梁缆索用钢研究现状和发展趋势总第 439 期10-生成。比利时研发的Galfan（Zn-5%Al-Re）镀层在国内应用最广，虎门二桥、沪通大桥等主缆钢丝上都有应用。目前对Zn-Al-Mg三元合金镀层的研究与开发已成为国内外钢材表面防腐研究的热点，Mg能够优化合金层，使其更薄更致密，同时其腐蚀产物可以降低溶解氧的扩散速度，减缓镀层的电化学腐蚀。日新制钢早在1988年就研制出了Zn-Al-Mg系合金镀层，随后新日铁、塔塔钢铁、蒂森克虏伯等公司也先后开发出不同种类的Zn-Al-Mg镀层，其抗腐蚀能力为Zn-Al镀层的58倍。2019年初，宝钢集团开发出适用于桥梁缆索用钢丝的Zn-Al-Mg镀层，并具备工业化生产能力19-20。3高强度桥梁缆索钢丝用钢成分设计特点成分设计是提高盘条强度、改善盘条性能的重要方法。日本对高强度桥梁缆索用钢的研究起步最早，20世纪末，新日铁开发了SWRS82B钢，化学成分见表1。国内外后续高强桥索钢的开发主要是以此为基础，通过优化成分设计和添加强化合金达到更高性能5。表1 SWRS82B钢化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions inSteel SWRS82B（Mass Fraction）%3.1 C元素C是决定钢铁材料强度的重要元素。随着C含量增加，组织中会形成更多渗碳体，使索氏体片层间距减小，材料抗拉强度、硬度不断提高，塑性不断降低。超高强桥索钢材料C含量通常大于0.82%，属过共析钢，随着含C量增大，材料轧制过程中更易在晶界间产生网状碳化物，影响盘条性能。因此，桥索钢材料的C含量一般控制在1.0%以内。3.2 Si元素Si是钢铁材料常用强化元素，Si在钢中与C形成化合物，以固溶形式溶于铁素体和奥氏体中，加大Si含量可以降低珠光体中C元素的偏聚，对材料的抗拉强度有显著的强化作用。高含量Si可以抑制渗碳体受热分解球化，提高钢丝抗回火软化能力，降低热镀锌造成的钢丝软化现象。同时高含量的Si也能提高材料的屈服强度和屈服比，使材料弹性极限升高。但是，Si含量增加会降低材料的塑性和韧性。因此，桥索钢材料的Si含量一般控制在0.3%1.5%21。3.3 Mn元素Mn元素可以提高钢铁材料强度，也常用作炼钢脱氧剂和脱硫剂。Mn可固溶于铁素体和渗碳体中，其溶于渗碳体的浓度高于铁素体，渗碳体中的Mn可阻碍其球化，提高材料的热稳定性，减少镀锌过程中的强度损失。Mn还具有降低临界冷却速度的作用，可以显著提高淬透性。由于Mn在冶炼过程中易产生偏析，因此Mn含量一般控制在1.0%以内。3.4 Cr元素Cr是常用的强化合金元素，可固溶于渗碳体，也能置换钢中Fe原子生成（Fe，Cr）3C合金渗碳体，产生析出强化效应，显著提高材料的抗