应用于港珠澳大桥、官厅水库公路大桥、川藏铁路藏木特大桥等30多座桥梁
用带“铠甲”的钢建“长寿桥”
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桥梁是交通建设的重要节点工程。面对跨度大、载荷重、地基软等情况，钢桥具有自重较轻的特点，可以更好适应特殊的地形需求。但钢桥表面易生锈，需涂装油漆进行防腐，每10年至15年要重新涂装一次。
旧油漆的打磨，新油漆的涂装，都会造成一定的环境污染。且一旦涂装不及时，桥梁钢结构腐蚀过深，不仅大大缩短桥梁寿命，还增加桥梁断裂的风险。
能不能减少钢桥涂装过程的污染？能不能减少桥梁后期涂装的次数？有没有不喷漆就能防腐的钢材？
一项“新型高性能耐候桥梁钢及应用关键技术”给出了肯定答案。而这项技术，前不久荣获了2023年度河北省科学技术进步奖一等奖。
11月18日，在中铁山桥桥梁分公司内，部分产线用于生产耐候钢桥梁，工人们正在紧张生产中。河北日报记者孙也达摄
中断20年后再启动，研制自带“铠甲”的钢板
11月18日，在位于秦皇岛市山海关区的中铁山桥集团有限公司（以下简称“中铁山桥”）桥梁分公司，工人们将一张张五六十毫米厚的钢板吊运至下料区。技术人员将切割数据输入计算机，自动切割设备根据程序将钢板切割成大小、形状各异的小钢板。
记者注意到，不同切割机上的钢板虽然厚度、大小不同，但大多表面都有一层薄薄的灰色油漆，看上去很干净。
然而在下料区角落的一台切割机上，正在被切割的钢板表面满是锈迹，看上去十分破旧。“这是废旧钢板吗，怎么锈迹斑斑？”记者不禁问道。
“恰恰相反，这是车间最贵的钢板。”该桥梁分公司党委书记刘申说，这种钢材叫耐候钢，它不同于其他涂有灰色油漆的钢板，因为它不需要油漆就能耐受住一般气候的腐蚀，并且能够满足钢桥百年寿命的重大需求。
耐候钢是如何不被腐蚀的？带着疑问，记者前往秦皇岛市海港区，找到燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室教授王青峰。
“耐候钢属于舶来品。”王青峰说，国外早在上世纪50年代就开始生产耐候钢了，并成功应用于桥梁建设。耐候钢主要成分是铁，还含有铬、镍、铜等金属元素，按照一定比例炼制而成。
因为这些成分，耐候钢在硬度和柔韧度方面都有显著提升。最重要的是，耐候钢在空气中可以自然形成一层致密的特殊铁锈，能隔绝含有盐分和酸性物质的空气、水分以及紫外线，并与钢主体固接，使其减缓钢板继续被腐蚀。
“普通的铁锈容易翘起，脱落后，空气和水分会继续腐蚀钢结构主体。”王青峰说，耐候钢表面的特殊铁锈致密且附着力强，不易脱落，这就是它不用油漆的秘密所在。
11月18日，在中铁山桥桥梁分公司内，焊接机器人正在进行多枪同步焊接，加快耐候钢桥梁的生产进度。河北日报记者孙也达摄
1990年前后，我国第一次将耐候钢引进国内钢桥制造业，并在武汉某座桥梁中进行试验性应用。结果，国外的耐候钢技术到中国出现水土不服，特殊铁锈生成缓慢，桥梁中的焊缝锈蚀严重，最终以失败告终。
此后，我国耐候钢桥梁生产便停了下来，这一停就是20年。
2010年前后，中铁山桥中标港珠澳大桥制造，大桥的设计寿命、承载重量、抗风强度都超过了我国当时的桥梁制造水平。为满足索塔钢结构设计需要，顺利完成这一超级工程，耐候钢再次回到专家视野。设计生产适合中国气候的耐候钢任务，落在了王青峰团队的肩上。
王青峰分析了我国第一次耐候钢桥梁生产试验失败的原因：“应该是国外耐候钢各元素的比例不适合我国的具体情况。”因此，他带领团队分析各元素在耐候钢中扮演的角色，哪种元素增加强度，哪种元素增加韧性，哪种元素影响生成特殊铁锈。经过分析，他开始调整钢材冶炼配方。
王青峰的实验室内有多个炼钢小炉。他带领团队冶炼不同配方的耐候钢，经过半年多的试验，耐候钢的性能虽能接近设计要求，却总是差一点点，不是强度不够，就是韧性不足。
“是不是可以尝试再增加其他金属？”王青峰说，当时他突然想到，铌的延展性较高，于是他在原有多个配方的基础上，又增加了铌等其他元素，终于确定了适合我国气候的耐候钢配方，并成功超越国外的耐候钢适应范围。
然而，新的问题又出现了。
“新配方的耐候钢中容易出现‘硬核’，就像面团中的硬疙瘩，这种‘硬核’后期容易产生金属内部微裂纹，造成钢结构断裂。”王青峰说，解决这个问题的方式只能是改变钢材轧制工艺。
经过不断试验，王青峰团队发现，钢材在轧制过程中，温度达到850℃后，“硬核”明显增加。因此，他们决定开发钢材低温轧制工艺。经过与南京钢铁股份有限公司合作，成功开发低温精轧—开冷—返红TMCP新工艺，不仅实现钢板综合性能稳定化批量生产，与常规工艺相比，一次性能合格率也从90%提高到98%以上。
11月18日，在中铁山桥桥梁分公司内，工人正在操作焊接机器人，生产耐候钢桥梁。河北日报记者孙也达摄
不需刷漆的桥梁，缩短制造工期约20%
适合我国气候的耐候钢有了，是不是就能顺利建设耐候钢桥了？
“哪儿有那么简单，当初武汉那座试验桥的焊缝锈蚀十分严重，这个问题还没解决呢。”王青峰说，桥梁的焊接部位和栓接部位是最脆弱的，找到合适的焊材尤为重要，焊材与钢板母材的力学性能和耐候性能相匹配，才能保障桥梁的质量。
因为国外技术封锁，王青峰团队只能自行设计焊材。经过不断尝试，第一批耐候钢焊材被生产出来，王青峰将其拿到中铁山桥进行焊接试验。
“第一次试验不到半小时就结束了。”中铁山桥首席专家、焊接实验室主任徐向军说，焊接时，耐候钢焊缝熔池中钢水的粘度大，因此焊材熔化后的钢水流动性较差，这导致焊缝外观质量很差，而且焊接熔池中的气体、熔渣也很难排出，容易产生气孔、夹渣缺陷，导致焊接质量严重下降。第一次试验失败。
王青峰只能重新设计焊材配方，徐向军和中铁山桥总工程师胡广瑞也开始开发新的焊接工艺。两个团队共同发力，力求尽早解决耐候钢焊接难题。
如何增加钢水流动性？王青峰决定添加新的元素，但增加新的金属元素特别容易改变耐候钢的性能，可谓牵一发而动全身。那能不能增加非金属元素呢？
有了新想法后，王青峰开始查阅资料，并试验了多种非金属元素，最终确定了硅元素。“焊材中加入适量的硅元素后，焊接熔化的钢水流动性明显提高了，而且对耐候钢各项性能的影响很小。”王青峰很快将新的焊材拿到中铁山桥，准备新的焊接试验。
就在王青峰寻找新的添加元素时，徐向军也在用原焊材不断试验新的焊接工艺。
“我们经过试验发现，如果提前将待焊件加热，并调整焊接时的电流和电压，就能让焊缝中的气孔、夹渣缺陷大量减少。”徐向军说，此外，只要采取后热措施，焊接完成后依然让焊缝处保持一定时间的高温，也有助于焊接熔池中的气体排出，减少焊接过程中产生的气孔。
就这样，双方共同努力，耐候钢的焊接难题被攻克，焊接合格率达到99.5%以上。
解决了焊接难题，就差栓接部位的难题了。
“栓接用的螺栓、螺母、垫片等零件材料和桥梁主体耐候钢的一样，合金元素含量高，硬度很大，如果用传统生产方式容易出现内部裂纹。”中铁山桥机械分公司销售经理董强说。
为此，王青峰团队设计了一种新型中低碳、多组元抗延迟断裂耐候钢螺栓材料，中铁山桥机械分公司将该材料制成的钢棒一端加热，使其软化，然后冲压成栓头。
“加热的长度要控制好，太短会产生裂痕，太长则容易把螺栓根部镦粗。”董强说，目前公司已形成一套成熟的耐候钢螺栓件加工工艺，并开发出10.9级和12.9级新型抗延迟断裂耐候螺栓。
随着“最后一个螺栓”生产问题解决，国外对我国的技术封锁被打破。在此过程中，燕山大学、中铁山桥等完成发明专利申请25件，制定各项标准10项。因生产过程免除涂装工序，缩短制造工期约20%，因后期不用再补漆，对环境污染降为零。
“港珠澳大桥2018年通车，其中的青州航道桥索塔钢锚箱使用了耐候钢，这是我国第一座成功使用耐候钢的大跨度钢桥。”徐向军说。
此外，这一成果还应用于官厅水库公路大桥、川藏铁路藏木特大桥等30多座桥梁，近三年新增经济效益31亿元。
11月19日，王青峰（右）正在和团队成员研究新的耐候钢焊接方法。河北日报记者孙也达摄
使用寿命突破百年，期待成为市场新宠
耐候钢桥不用刷防腐的油漆，有利于环保，后期的养护费用大幅降低，使用寿命突破百年。然而，耐候钢桥并没有迅速成为市场的新宠。
徐向军说，耐候钢桥推广存在3个问题：初期建造材料成本高，锈蚀表面不美观，还不能适应全气候。
记者在中铁山桥桥梁分公司看到，除下料区外，焊接、拼装等区域内确实没有见到耐候钢桥制造。
“传统钢材进厂后就会被临时喷上灰色的生产保护漆，锈迹斑斑的耐候钢板一眼就能被找到。”刘申说，耐候钢无论是钢材本身，还是焊材、栓接件等辅材都比较贵，成本约比传统钢材高20%。虽然耐候钢桥不用刷保护漆和出厂前的防腐油漆，物料、人工成本有所节省，但总体生产成本依然比传统桥梁高近10%。
“成本问题交给时间和产量就行，毕竟按桥梁全使用周期算，耐候钢桥是省钱的。”王青峰说，一般桥梁10年至15年需要进行一次防腐处理，耐候钢桥不用，按理论值计算，桥梁100年的使用周期内，耐候钢桥总成本可降低20%以上。且随着将来规模效益的增加，耐候钢桥的生产成本自然会降低，这是所有新产品都要经历的过程。
目前，最重要的任务是加速耐候钢桥的市场认可度，解决耐候钢桥表面不美观的问题。
耐候钢桥在形成稳定锈层前是最难看的，有的地方锈薄，有的地方锈厚，看上去锈迹斑斑。能不能在出厂前就让桥梁表面完成全部锈蚀，使桥梁外观形成统一颜色？
刘申说，他们在完成桥梁组件生产后，不会第一时间运往建设场地进行组装，而是在厂区内进行锈层处理，定期喷水、晾干，尽快形成均匀的锈层。
“看似简单，但什么时候喷水，每次喷多少水，总共喷水几次，每批组件都是不一样的。”刘申说，为让耐候钢形成均匀的稳定锈层，他们和王青峰团队进行了数十次对比试验，并逐步确定锈层定量评价技术，通过使用不同的检测仪器和方法，将锈蚀程度量化，提高准确度。
经过试验后，人们发现此方法不仅能快速改变桥梁表面锈迹斑斑的情况，还能形成更稳定的锈层，锈层与钢材的附着力更加均匀，进一步提高了桥梁的稳定性，减少了局部深度腐蚀情况的出现。
在掌握此项新技术后，市场对于耐候钢桥的接受程度逐步增加，目前中铁山桥已有近10%的桥梁订单是耐候钢桥，其中大部分是国外订单和我国西部订单。
“我们能中标加拿大帕特洛桥等国外订单，就是因为有了成套的耐候钢桥生产技术。”徐向军说，同时耐候钢桥十分适合建设在我国西部广阔的环境和生态保护区，因为这些地区人烟稀少，桥梁后期维护费用、难度很高，耐候钢桥免涂装、易维护、零污染的特点成了最大的优势。
目前，中铁山桥已成功拿下秦皇岛民族路南延道路上跨进出港铁路立交桥、北京至秦皇岛高速公路跨京哈铁路桥等耐候钢桥的订单。“这些桥虽然都比较小，但示范效应更重要。”刘申说。
此外，针对现有耐候钢不能适应高湿、高盐等气候的问题，王青峰团队还在寻找更新的耐候钢配方。
“我们通过增加某种新的元素，已经研究出适合我国南方梅雨气候、沿海高湿高盐气候的耐候钢。”王青峰说，未来，更加环保、全生命周期更加便宜的耐候钢桥一定会成为市场的宠儿。
记者手记
产学研合作促全产业链创新
耐候钢的研发及工程应用始于上世纪的美国，之后逐渐在发达国家和地区得到应用。
我国最初引进耐候钢时，更多应用于市政工程、景观艺术等领域，看重的是其“锈艺”的外观效果。在桥梁建设这种复杂的工程中，因不适应我国气候特点，耐久性不强这一缺点被放大，这也是我国第一次将耐候钢应用于桥梁建设失败的原因。
想要建设一座符合要求的耐候钢桥，钢材、辅材、生产工艺等方方面面都需要革新，需要全产业链共同发力。因此，产学研合作是解决难题的最优方案。
高校和科研机构拥有丰富的研发资源和人才优势，可以为企业提供技术支持和解决方案。如研发团队利用燕山大学的实验室，试验各种耐候钢生产配方，找到适合我国气候的耐候钢。这不仅加速了科研的进度，还减轻了企业的科研压力。
同时，企业的技术人员可以依靠自身经验，开发新的生产工艺，让新材料、新技术尽快从实验室研发阶段转向规模化生产阶段，提高研发效率。在此过程中，高校学生可以获得实践经验和就业机会，企业创新型人才更容易被发掘。这种人才培养和促进就业的双向互动，有助于缓解社会就业压力，提升人才资源的利用效率。
此外，此次耐候钢桥梁的产学研合作，更是促进了整个产业链条的发展。燕山大学负责开发新材料、新技术，南京钢铁股份有限公司、首钢京唐钢铁联合有限责任公司等负责生产耐候钢及焊材等辅材，中铁山桥集团有限公司、中铁宝桥集团有限公司负责建设桥梁、开拓市场，钢结构桥梁生产建设的产业链所涉及的企业，都在创新中得以发展。
总而言之，产学研合作对企业、高校和科研机构以及整个经济社会发展都具有重要意义。它不仅能够降低企业研发成本，提升企业技术水平和市场竞争力，还能够促进相关领域人才培养。同时，产学研合作能充分利用更多创新资源，加速创新成果转化，推动产业升级，促进经济发展。
来源：河北日报（记者：孙也达）
编辑：崔婷婷 编审：高源
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