2019年中國腐蝕與防護學會全國科普日活動:一帶一路——高品質耐蝕鋼的用武之地
2019-09-19 09:52:16 作者:本網整理 來源:中國腐蝕與防護學會 分享至:

一帶一路——高品質耐蝕鋼的用武之地

2019年中國腐蝕與防護學會全國科普日活動

  

在國家“一帶一路”和全球化發展戰略中,材料先行是關鍵,也是必然。“一帶一路”沿線的東南亞和中東地區自然環境嚴酷,材料面臨嚴重的腐蝕問題,材料及裝備加速腐蝕失效是制約“一帶一路”戰略順利實施的關鍵技術瓶頸。


中國腐蝕與防護學會的專家與泰國腐蝕同行曾一道對印度洋沿岸的攀牙和普吉島及泰國暹羅灣沿岸的曼谷及Bang Poo工業區和梭桃邑以及古城阿育塔雅的材料腐蝕情況進行了調查,結果觸目驚心。


泰國地處高溫、高濕、高鹽霧、高輻照的熱帶海洋氣候環境,碳鋼、不銹鋼和各種金屬材料構件腐蝕嚴重,按照ISO9223~9226標準,該地區的腐蝕等級達到A5級以上,碳鋼不經過涂裝處理,腐蝕壽命一般不超過4年,大大高于我國東南沿海和海南島等典型海洋大氣環境中金屬腐蝕的速率。泰國位于亞洲中南半島中南部,離赤道較近,常年太陽紫外線輻照較強烈,因此,高分子老化也很嚴重,包括橡膠、塑料等高分子材料及制品的老化失效問題不容忽視。


泰國鐵路腐蝕現狀:

 

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正在使用的機車,一般時速40Km/h,表面腐蝕嚴重

 

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舊鋼軌的制造年代清晰可見

 

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舊軌道邊存放的斷軌

 

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軌道側壁的腐蝕斑點

 

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混凝土枕梁及其道釘

 

鋼材是高品質船舶與海洋工程建造的主要原材料,一帶一路“對貿易和港口建設產生重要影響,帶動各種船舶需求的不斷增長,從而帶動”海洋工程用鋼“走向更高追求。因此,高品質船舶與海洋工程用鋼的發展一直是海洋工程相關領域和鋼鐵工業十分關心的問題。工業和信息化部、發展改革委、科技部、財政部聯合印發的《新材料產業發展指南》明確指出高性能鋼鐵材料等產品結構的不斷優化是國家重點工程建設順利實施的有效支撐。”成也低合金鋼,敗也低合金鋼“,低合金鋼生產是提高鋼鐵產品性能的關鍵,是裝備安全運行的前提保障。


低合金結構鋼是在碳素鋼的基礎上,通過加入少量合金元素(通常≤5%)并在熱軋、控軋或熱處理狀態下,具有高強度、高韌性,較好的焊接性、成型性和耐腐蝕性等特征的鋼材,以型、帶、板、管等鋼材形狀,主要用于制造橋梁、船舶、車輛、海上石油平臺、鍋爐、高壓容器、化工容器、管道、重型機械、埋地管道、大型鋼結構、鋼筋和基礎設施等。低合金結構鋼的生產工藝以及材料所具有的水平,是一個國家鋼鐵材料水平的重要標志,在一定程度上顯示了國家綜合競爭實力的高低,因此頗受世界各國的重視。


我國高品質船舶、海洋工程用鋼研究進展

 

船舶、海洋工程用鋼基本要求

 

1.高強度和高韌性

 

高強度和高韌性是船舶和海洋工程用鋼要達到的基本要求 , 而隨著運輸和勘探等行業對船體和海洋工程結構安全性要求的不斷提高 , 船舶和海洋工程用鋼板的強度和質量等級也在逐步提高。20 世紀 90 年代起 , 日本和歐洲率先開發出屈服強度為 390MPa 級的熱機械 控 制 工 藝型高強船板 (YP40K), 主要用在船體受應力比較大的舷側舷緣頂板和強力甲板上。


在 大 型 散 裝 貨 船 和 集 裝 箱 船中 ,390MPa 級的高強度鋼已占主導地位 , 海洋平臺等大型海洋結構中廣泛應用 TMCP 工藝船體鋼的強度級別已經達到 550MPa 級以上。海洋工程中自升式鉆井平臺的樁腿結構 , 如齒條板、半圓板和無縫支撐管等部位 , 均要求屈服強度 690MPa 以上的高強度低合金鋼。這些結構對材料的低溫沖擊韌性也具有較高的要求 , 一般要求考核 -40℃的低溫沖擊性能 , 而在寒冷或極寒條件下則需考核 -60℃甚至 -80℃的低溫沖擊性能。


一些低溫油氣儲運用鋼對低溫沖擊性能的要求更為苛刻 , 如儲存 LNG 的鋼要求考核 -196℃的低溫沖擊功達到以上 , 儲運 LEG 的 5Ni 鋼也要求考核 -120℃的沖擊功。由此看出 , 高強度和高韌性是船舶和海洋工程用鋼必不可少的兩大特性。


2.優異的耐腐蝕性

 

能由于海洋環境腐蝕的破壞性強 , 造成的損失較大 , 船舶及海洋工程結構的耐腐蝕性能越來越受到人們的關注。國際海事組織先后通過了壓載艙涂層防護和貨油艙用耐腐蝕鋼性能標準 , 使得相應船舶用鋼的開發研究工作日益迫切。在壓載艙環境下 , 船板鋼在高溫、高濕以及 Cl-的協同作用下 , 尤其在壓載艙的潮差部位船板鋼常發生嚴重的局部腐蝕,JFE鋼鐵開發出了”JFE-SIP-BT“鋼可抑制船舶壓載艙涂膜劣化行為 , 同時提高了腐蝕產物對鋼基體的保護性能。新日鐵等開發的貨油艙用耐蝕鋼 , 通過耐蝕合金元素的加入 , 顯著降低腐蝕速率 , 從而提高其使用壽命。


3.大熱輸入條件下的可焊性能

 

鋼的可焊性能是保證船體和海洋工程結構整體質量及安全性能的關鍵。近年來 , 隨著結構用鋼厚度規格的不斷提高 , 對焊接工藝和焊接技術也提出了更高的要求,以滿足用戶對提高制造效率、降低生產成本的需求。因此 , 提高熱輸入量的焊接技術以及適用于大熱輸入量焊接的鋼種的開發研制已經成為國內外關注的熱點技術問題。


原油船貨油艙用耐蝕鋼

 

油船作為船舶的特殊品種之一 , 在海水環境中的服役情況具有代表性。而由于海上原油泄漏事故頻發 , 造成嚴重的環境污染和安全隱患 , 海上原油船貨油艙的耐腐蝕性能受到越來越多的關注。而低合金耐蝕鋼由于具有優異的環境友好特性以及較低的維護成本 , 已成為油船貨油艙用鋼的研究熱點。2010年國際海事協會 (IMO) 將低合金耐蝕鋼作為現行防腐涂層體系的唯一有效替代方案。隨后 , 中國船級社于 2013 年發布了《原油船貨油艙耐蝕鋼檢驗指南》明確指出了耐蝕鋼可以作為原油船防腐涂層的替代措施 , 使貨油艙的耐腐蝕性能滿足目標使用壽命要求。


而日本從 1999 年就啟動了油輪原油船貨油艙用耐蝕鋼的研究 , 通過協會、鋼廠、造船廠、航運公司等多家機構聯合協作的運行機制開展船用耐腐鋼的研發、生產和應用工作。其研究表明在鋼中加入和 Cr 對于致密銹層的形成有較明顯的促進作用 , 可提高鋼材耐點蝕及均勻腐蝕能力 , 輔以一定量的 Mo、Sb 等合金元素可以使得鋼材耐蝕性進一步提高、新日鐵、、住友金屬、神戶制鋼等鋼企先后開發出了貨油艙用低合金耐蝕鋼產品 , 其耐腐蝕性能顯著提升 , 普遍達到了普通船板鋼的 4 ~ 7 倍 ( 見表 1)。

 

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相對而言 , 我國原油船貨油艙用耐蝕鋼的研究工作起步較晚。從 2008 年開始 , 鞍鋼寶鋼、首鋼、武鋼、南鋼、鋼研院等單位開始了原油船貨油艙用低合金耐腐蝕鋼產品的研制和開發工作。經過多年研究探索 , 我國在原油船貨油艙用耐蝕鋼領域取得了顯著進步。通過實船跟蹤和實驗室研究 , 基本掌握了鋼在貨油艙環境中的腐蝕行為規律及腐蝕機理;在此基礎上 , 國內多家鋼廠成功開發了原油船貨油艙用耐蝕鋼 , 各項性能指標達到 IMO 標準要求 , 具備了進一步實船應用的條件。


大熱輸入焊接用鋼

 

為了達到降低制造成本、提高施工效率的目的 , 結構鋼加工企業普遍采用大熱輸入的焊接方式。目前 , 大熱輸入焊接已在船舶、海洋工程結構、橋梁等領域得到了廣泛的應用。一般地 , 將焊接熱輸入量大于 50kJ/cm 的焊接方式稱為大熱輸入焊接。大熱輸入焊接具有一道次、低成本、高效率等優點。


與普通熱輸入的焊接方式相比 , 在大熱輸入焊接中 , 由于焊接熱影響區的溫度會升高至 1400℃并長時間保溫 , 會導致熱影響區中的組織粗化 , 奧氏體晶粒尺寸顯著增大。在隨后的相變過程中容易形成上貝氏體等脆性組織 , 且側板條鐵素體從奧氏體晶界處向晶內生長 , 嚴重影響粗晶熱影響區的韌性而且容易引發焊接冷裂紋等缺陷。因此 , 開發能夠滿足大熱輸入焊接用鋼是國內外關注的熱點。


自 20 世紀 70 年代以來 , 日本和韓國幾家鋼鐵企業分別成功開發了適用于大熱輸入焊接用鋼 , 其中在船板和海洋工程用鋼方面取得了顯著進展 , 見表 2。船板用鋼的熱輸入量可達到~ 680kJ/cm, 而海洋工程用鋼的熱輸入量則相對較低 , 約為 200kJ/cm。相比而言 , 我國對大熱輸入量焊接用鋼的開發和研究起步較晚。目前,鞍鋼可生產熱輸入量為100kJ/cm的船板。

 

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鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼的發展現狀和研發方向

 

耐大氣腐蝕鋼亦稱耐候鋼 , 其發展和應用是從鐵道車輛開始的。美國 USS公司在 1934年研制出 Corten 耐候鋼 ,并用于制造漏斗車。我國從 1961 年開始研制耐候鋼 , 并在 1969 年嘗試用于鐵路貨車的制作。到目前為止 , 已經研制了一系列的耐大氣腐蝕鋼 , 除用于鐵道車輛外 , 還廣泛應用于集裝箱、橋梁、工程機械及戶外塔架等領域。近年來鐵道車輛使用較多的耐大氣腐蝕鋼有295MPa 級 的 09CuPTiRE、345MPa 級 的09CuPCrNi。隨著鐵路高速重載要求的提出 , 更高強度的 Q450NQR1 獲得廣泛應用。


鐵道車輛的設計壽命為 25 年 , 希望在此期間車體的力學性能得到保證 ,不需要進行鋼板截換。對鐵路貨車腐蝕、磨損狀況的調查發現 , 目前車輛所使用的耐候鋼材料尚不能滿足要求 , 因此鐵道部提出新研制的耐候鋼的耐大氣腐蝕性能在目前基礎上提高一倍的目標要求。Q450NQR1 鋼雖然強度足夠 , 但耐腐蝕性能仍無法滿足使用要求。


國外的鐵道車輛用鋼基本上是在Corten 鋼基礎上衍化而來的。雖然這些鋼在強度、低溫韌性等方面有所改善 ,但耐大氣腐蝕性能仍處于普通耐候鋼水平。日本開發了高Ni和高Cr系列耐候鋼,這些鋼種在保持高強度的同時具有高的耐候性能。高 Cr 系列耐候鋼的生產技術已申請了大量專利 , 其 Cr 質量分數為 2%~13%。具報道 , 這個系列耐候鋼除了適用于建筑結構外 , 還適用于高濕熱大氣、土壤和高腐蝕環境。城市供水系統、混凝土、海水腐蝕等領域 , 但未見有應用于鐵道車輛的報道。而高 Ni 系列耐候鋼主要為橋梁用鋼。


日本新干線列車采用 Cu-P 系的Yaw-Ten50 鋼 , 車輛自重降低了 7%;油罐車使用耐候鋼制造后自重降低了22%, 載重量同時增加了 5t。印度的鐵道車輛主要采用仿Corten-A 的 Sailcor-A 系列耐候鋼。德國和瑞典廣泛使用 Cu-P-Cr-Ni 系或Cu-P-Cr 系耐候鋼制造車輛。其中瑞典鋼鐵公司研制的 Domex 系列耐候鋼主要用于集裝箱制造 , 屈服強度從 500MPa到 700MPa。


鐵道車輛用鋼的市場取決于鐵路的發展 , 并與經濟發展密切相關。隨著我國國民經濟的持續快速增長,我國單位公里所擁有的客貨車數量還遠不能滿足經濟發展的需要 . 據此推算 , 未來十年內 , 我國每年新造客車約3500輛,貨車約40000輛。每年消費的耐候鋼板卷在 35 萬 t 以上。

 

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圖3 我國近年來鐵路營業里程的增長從實際情況看 , 使用耐候鋼仍是鐵道車輛的主要趨勢 , 但需要進一步提高強度及耐腐蝕性能。目前 , 鐵道部科學研究院金屬及化學研究所也提出了重新使用中、低合金耐候鋼的建議 , 要求新型耐候鋼的耐蝕性能相對傳統高耐候鋼提高一倍 , 即相對腐蝕率在 25% 以下( 規定傳統高耐候鋼相對普碳鋼的腐蝕率≤ 55%), 其力學性能等各項指標與傳統高耐候鋼相當。所以 , 高耐蝕性、高強度及低成本是鐵道車輛用鋼的主要發展方向。


高耐蝕性耐候鋼的開發

 

鐵路貨車應用過程中不斷受到大氣環境腐蝕和動載荷磨蝕。惡劣的應用環境 , 迫使要求所使用的鋼材具有高耐蝕性。我國普遍采用耐候鋼制造鐵道車輛,但是耐大氣腐蝕性能 ( 相對腐蝕率、試驗室加速腐蝕試驗性能 ) 目前只能達到普通結構鋼的兩倍左右 , 即使配合涂漆 , 還是無法徹底解決鋼板在使用過程中的銹蝕問題。國外雖采用不銹鋼代替耐候鋼制造鐵道車輛 , 但成本高 , 同時還有焊接、加工等應用技術問題需要解決。因此 , 開發一種耐腐蝕性能在目前耐候鋼的基礎上再提高一倍,并且具有優良的低溫韌性和優良的焊接性能的耐候鋼 , 成為研究人員的主要任務。


高強度鐵道車輛用耐候鋼的開發

 

減輕車輛自重的有效措施之一就是采用高強度鐵道車輛用鋼。以敞車為例 , 美國一般車輛的自重系數為0.30 左右。據報道 , 新研制的載重為110.2 ~ 122.8t 的敞車 , 自重系數達到0.18。我國 C64 型主型敞車 , 載重 61t,自重系數為 0.366。因此 , 開發高強度鐵道車輛用耐候鋼也是研究人員的主要任務。高強度耐候鋼的開發還要考慮用戶的使用問題及焊接、低溫沖擊、冷彎加工等問題。


低成本鐵道車輛用耐候鋼的開發

 

采用低成本鋼材是降低鐵路運營成本的有效途徑之一。進行耐大氣腐蝕的機理分析 , 通過合金成分調整及工藝改善 , 開發性能優良的低成本耐候鋼產品成為耐候鋼研究開發的一個發展趨勢。


南鋼開放參觀

 

為了探究耐蝕鋼的現代化生產過程,我們一行人專程來到南京鋼鐵集團有限公司(以下簡稱”南鋼“)參觀其耐蝕鋼生產線。近些年,南鋼采用”產學研用“一體化研發思路,并與中國腐蝕與防護學會深度合作,利用平臺大數據,先后開發了原油船貨油艙用耐蝕鋼、濱海免涂裝用耐蝕鋼、海洋壞境用耐蝕鋼筋等三大系列 27個耐蝕鋼。同時耐蝕鋼控制技術成功應用于船舶、海洋平臺等常規鋼,潛在提高了普通海洋用鋼的用戶使用性能,提高了產品銷量和品牌度。其中,由南京鋼鐵股份有限公司與北京科技大學新材料院李曉剛教授團隊合作的”新型系列耐腐蝕結構鋼開發關鍵技術創新及產業化“項目,獲得了江蘇省科技進步一等獎。

 

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參觀耐蝕鋼生產現場

 

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參觀南京大氣站

 

此次南鋼之行,我們直觀了解了高品質耐蝕鋼從冶煉、軋制、加工到產出的全流程生產及控制過程,深刻體會到鋼鐵產業的發展模式早已摒棄了過去的粗獷式生產,取而代之的是高新自動化技術和集成控制技術的深度融合,同時感受到我國重要鋼鐵企業借著”一帶一路“的春風,在提高鋼材品質,改善過剩產能,提高盈利能力,使鋼鐵產業復蘇的重大決心與不懈努力。相信我國高品質耐蝕鋼的發展會越來越好!

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