2019年中国腐蚀与防护学会全国科普日活动:一带一路——高品质耐蚀钢的用武之地
2019-09-19 09:52:16 作者:本网整理 来源:中国腐蚀与防护学会 分享至:

一带一路——高品质耐蚀钢的用武之地

2019年中国腐蚀与防护学会全国科普日活动

  

在国家“一带一路”和全球化发展战略中,材料先行是关键,也是必然。“一带一路”沿线的东南亚和中东地区自然环境严酷,材料面临严重的腐蚀问题,材料及装备加速腐蚀失效是制约“一带一路”战略顺利实施的关键技术瓶颈。


中国腐蚀与防护学会的专家与泰国腐蚀同行曾一道对印度洋沿岸的攀牙和普吉岛及泰国暹罗湾沿岸的曼谷及Bang Poo工业区和梭桃邑以及古城阿育塔雅的材料腐蚀情况进行了调查,结果触目惊心。


泰国地处高温、高湿、高盐雾、高辐照的热带海洋气候环境,碳钢、不锈钢和各种金属材料构件腐蚀严重,按照ISO9223~9226标准,该地区的腐蚀等级达到A5级以上,碳钢不经过涂装处理,腐蚀寿命一般不超过4年,大大高于我国东南沿海和海南岛等典型海洋大气环境中金属腐蚀的速率。泰国位于亚洲中南半岛中南部,离赤道较近,常年太阳紫外线辐照较强烈,因此,高分子老化也很严重,包括橡胶、塑料等高分子材料及制品的老化失效问题不容忽视。


泰国铁路腐蚀现状:

 

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正在使用的机车,一般时速40Km/h,表面腐蚀严重

 

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旧钢轨的制造年代清晰可见

 

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旧轨道边存放的断轨

 

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轨道侧壁的腐蚀斑点

 

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混凝土枕梁及其道钉

 

钢材是高品质船舶与海洋工程建造的主要原材料,一带一路“对贸易和港口建设产生重要影响,带动各种船舶需求的不断增长,从而带动”海洋工程用钢“走向更高追求。因此,高品质船舶与海洋工程用钢的发展一直是海洋工程相关领域和钢铁工业十分关心的问题。工业和信息化部、发展改革委、科技部、财政部联合印发的《新材料产业发展指南》明确指出高性能钢铁材料等产品结构的不断优化是国家重点工程建设顺利实施的有效支撑。”成也低合金钢,败也低合金钢“,低合金钢生产是提高钢铁产品性能的关键,是装备安全运行的前提保障。


低合金结构钢是在碳素钢的基础上,通过加入少量合金元素(通常≤5%)并在热轧、控轧或热处理状态下,具有高强度、高韧性,较好的焊接性、成型性和耐腐蚀性等特征的钢材,以型、带、板、管等钢材形状,主要用于制造桥梁、船舶、车辆、海上石油平台、锅炉、高压容器、化工容器、管道、重型机械、埋地管道、大型钢结构、钢筋和基础设施等。低合金结构钢的生产工艺以及材料所具有的水平,是一个国家钢铁材料水平的重要标志,在一定程度上显示了国家综合竞争实力的高低,因此颇受世界各国的重视。


我国高品质船舶、海洋工程用钢研究进展

 

船舶、海洋工程用钢基本要求

 

1.高强度和高韧性

 

高强度和高韧性是船舶和海洋工程用钢要达到的基本要求 , 而随着运输和勘探等行业对船体和海洋工程结构安全性要求的不断提高 , 船舶和海洋工程用钢板的强度和质量等级也在逐步提高。20 世纪 90 年代起 , 日本和欧洲率先开发出屈服强度为 390MPa 级的热机械 控 制 工 艺型高强船板 (YP40K), 主要用在船体受应力比较大的舷侧舷缘顶板和强力甲板上。


在 大 型 散 装 货 船 和 集 装 箱 船中 ,390MPa 级的高强度钢已占主导地位 , 海洋平台等大型海洋结构中广泛应用 TMCP 工艺船体钢的强度级别已经达到 550MPa 级以上。海洋工程中自升式钻井平台的桩腿结构 , 如齿条板、半圆板和无缝支撑管等部位 , 均要求屈服强度 690MPa 以上的高强度低合金钢。这些结构对材料的低温冲击韧性也具有较高的要求 , 一般要求考核 -40℃的低温冲击性能 , 而在寒冷或极寒条件下则需考核 -60℃甚至 -80℃的低温冲击性能。


一些低温油气储运用钢对低温冲击性能的要求更为苛刻 , 如储存 LNG 的钢要求考核 -196℃的低温冲击功达到以上 , 储运 LEG 的 5Ni 钢也要求考核 -120℃的冲击功。由此看出 , 高强度和高韧性是船舶和海洋工程用钢必不可少的两大特性。


2.优异的耐腐蚀性

 

能由于海洋环境腐蚀的破坏性强 , 造成的损失较大 , 船舶及海洋工程结构的耐腐蚀性能越来越受到人们的关注。国际海事组织先后通过了压载舱涂层防护和货油舱用耐腐蚀钢性能标准 , 使得相应船舶用钢的开发研究工作日益迫切。在压载舱环境下 , 船板钢在高温、高湿以及 Cl-的协同作用下 , 尤其在压载舱的潮差部位船板钢常发生严重的局部腐蚀,JFE钢铁开发出了”JFE-SIP-BT“钢可抑制船舶压载舱涂膜劣化行为 , 同时提高了腐蚀产物对钢基体的保护性能。新日铁等开发的货油舱用耐蚀钢 , 通过耐蚀合金元素的加入 , 显着降低腐蚀速率 , 从而提高其使用寿命。


3.大热输入条件下的可焊性能

 

钢的可焊性能是保证船体和海洋工程结构整体质量及安全性能的关键。近年来 , 随着结构用钢厚度规格的不断提高 , 对焊接工艺和焊接技术也提出了更高的要求,以满足用户对提高制造效率、降低生产成本的需求。因此 , 提高热输入量的焊接技术以及适用于大热输入量焊接的钢种的开发研制已经成为国内外关注的热点技术问题。


原油船货油舱用耐蚀钢

 

油船作为船舶的特殊品种之一 , 在海水环境中的服役情况具有代表性。而由于海上原油泄漏事故频发 , 造成严重的环境污染和安全隐患 , 海上原油船货油舱的耐腐蚀性能受到越来越多的关注。而低合金耐蚀钢由于具有优异的环境友好特性以及较低的维护成本 , 已成为油船货油舱用钢的研究热点。2010年国际海事协会 (IMO) 将低合金耐蚀钢作为现行防腐涂层体系的唯一有效替代方案。随后 , 中国船级社于 2013 年发布了《原油船货油舱耐蚀钢检验指南》明确指出了耐蚀钢可以作为原油船防腐涂层的替代措施 , 使货油舱的耐腐蚀性能满足目标使用寿命要求。


而日本从 1999 年就启动了油轮原油船货油舱用耐蚀钢的研究 , 通过协会、钢厂、造船厂、航运公司等多家机构联合协作的运行机制开展船用耐腐钢的研发、生产和应用工作。其研究表明在钢中加入和 Cr 对于致密锈层的形成有较明显的促进作用 , 可提高钢材耐点蚀及均匀腐蚀能力 , 辅以一定量的 Mo、Sb 等合金元素可以使得钢材耐蚀性进一步提高、新日铁、、住友金属、神户制钢等钢企先后开发出了货油舱用低合金耐蚀钢产品 , 其耐腐蚀性能显着提升 , 普遍达到了普通船板钢的 4 ~ 7 倍 ( 见表 1)。

 

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相对而言 , 我国原油船货油舱用耐蚀钢的研究工作起步较晚。从 2008 年开始 , 鞍钢宝钢、首钢、武钢、南钢、钢研院等单位开始了原油船货油舱用低合金耐腐蚀钢产品的研制和开发工作。经过多年研究探索 , 我国在原油船货油舱用耐蚀钢领域取得了显着进步。通过实船跟踪和实验室研究 , 基本掌握了钢在货油舱环境中的腐蚀行为规律及腐蚀机理;在此基础上 , 国内多家钢厂成功开发了原油船货油舱用耐蚀钢 , 各项性能指标达到 IMO 标准要求 , 具备了进一步实船应用的条件。


大热输入焊接用钢

 

为了达到降低制造成本、提高施工效率的目的 , 结构钢加工企业普遍采用大热输入的焊接方式。目前 , 大热输入焊接已在船舶、海洋工程结构、桥梁等领域得到了广泛的应用。一般地 , 将焊接热输入量大于 50kJ/cm 的焊接方式称为大热输入焊接。大热输入焊接具有一道次、低成本、高效率等优点。


与普通热输入的焊接方式相比 , 在大热输入焊接中 , 由于焊接热影响区的温度会升高至 1400℃并长时间保温 , 会导致热影响区中的组织粗化 , 奥氏体晶粒尺寸显着增大。在随后的相变过程中容易形成上贝氏体等脆性组织 , 且侧板条铁素体从奥氏体晶界处向晶内生长 , 严重影响粗晶热影响区的韧性而且容易引发焊接冷裂纹等缺陷。因此 , 开发能够满足大热输入焊接用钢是国内外关注的热点。


自 20 世纪 70 年代以来 , 日本和韩国几家钢铁企业分别成功开发了适用于大热输入焊接用钢 , 其中在船板和海洋工程用钢方面取得了显着进展 , 见表 2。船板用钢的热输入量可达到~ 680kJ/cm, 而海洋工程用钢的热输入量则相对较低 , 约为 200kJ/cm。相比而言 , 我国对大热输入量焊接用钢的开发和研究起步较晚。目前,鞍钢可生产热输入量为100kJ/cm的船板。

 

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铁道车辆用耐大气腐蚀钢的发展现状和研发方向

 

耐大气腐蚀钢亦称耐候钢 , 其发展和应用是从铁道车辆开始的。美国 USS公司在 1934年研制出 Corten 耐候钢 ,并用于制造漏斗车。我国从 1961 年开始研制耐候钢 , 并在 1969 年尝试用于铁路货车的制作。到目前为止 , 已经研制了一系列的耐大气腐蚀钢 , 除用于铁道车辆外 , 还广泛应用于集装箱、桥梁、工程机械及户外塔架等领域。近年来铁道车辆使用较多的耐大气腐蚀钢有295MPa 级 的 09CuPTiRE、345MPa 级 的09CuPCrNi。随着铁路高速重载要求的提出 , 更高强度的 Q450NQR1 获得广泛应用。


铁道车辆的设计寿命为 25 年 , 希望在此期间车体的力学性能得到保证 ,不需要进行钢板截换。对铁路货车腐蚀、磨损状况的调查发现 , 目前车辆所使用的耐候钢材料尚不能满足要求 , 因此铁道部提出新研制的耐候钢的耐大气腐蚀性能在目前基础上提高一倍的目标要求。Q450NQR1 钢虽然强度足够 , 但耐腐蚀性能仍无法满足使用要求。


国外的铁道车辆用钢基本上是在Corten 钢基础上衍化而来的。虽然这些钢在强度、低温韧性等方面有所改善 ,但耐大气腐蚀性能仍处于普通耐候钢水平。日本开发了高Ni和高Cr系列耐候钢,这些钢种在保持高强度的同时具有高的耐候性能。高 Cr 系列耐候钢的生产技术已申请了大量专利 , 其 Cr 质量分数为 2%~13%。具报道 , 这个系列耐候钢除了适用于建筑结构外 , 还适用于高湿热大气、土壤和高腐蚀环境。城市供水系统、混凝土、海水腐蚀等领域 , 但未见有应用于铁道车辆的报道。而高 Ni 系列耐候钢主要为桥梁用钢。


日本新干线列车采用 Cu-P 系的Yaw-Ten50 钢 , 车辆自重降低了 7%;油罐车使用耐候钢制造后自重降低了22%, 载重量同时增加了 5t。印度的铁道车辆主要采用仿Corten-A 的 Sailcor-A 系列耐候钢。德国和瑞典广泛使用 Cu-P-Cr-Ni 系或Cu-P-Cr 系耐候钢制造车辆。其中瑞典钢铁公司研制的 Domex 系列耐候钢主要用于集装箱制造 , 屈服强度从 500MPa到 700MPa。


铁道车辆用钢的市场取决于铁路的发展 , 并与经济发展密切相关。随着我国国民经济的持续快速增长,我国单位公里所拥有的客货车数量还远不能满足经济发展的需要 . 据此推算 , 未来十年内 , 我国每年新造客车约3500辆,货车约40000辆。每年消费的耐候钢板卷在 35 万 t 以上。

 

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图3 我国近年来铁路营业里程的增长从实际情况看 , 使用耐候钢仍是铁道车辆的主要趋势 , 但需要进一步提高强度及耐腐蚀性能。目前 , 铁道部科学研究院金属及化学研究所也提出了重新使用中、低合金耐候钢的建议 , 要求新型耐候钢的耐蚀性能相对传统高耐候钢提高一倍 , 即相对腐蚀率在 25% 以下( 规定传统高耐候钢相对普碳钢的腐蚀率≤ 55%), 其力学性能等各项指标与传统高耐候钢相当。所以 , 高耐蚀性、高强度及低成本是铁道车辆用钢的主要发展方向。


高耐蚀性耐候钢的开发

 

铁路货车应用过程中不断受到大气环境腐蚀和动载荷磨蚀。恶劣的应用环境 , 迫使要求所使用的钢材具有高耐蚀性。我国普遍采用耐候钢制造铁道车辆,但是耐大气腐蚀性能 ( 相对腐蚀率、试验室加速腐蚀试验性能 ) 目前只能达到普通结构钢的两倍左右 , 即使配合涂漆 , 还是无法彻底解决钢板在使用过程中的锈蚀问题。国外虽采用不锈钢代替耐候钢制造铁道车辆 , 但成本高 , 同时还有焊接、加工等应用技术问题需要解决。因此 , 开发一种耐腐蚀性能在目前耐候钢的基础上再提高一倍,并且具有优良的低温韧性和优良的焊接性能的耐候钢 , 成为研究人员的主要任务。


高强度铁道车辆用耐候钢的开发

 

减轻车辆自重的有效措施之一就是采用高强度铁道车辆用钢。以敞车为例 , 美国一般车辆的自重系数为0.30 左右。据报道 , 新研制的载重为110.2 ~ 122.8t 的敞车 , 自重系数达到0.18。我国 C64 型主型敞车 , 载重 61t,自重系数为 0.366。因此 , 开发高强度铁道车辆用耐候钢也是研究人员的主要任务。高强度耐候钢的开发还要考虑用户的使用问题及焊接、低温冲击、冷弯加工等问题。


低成本铁道车辆用耐候钢的开发

 

采用低成本钢材是降低铁路运营成本的有效途径之一。进行耐大气腐蚀的机理分析 , 通过合金成分调整及工艺改善 , 开发性能优良的低成本耐候钢产品成为耐候钢研究开发的一个发展趋势。


南钢开放参观

 

为了探究耐蚀钢的现代化生产过程,我们一行人专程来到南京钢铁集团有限公司(以下简称”南钢“)参观其耐蚀钢生产线。近些年,南钢采用”产学研用“一体化研发思路,并与中国腐蚀与防护学会深度合作,利用平台大数据,先后开发了原油船货油舱用耐蚀钢、滨海免涂装用耐蚀钢、海洋坏境用耐蚀钢筋等三大系列 27个耐蚀钢。同时耐蚀钢控制技术成功应用于船舶、海洋平台等常规钢,潜在提高了普通海洋用钢的用户使用性能,提高了产品销量和品牌度。其中,由南京钢铁股份有限公司与北京科技大学新材料院李晓刚教授团队合作的”新型系列耐腐蚀结构钢开发关键技术创新及产业化“项目,获得了江苏省科技进步一等奖。

 

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参观耐蚀钢生产现场

 

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参观南京大气站

 

此次南钢之行,我们直观了解了高品质耐蚀钢从冶炼、轧制、加工到产出的全流程生产及控制过程,深刻体会到钢铁产业的发展模式早已摒弃了过去的粗犷式生产,取而代之的是高新自动化技术和集成控制技术的深度融合,同时感受到我国重要钢铁企业借着”一带一路“的春风,在提高钢材品质,改善过剩产能,提高盈利能力,使钢铁产业复苏的重大决心与不懈努力。相信我国高品质耐蚀钢的发展会越来越好!

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