一、研究的背景与问题
调查表明，因为腐蚀报废的金属材料、设备及构件约占年产量的20%左右，腐蚀所造成的损失巨大。2014年腐蚀给中国带来的直接和间接经济损失高达2.1278万亿元，占国家GDP的3.34%。其他国家也陆续进行了调查，结果表明金属腐蚀造成的经济损失大致为该国国民生产总值的4%。因此提高构件的耐腐蚀性能意义重大。
由于钢的强度高、自重轻，具有良好的塑性和韧性；跨越大江大河、深山峡谷的大跨度桥梁均采用钢桥，如跨径1385m的江阴长江大桥，主跨550米的卢浦大桥等。但采用普通钢制造的钢桥具有容易生锈的缺点。为保证钢桥在设计年限内的长期使用安全性，做好钢桥的防腐十分重要。腐蚀问题是影响钢桥长期使用安全性能的重要问题。随着我国交通基础设施建设的发展，大跨径钢结构桥梁的建设急剧增加，桥梁钢结构防腐问题到重视。目前，钢结构的防腐蚀措施主要有以下四种：热浸锌、热喷铝(锌)复合涂层、漆涂层法和阴极保护法。涂层防护因其施工方便，相对而言应用广泛。人们曾经在涂装的耐久性上采取不少措施，并取得了成功，使得涂装的使用期限大大延长；即使这样，再次涂装无法避免，涂装费用十分可观，而且无法从根本上消除隐患。
随着我国经济建设高质量发展和“一带一路”战略实施，对跨海大桥的耐蚀性提出了绿色和长寿命的设想。从材质上考虑，开发一种难以锈蚀的并且在适宜的环境中可以免涂装造桥的桥梁钢将极大的降低全寿命成本。但是由于大气腐蚀中海洋大气腐蚀尤为严重，给我国向海洋领域的发展带来了一定阻碍，因为海洋大气环境具有高湿热高盐分特点，环境因素更加恶劣，对桥梁钢的耐蚀性能要求更加严格。因此对高湿热耐候桥梁钢的开发十分必要。为了填补我国空白，研制出耐海洋大气腐蚀桥梁钢的意义重大。
二、解决问题的思路与技术方案
1、总体思路
鞍钢已开发出性能优良的耐高湿热海洋大气环境腐蚀桥梁钢，其技术路线如图1所示，首先要经过大量的腐蚀试验筛选出最优的成分体系；其次根据最终的成分设计出最优生产工艺；最终并结合户外曝晒试验与环境因子的检测确定耐海洋大气腐蚀桥梁钢使用条件。
图1 技术路线图
2、耐候性解决方案
众所周知，耐候钢中常见主要的添加元素有Cu、P、Ni、Si等。Cu作为耐候钢中合金元素最重要，目的是提高钢的耐蚀性。以上的这些合金元素复合添加，可以获得比分别单独添加更高的双重效果。为了摸清最优的成分配比，就要通过大量的中试研究，不断调整成分配比。经过这样多轮的实验研究，最终设计出以低碳复合添加Ni、Cu等耐候元素的1Ni系耐海洋大气腐蚀桥梁钢。
3、力学性能解决方案
鞍钢1Ni耐海洋大气腐蚀桥梁钢的成分体系确定后，为了极大的提升钢板的性能，其生产采用先进的TMCP轧制工艺。只有这样在保证优良耐候性的同时，该钢种还具有高韧性、高强度、抗断性以及良好的焊接性等特点。目前鞍钢生产的1Ni系耐海洋大气腐蚀桥梁钢的强度级别涵盖了345、370、420MPa三个级别，部分实物钢板拉伸和系列温度冲击性能如下表1、2所示，可以看出该系列钢种屈强比低，冲击韧性优良。
表1 鞍钢1Ni系耐海洋大气腐蚀桥梁钢板拉伸性能
表2 鞍钢1Ni系耐海洋大气腐蚀桥梁钢板系列温度冲击
通过对鞍钢实际供货生产的1Ni耐海洋大气腐蚀桥梁钢板（Q370qENHY-I）的性能进行统计，如表3、4所示，可以看出实物钢板横纵向性能均满足要求且较为均匀；冲击韧性优良，-40℃冲击功值在200J以上。
表3 鞍钢Q370qENHY-I部分供货钢板拉伸结果
表4 鞍钢Q370qENHY-I部分供货钢板冲击结果
NDT落锤试验方法在桥梁、海洋工程等领域得到了普遍重视和广泛应用。NDT温度也是工程结构防断设计的一个重要的定量判据，即只要结构材料的NDT温度低于结构的最低使用温度便具有足够的抗脆断安全性能。落锤试验方法测定NDT温度，就可以确定材料的使用温度，可以求得在设计应力下，防止脆性断裂所允许的最大裂纹尺寸，或者由裂纹尺寸来得到发生脆断的最小应力。因此在实验室进行了1Ni钢3个规格钢板的落锤试验，试验结果示于表5。可以看3个规格钢板的NDT温度都很低，最低温度达到-100℃。
表5 鞍钢1Ni钢NDT结果
4、适应性解决方案
解决跨海桥梁的耐蚀性，不仅取决于钢材的自身耐蚀性的提高，并且与桥梁周围环境的腐蚀性有很大关系。耐候钢想免涂装应用的先决条件之一是材料的耐候性要与桥址环境相匹配，因此对桥址环境评价和基于该评价确定材料如何使用十分重要；而我国在这方面的数据几乎空白。鞍钢开发出1Ni系耐海洋大气腐蚀桥梁钢后，迅速与设计院和高校合作，先后在国内的福建、深圳、青岛、南海；以及国外的马尔代夫、泰国等地开展了大量的长期曝晒试验，其间成功推动了我国首座免涂装跨大桥——泉州湾大桥的建设
2016年为了解决新建福夏客专泉州湾跨海大桥选材及钢材如何使用难题，在福建的长乐、泉州、平潭等海洋环境比较恶劣的岛屿等地进行1Ni系桥梁钢的实地挂片曝晒试验，并对当地的环境因子进行测试，如图2、3。在获得了宝贵的耐高盐高湿海洋环境腐蚀数据的基础上，进行了1Ni钢腐蚀寿命的预测。通过腐蚀预测模型，最终得到鞍钢Q370qENHY-I耐海洋大气腐蚀桥梁钢在泉州湾桥址环境下50年后钢板厚度腐蚀减少量小于0.4mm的结论，具备裸露使用的条件。
图2 泉州湾跨海大桥桥址试验点
图3 氯离子沉积量采集和期间风向
三、主要创新性成果
1、针对高温、高湿、高盐的严苛海洋大气腐蚀环境，利用耐蚀元素的组合，成功研发出适用于耐海洋大气环境腐蚀桥梁钢成分体系。该钢种具有良好的耐海洋大气环境腐蚀特性，在腐蚀的过程中自身生成致密稳定的钝化锈层，阻止海洋大气环境中氯离子的渗透，可实现桥梁制造和维护时少涂漆甚至是免涂漆，充分体现了“以锈治锈”理念；在合适的条件下可替代目前沿海桥梁普通钢+涂装的应用方式，避免了海洋大气环境中长期腐蚀下的多次涂装维护，降低后期运营维护负担，减少全寿命周期成本。
2、通过采用多相组织控制的TMCP轧制技术，在保证优良耐候性的同时，生产出了345MPa、370MPa和420MPa，且具有高韧性、抗断性、低屈强比及良好的焊接性等特点的桥梁钢。该系列钢种是一种带有绿色基因兼具超低碳理念的高性能桥梁钢，其综合性能达到国际先进水平。
3、鞍钢引领了国内耐海洋腐蚀桥梁发展方向。形成授权发明专利1项，授权专有技术1项，制定并发布团体标准1项。
四、应用情况与效果
鞍钢开发的Q370qENHY-I桥梁钢被成功应用福夏客专工程。该工程北起福州市，途径莆田市、泉州市、厦门市，南至漳州市，既可构建京福厦高速铁路客运通道，也是沿海铁路客运通道的重要组成部分，设计速度350km/h，为我国第一条真正意义上的海洋服役环境高速铁路工程，项目为国家重点工程、福建省1号工程，建成后将为中国高速铁路2.0版的代表作。其中的泉州湾跨海大桥是重点控制性桥梁，大桥的索塔钢锚梁免涂装使用了Q370qENHY-I耐海洋大气腐蚀桥梁钢，且不设除湿系统。可以说泉州湾跨海大桥是我国首座海洋大气环境的耐候钢桥和全球首座采用免涂装耐候钢的跨海工程。
图4 泉州湾跨海大桥及免涂装钢锚梁
可以说鞍钢1Ni系耐海洋大气环境腐蚀桥梁钢作为“绿色环保钢种”，为国家的绿色制造理念增添了新材料。解决了严酷海洋环境重大装备与设施长效防腐和安全服役的选材的难题。在严苛环境下涂装使用可保证装备结构20年周期内免维护，100年使用周期内仅维护5次。如果在普通沿海大气环境下免涂装使用，以中型桥梁计算，其全寿命成本可以减少21.8%。
