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学术研究----科技服务
用双相不锈钢建造桥梁
造船委 陈国虞
    1 前言
    1932年双相钢第一次用于制造一台大型冷却器（图1），成为用双相钢制造大设备的鼻祖。但是由于制造大型的船舶和桥梁需要焊接，焊缝自然冷却，一般不进行热处理，因此不易控制σ相的析出，从而降低防腐能力。所以没有造大桥和大船。
    经过近年的研究，控制焊缝的热制度以得到需要的冷却速度；配制合适的填充材料以及保护气体的正确配比。可以得到耐腐蚀的焊缝[1]。所以开始造大桥和大船。
    用不锈钢造桥，尤其是用双相不锈钢造桥需要比较高的焊接水平，在开工前需要对钢材、焊接材料、焊工和焊接工艺进行焊接工艺评定。船厂建造过比较大的双相钢船，为在船厂建造双相不锈钢桥创造了很好的条件。船厂应用的实例：供出口的、载重量为18500t的化学品油船 Valerie号，总长164.34m，船宽23m，型深12.8m，该船货舱为双层结构内层为双相不锈钢与外层碳钢结构焊连接。货舱的结构除了有通常的横隔舱壁之外还有纵隔壁。将货船分为左右对称的16个整体重力液货舱和两个污液舱，可同时运送18种不同的液货，整体货船的双壳、双底结构对变形控制的要求比桥梁的箱梁严格，该船每艘使用1200t双相不锈钢，通常把船体看作一条焊成整体的梁，这条梁重约4000t。该船首批建造6艘[2]。
    1994年武昌造船厂在西陵长江大桥（悬索桥）招标时一举中标，到今天，该厂已建造过30 座桥梁的箱梁。船厂建造箱梁，采用造船特种型钢——球扁钢、在船厂内工厂化生产箱梁分段、水运到工地吊装以及用环缝将分段焊成整根主梁等工艺方法，便得到逐渐推广使用。体现出桥梁建设低成本、好质量、高效率并在某些地方达到前所未有的技术水平。
    2. 世界上用双相不锈钢建桥的实例
    2.1 瑞典。斯德哥尔摩的阿佩特桥(Apate-bridge) [3]
    该桥位于斯德哥尔摩市中心的一个居民点，是一座人行桥，与周边环境很协调，好象隐没在两岸的绿化带与绿色运河水的环境中。
    斯德哥尔摩市是一个海港城市，运河通海，分布市内。该桥横跨思克拉（Sickla）运河，环境兼有海洋大气和城市大气，除了有盐水之外，还有冬天的融冰盐。腐蚀条件严峻，又要求景观好，所以用双相不锈钢建造是非常适当的。
    该桥长62m，除行人外还预定通行救急车辆，此外还要求最短服役寿命为120年，要求比较低的维修成本，还要求吸引人。现在，桥建得轻巧美观，当然与双相不锈钢的高强度以及设计建造的高水平有关。
    此桥划为3个分段，用2205双相不锈钢在车间预制，然后在现场用浮吊安装，焊接成一体。所以桥的型线非常流畅光顺。成本也较低，仅比碳钢高30~40%，预计碳钢在服役期间几次涂装的费用加起来，高于这个成本。但用双相不锈钢建造的初投资要大一些。
    2.2 西班牙的梅诺卡 (Menorca) 桥
    西班牙大陆东海岸的东边、地中海的梅诺卡岛上，有一座横跨阿尔坚达(Algendar)河的梅诺卡桥，这是欧洲第一座由于环境苛刻，碳钢腐蚀严重，使用了30年后，改用双相不锈钢重建的桥梁。
    原为多跨梁式桥，现为单跨中承拱桥，桥长55m。承重部件完全用2205双相不锈钢建造，（路面用增强水泥），构件由双相不锈钢中厚板应用等离子切割成具体的形状与尺寸，焊接坡口处也经过精心加工的。
    2.3西班牙毕尔巴鄂（Bilbao）市的人行桥（Footbridge）
     西班牙北部、大西洋东岸、靠近法国的毕尔巴鄂市，是一个海港城市，河渠纵横临街而修，有一条跨运河的人行小桥是用双相不锈钢修建的。
     此桥用的是2304双相不锈钢，此钢号由于屈服点比2205低一级（400︰450MPa）；镍、铬元素用得比2205 多（镍的含量为6.5︰5.5%；铬的含量为25︰22%；），因此该钢号现在用得比较少。
    2.4 新加坡的行人景观桥
    新加坡也是一个港口城市，西面是马六甲海峡，东北方向与我国的南沙群岛相望，海洋大气环境，腐蚀情况比较严峻。新加坡又是一个旅游城市，用双相不锈钢建造免维修的、永远闪闪亮的行人观光桥是顺理成章的事情。
    该桥计划于2007-2008年建成，选用2304还是2205钢号还没有最后公布。该桥将建于新加坡的马温拿湾（Marina bay）。
    2.5 英国约克郡（York）的行人景观桥
    英国的约克郡（York）于2001年建成的千年纪念桥，它是由2205双相不锈钢建造的行人景观桥。
    2.5 中国香港昂船洲大桥塔顶用双相不锈钢建造 [4]
    中国香港昂船洲大桥为斜拉桥，全长1596m，主跨长1018m，两边各有4跨约70m的边跨（见图8a）。该桥横跨蓝巴勒海峡，位于香港市区，背景为繁忙的集装箱码头，除了需要抵御严峻的海洋腐蚀环境之外，还是一座具有多项美学特点的地标性建筑物。设计使用寿命为120年。所以用双相不锈钢建造是很多设计工程师必然的选择。
    香港昂船洲大桥采用双独柱塔，桥塔高达298m，塔顶部以下118m为钢结构（见图7），选用2205钢号的双相不锈钢，（最顶部5m为玻璃），20mm厚的双相不锈钢板作为外表，内浇灌800mm厚的混凝土圆形塔壁，两者之间用剪力键连接。塔内一层一层地安放斜拉索的锚固箱。由英国安康公司（Ancon Building Products Ltd。）焊接预制了一个模型分段，包括：双相不锈钢外板，双相不锈钢组件和剪力键。
    2.6 挪威山区步行桥
    挪威山区，一个叫里克荷佛山（Likehofossen）的地方，用LDX2101双相不锈钢建造了一座步行桥。该桥横跨于小溪之上，其环境是有雨和雪融化水。交通不便，要求减少维修保养，乃用不锈钢。设计者选择双相不锈钢首先是因为其高强度，
    所选用的LDX2101牌号双相不锈钢的特点，首先是便宜而强度高，它的屈服强度是属于450MPa级的，但所含合金元素较少：（中限值）铬21.5%，镍1.5%，钼0.3%。因此它的成本系数仅为0.49.( 成本系数是以奥氏体不锈钢1.4301作为1 计算的, 1.4301就是Я1T,中国叫铬18镍9)。由于含氮量为0.22%，耐腐蚀性较好，而被称为双相不锈钢中的新一代节约型合金。
    意大利东部，佛罗伦萨的南边，暗伯郎（Ombrone）河的上游，锡耶纳（Siena）市郊 的鲁佛罗（Ruffolo）桥。也是用LDX2101双相不锈钢建造的一座横跨公路和铁路的步行桥。设计者选择双相不锈钢首先是它能达到表面美观和降低维修保养成本。该桥所在的锡耶纳市郊的气候是典型的、交通繁忙的郊外，附近没有重工业区。
    双相不锈钢的高强度被充分利用以减少桥梁重量和降低成本。该桥长约50m，用双相不锈钢中厚板在车间焊接成分段，再运到现场组装而成。
    由上面两桥看出其共性，山区多雨雪，不易维修。腐蚀环境中等，但希望一劳永逸。 这时选用双相不锈钢中的新一代节约型合金LDX2101，是比较合适的。
    2.8 跨线桥、栏杆、灯柱及其他
     跨线桥的施工位置受限制，要求桥梁轻、少维修（最好不要影响另外一条交通线的运行，公路跨铁路时，这项要求尤为突出）、寿命长，设计者选用双相不锈钢是最合适不过的了。在腐蚀环境严峻的地方，配套使用双相不锈钢的栏杆、灯柱及其他桥梁组件是顺理成章的。
    2.9 中国江苏昆山的一座桥
    上面举出世界上8处用双相不锈钢建的桥，欧美的较多，与这些国家的不锈钢应用广泛有关。
    
  
    建在中国昆山市的樾河桥（现称玉峰大桥），由同济大学陆宗林教授约请陈国虞研究员进行钢种选择和报价，其中锻件（包括销轴、叉耳、锚杯、锚杆、挡块、螺钉、螺帽、垫圈等，）由浙江天宝钢铁集团（TBS）报价供应，共1452件，7255.837kg，选用的S31803 (2205) 钢号是一种中等的普遍采用的双相不锈钢，性能和成分列于下节的表中（其成本系数为2.11——以1Cr18Ni9Ti为1）；钢丝绳选用的是沉淀硬化型不锈钢0Cr17Ni7Al，此钢制绳有成熟的工艺，可供应冷拉状态和沉淀硬化状态两种钢丝（GJB3320-1998），当钢丝直径为0.2～3mm时，冷拉状态的抗拉强度为1920～1580 MPa； 沉淀硬化时效状态的抗拉强度为2250～2060 MPa，较1Cr18Ni9Ti高出20 % 以上，其金相组织为：奥氏体+铁素体+马氏体。本桥选用φ43和φ32两种钢心钢丝绳，但因设计选用的强度较低（1570MPa），所以，有可能并未选用此新钢号。
    3．双相不锈钢的特点
    以前，人们将“铬13”和“铬18镍8”两个系列的不锈钢用于制造结构零件，前者（铁素体的）在海水中耐腐蚀性能不好，后者（奥氏体的）屈服强度性能不够高。于是发展了既高强又能在海水中耐腐蚀的双相（铁素体+奥氏体）钢（见图16[5]）。
    双相不锈钢在海水中耐蚀性不低于18-8系列，而屈服强度为它的2倍。铁素体-奥氏体双相不锈钢，其中铁素体占50%左右（金相组织结构见图15）。该图给出单相的Cr13和18-8两种钢的金相组织图作为对比。
    双相钢是一个系列，有很多钢号，每个钢号有很多品种。在结构上应用的品种有4大类：钢板、管件、锻件和铸件。
    双相不锈钢除了强度高之外，耐点蚀、抗晶间腐蚀、尤其是在氯离子环境下耐应力腐蚀，再加上其膨胀系数与碳素钢相似，与碳素钢构成焊接构件时内应力小，且焊接材料在国内外均有供应，铸件焊补也有成功的实践经验，所以推广应用具备条件。
    双相不锈钢，因为它既高强又耐腐蚀，合金元素含铬多（比Cr13）含镍少（和18-8比），价格不会太贵（见下表）。桥梁要求结构零件重量比较轻，在海水腐蚀和海洋大气腐蚀场合 的，当然可以用双相不锈钢，所以双相不锈钢应该在桥梁建设中得到推广。
    4. 用双相不锈钢建桥的建议
    4.1钢种选择的建议
    根据世界上已经有的实践和以上的讨论，腐蚀环境从一般到严峻；合金元素从少到多；钢价从便宜到贵。推荐3级钢，如下表：
    一个行业刚开始使用双相不锈钢时，使用的钢号应该少，少了就集中，容易供应，容易实践。但是，设计者仍应该多方了解，详作比较。所以将一些双相不锈钢的成分和性能[6、7、8、9]列于下面两表中：
    4.2 关于焊接的建议
    关于焊接双相不锈钢共性的问题有：焊缝金属得到接近50%的铁素体；焊缝金属含氮量保持一定的水平；焊缝及热影响区尽量少的σ相析出；晶粒不应粗大；避免冷热裂缝等。
    采用的办法是：选择适应的焊接方法；控制焊缝的热制度以得到需要的冷却速度；配制合适的填充材料以及保护气体的正确配比。可以得到耐腐蚀的焊缝。
    现在用2205号双相不锈钢作为例子，原则性地说明怎样提高焊缝质量。2205号双相不锈钢是使用得最广泛的双相不锈钢，据作者所知也是制成最大的双相不锈钢结构的钢种。制造压力容器使用过最厚的钢板为54mm（双相不锈钢储罐最厚用过116mm）。其焊接性比较好，适应多种高效率的焊接方法。具体建议如下：
    1． 尽量不采用电阻焊。因为电阻焊冷却速度太快，铁素体含量太高，典型值为80-90%，奥氏体来不及析出；
    2． 热能量输入一般在0.5-3.0kJ/mm；
    3． 选用专为2205钢号设计的焊接材料，例如“Avesta Welding 2205”；
    4． 使用融化极电弧焊和等离子焊时保护气体中应加入氮气。
    5. 结语和建议
    结语：到目前为止用双相不锈钢建造的桥梁，只有60m长。中国香港昂船洲大桥桥塔的上部118m，用20mm厚的双相不锈钢作为桥塔的外层，是建造双相不锈钢桥梁最大的构件。建造双相不锈钢桥梁使用的是分段在工厂预制，到现场吊装焊接的工艺。这种工艺在船厂已经作过长164m，重4000t的双相不锈钢焊接整体梁。而太原钢铁厂现在已经成为世界第一大产量的不锈钢厂。所以说，用双相不锈钢建造大的桥梁，在我国是有条件的，
    建议：现在建造的桥梁中，斜拉桥和悬索桥占很大比例，能否研究用便宜的、高强的不锈钢制造斜拉索和悬索（比GJB3320-1998中的沉淀硬化钢0Cr17Ni7Al制成的钢索更高强、更便宜）。这样，不但对腐蚀环境严峻的桥梁有用，而且对现在由于腐蚀而需要更换斜拉索的桥梁也很有好处。