高强度桥梁缆索用钢研究现状和发展趋势

刘祥 ，孙浩博 ，张俊峰 ，安绘竹 ，徐曦 ，于福海

（1.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；3.鞍钢股份有限公司线材厂，辽宁 鞍山 114042）

悬索桥是是现代大跨度桥梁最主要的建设形式，其结构是通过悬挂与塔桥和两端的缆索和吊索拉起桥面，具有节省材料，自重轻等优势。主缆是悬索桥的主要承重构件，主要承受拉力，其强度与性能是建设悬索桥的重要工程因素，因此高强度桥梁缆索用钢的开发一直受到世界各国的重视。

1 国内外高强度桥梁缆索用钢的发展

1.1 国外高强度桥梁缆索用钢的发展

世界上第一座现代化悬索桥是建于19世纪末的布鲁克林大桥，其跨度仅500 m，主缆钢丝采用热镀锌钢丝，强度约为1 200 MPa。20世纪后半叶，随着世界经济复苏，悬索桥缆索制造技术得到迅速发展，20世纪80年代各国桥梁缆索用钢丝的强度基本达到了1 570 MPa；到20世纪末主要发达国家生产的桥梁缆索用钢丝强度已达到1 670 MPa；而建成于1998年的明石海峡大桥，采用新日铁公司专门为其开发的SWRS82B作为主缆钢丝材料，其强度达到1 770 MPa。进入21世纪，我国与韩国在高强度桥梁缆索的研发与应用处于领先地位，韩国2014年建成的李舜臣大桥和蔚山大桥首次应用了强度为1 860 MPa和1 960 MPa级别的主缆钢丝［1-2］。

1.2 国内高强度桥梁缆索用钢的发展

我国现代悬索桥建设虽起步较晚，但起点较高，且发展迅速。1995年我国建成了第一座现代化悬索桥——广州湾汕头海湾大桥，其主缆索强度约为1 570 MPa；2005年通车的江苏润扬大桥，其主缆强度超过1 670 MPa；2008年建成的西堠门大桥，主缆强度为 1 770 MPa，达到国际先进水平［3］。近年来，国内桥梁缆索用钢产业取得长足发展，具备了研发先进高强度桥梁缆索用钢的能力，如兴澄特钢、青岛特钢、宝武集团等成功开发了1 960 MPa和2 000 MPa级别的高强度桥索钢丝，并先后应用于2019年的杨泗港江大桥、广东虎门二桥和2020年的沪通长江大桥；正在建设的伶仃洋大桥已采用强度2 060 MPa级别桥索钢丝作为主缆，并已进入主缆施工阶段；计划中的常泰大桥设计使用强度2 100 MPa以上的桥索钢丝，兴澄特钢、青岛特钢、宝武集团均已开展了相关研究［4-8］。

2 高强度桥梁缆索用钢丝的服役特点、要求及现状

随着社会需求的增长，对大跨度现代悬索桥梁的使用性能和安全性的要求不断提高。高强度桥梁缆索用钢丝是现代大跨度悬索桥建设的基础，因此研制更高性能、更具可靠性的桥梁缆索用钢丝成为国内外桥梁建设的重要研发课题。

2.1 钢丝强度

桥索钢丝强度是悬索桥设计中的重要参数，主要包括抗拉强度Rm和塑性延伸强度Rp0.2，国内外相关标准通常以抗拉强度评价钢丝强度级别［9］。高强度钢丝不仅能提高主缆的承载能力，为更大跨度的桥梁建设提供条件，也能够节省缆索用量，节约成本。据统计，主缆热镀锌钢丝强度每提高100 MPa，可使主缆用料减少10%。

桥索钢丝的强度主要由盘条初始强度、拉拔和热镀过程强度和韧性变化决定。由于生产盘条直径一般小于14.0 mm，冷拔成钢丝的总压缩率低于70%，冷拔过程产生冷作硬化效应不明显。因此，通过优化产品成分设计和配置合理的热处理工艺提高盘条初始强度与抗热镀软化能力成为高强度桥索钢开发的主要研究方向［10］。

2.2 扭转性能

扭转性能是钢丝在单向扭转时的塑性变形能力，早期多数国家并不将其作为考核指标，仅日本对桥梁缆索用钢的扭转性能有严格标准。随着大量跨江、海悬索桥梁的建设，大风、车辆震动等都会使桥索承受一定的扭转载荷，因此扭转性能逐渐成为评判桥梁缆索钢丝安全性的重要标准，我国相关标准也对不同级别钢丝的抗扭转能力做出了要求。

扭转性能受复杂因素影响，早年研究表明：珠光体层片间距、组织均匀程度扭转性能影响显著，层片间距小，晶界数量多，扭转性能更好；热镀锌过程中，钢丝中渗碳体片层受热球化形成渗碳体颗粒，对位错产生钉扎作用，造成内部缺陷，影响扭转性能。通过优化化学成分、添加合金元素，可有效改善钢丝组织，提高钢丝的热稳定性。采用合适的热镀锌工艺，也能够减轻渗碳体球化对钢丝性能的影响［11］。

近年来，研究钢丝微观组织、织构与扭转性能关系的研究报道逐渐增多。赵敏等通过实验发现，钢丝的{110}织构强度对扭转性能存在显著影响，钢丝扭转性能随{110}织构强度增大而降低；东南大学蒋建清团队对钢丝拉拔过程中珠光体组织、织构取向变化、组织层状撕裂机理、扭转断口形貌分析等方面进行研究，力求探索出通过改善微观组织来提高钢丝强度、扭转性能的有效方法［12-18］。

2.3 抗腐蚀性能

桥梁缆索长期与潮湿空气环境接触，在污染地区易受酸雨侵蚀，为保证桥梁的安全性，桥梁缆索钢丝要具备良好的抗腐蚀性。热镀锌法具有操作简便、可靠耐用、成本低廉等优点，广泛应用于钢丝、板件耐腐蚀处理。Zn镀层与大气接触，其表面会迅速氧化，形成的致密的保护膜，屏蔽外界环境对被镀零件的直接侵蚀；而Zn的电极电位较Fe低，一旦发生电化学腐蚀，可作为阳极先于被镀零件损耗，兼具阴极保护法的效果。热镀过程中，锌液与基件表面Fe相互扩散形成合金层，使镀层与基体结合更加牢固。

但Zn镀层存在腐蚀产物疏松、高温易腐蚀等缺陷，且Zn-Fe合金层塑性较差，在长期应力作用下易产生裂纹，影响缆索使用寿命。为进一步提升镀层的综合性能，70年代后Zn-Al合金镀层得到了开发和广泛应用。Al具备与Zn类似的耐腐蚀特性，且与Fe具有更好的亲合力，能够形成韧性更好的Fe-Al合金层，减少硬脆的Fe-Zn合金层生成。比利时研发的Galfan（Zn-5%Al-Re）镀层在国内应用最广，虎门二桥、沪通大桥等主缆钢丝上都有应用。目前对Zn-Al-Mg三元合金镀层的研究与开发已成为国内外钢材表面防腐研究的热点，Mg能够优化合金层，使其更薄更致密，同时其腐蚀产物可以降低溶解氧的扩散速度，减缓镀层的电化学腐蚀。日新制钢早在1988年就研制出了Zn-Al-Mg系合金镀层，随后新日铁、塔塔钢铁、蒂森克虏伯等公司也先后开发出不同种类的Zn-Al-Mg镀层，其抗腐蚀能力为Zn-Al镀层的5～8倍。2019年初，宝钢集团开发出适用于桥梁缆索用钢丝的Zn-Al-Mg镀层，并具备工业化生产能力［19-20］。

3 高强度桥梁缆索钢丝用钢成分设计特点

成分设计是提高盘条强度、改善盘条性能的重要方法。日本对高强度桥梁缆索用钢的研究起步最早，20世纪末，新日铁开发了SWRS82B钢，化学成分见表1。国内外后续高强桥索钢的开发主要是以此为基础，通过优化成分设计和添加强化合金达到更高性能［5］。

表1 SWRS82B钢化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in Steel SWRS82B（Mass Fraction） %

3.1 C元素

C是决定钢铁材料强度的重要元素。随着C含量增加，组织中会形成更多渗碳体，使索氏体片层间距减小，材料抗拉强度、硬度不断提高，塑性不断降低。超高强桥索钢材料C含量通常大于0.82%，属过共析钢，随着含C量增大，材料轧制过程中更易在晶界间产生网状碳化物，影响盘条性能。因此，桥索钢材料的C含量一般控制在1.0%以内。

3.2 Si元素

Si是钢铁材料常用强化元素，Si在钢中与C形成化合物，以固溶形式溶于铁素体和奥氏体中，加大Si含量可以降低珠光体中C元素的偏聚，对材料的抗拉强度有显著的强化作用。高含量Si可以抑制渗碳体受热分解球化，提高钢丝抗回火软化能力，降低热镀锌造成的钢丝软化现象。同时高含量的Si也能提高材料的屈服强度和屈服比，使材料弹性极限升高。但是，Si含量增加会降低材料的塑性和韧性。因此，桥索钢材料的Si含量一般控制在 0.3%～1.5%［21］。

3.3 Mn元素

Mn元素可以提高钢铁材料强度，也常用作炼钢脱氧剂和脱硫剂。Mn可固溶于铁素体和渗碳体中，其溶于渗碳体的浓度高于铁素体，渗碳体中的Mn可阻碍其球化，提高材料的热稳定性，减少镀锌过程中的强度损失。Mn还具有降低临界冷却速度的作用，可以显著提高淬透性。由于Mn在冶炼过程中易产生偏析，因此Mn含量一般控制在1.0%以内。

3.4 Cr元素

Cr是常用的强化合金元素，可固溶于渗碳体，也能置换钢中Fe原子生成（Fe，Cr）3C合金渗碳体，产生析出强化效应，显著提高材料的抗拉强度。同时，Cr也可减缓渗碳体球化的过程，抑制热镀锌过程中强度的降低，但过量的Cr会造成钢丝在扭转过程中出现分层断裂。因此，Cr含量一般不高于0.5%。

3.5 V元素

V是盘条生产中常用的强化合金元素，但在桥梁缆索用钢领域使用较少，含V桥索钢大多处于开发阶段。V在钢中主要以VC、VN、V（C，N）化合物形式存在，含V化合物在加热和轧制前期溶解于奥氏体中，抑制奥氏体晶粒长大；在线材轧制控冷阶段，V化合物在相变过程中析出，起析出强化作用，显著提高材料的抗拉强度和屈服强度。在过共析钢中，VC化合物的生成能够降低周围组织C浓度，抑制先共析渗碳体生成，同时VC颗粒的析出可以阻碍连续网状碳化物的产生。V含量过高，碳化物析出过量会严重影响材料的塑性，因此V 元素用量一般在 0.06%以下［22-23］。

4 桥梁缆索用钢盘条热处理工艺发展现状

桥梁缆索用钢是高碳合金钢，其组织为索氏体化率极高的珠光体结构。因此，桥梁缆索用钢的生产需要合理的控轧控冷和热处理工艺来保证产品的性能。斯太摩尔工艺（DP）是国内外线材产线普遍采用的控轧控冷方法，其采用风机风冷降温，通过改变辊道速度、风速、入口风量来控制线材的相变过程。但由于风冷冷却能力不稳定，同时存在搭接点与非搭接点冷却不均匀等问题，经常导致线材不同部位出现明显的差异。因此，高强度桥梁缆索用钢盘条通常需要再次铅浴冷却、盐浴冷却、水浴冷却等工艺提高组织性能。

4.1 铅浴冷却（LP）

铅浴冷却工艺最早由英国发明，至今仍广泛用于钢丝、钢绳的生产。其工艺过程是将重新奥氏体化的盘条，浸入熔融态的铅液中，利用450～550℃的铅液进行等温淬火，完成组织相变。由于铅液温度与索氏体转变温度相近，盘条经铅浴冷却可以得到索氏体化率高于95%的组织，具有良好的力学性能。但铅液本身具有毒性和易挥发性，使用中会对环境和操作人员的健康造成严重危害。而且，铅浴冷却工艺属于离线热处理，需要将盘条再次加热，还存在操作复杂易挂铅等问题，导致生产成本较高。因此，国家已出台政策停止新建并逐步淘汰铅浴炉，同时鼓励更节能环保的替代工艺的开发［24］。

4.2 盐浴冷却（DLP/QWTP）

盐浴冷却工艺目前是替代铅浴的主流热处理工艺，其采用熔融硝酸盐（KNO3、NaNO3）代替铅液，实现对盘条的恒温冷却。根据刘澄等［25］的研究，盘条经过盐浴冷却组织索氏体化率可达到95%，产品性能达到了铅浴水平。与铅液相比，盐对环境的危害更小、更易控制，且盐具有优秀的水溶性，可避免出现“挂铅”问题。

1985年日本新日铁公司建成了DLP（Direct In-line Patenting）在线盐浴工艺生产线，如图1所示，DLP工艺核心冷却设备有冷却槽和恒温槽两个盐浴装置，冷却槽用于控制盘条冷却速度，使盘条在合适的温度下进入恒温槽完成索氏体转变。DLP工艺无需将盘条重新奥氏体化，大大降低了生产成本，目前仅新日铁掌握相关技术［26］。国内企业青岛特钢也研发了离线盐浴QWTP技术来替代铅浴，QWTP（Qingdao Wire Toughness Patenting）技术工艺流程与铅浴类似，需要将盘条重新加热，但在冷却温度控制方面更加优越。青钢已采用此工艺实现1 960～2 000 MPa级别高强度桥梁缆索钢丝的生产，其产品已经成功应用于虎门二桥、沪通大桥的建设［26-27］。

图1 DLP工艺流程图Fig.1 Process Flow Chart for DLP

4.3 水浴冷却（EDC/XDWP）

水浴冷却工艺很早就应用于线材和钢丝的生产中，其原理是将线材浸入沸水中，利用水汽化吸热来吸收线材表面的热量，EDC（Easy Drawing Conveyer）工艺流程如图2所示。

图2 EDC工艺流程图Fig.2 Process Flow Chart for EDC

水浴冷却使用水作为冷却介质，在冷却过程中只产生无害的水蒸气，不仅降低成本也符合绿色环保的工艺发展方向。但是，水浴冷却工艺无法实现等温淬火，也难以在冷却过程中控制温度，因此，相变过程不稳定，组织索氏体化率≥90%。铅浴、盐浴、水浴冷却组织如图3所示。

图3 不同冷却方式盘条金相组织Fig.3 Metallographic Structures in Wire Rods with Different Cooling Methods

因此，水浴冷却工艺并没有在高速线材产线中得到广泛应用。目前，国内外研究主要集中在向水中加入有机溶剂，增加水的黏度，使线材表面在冷却过程中形成一层稳固的薄膜，延长膜态冷却的过程，实现类似等温淬火的稳定冷却条件。兴澄特钢自主研发的XDWP（Xingcheng Direct Water Patenting）水浴冷却技术，以水和RX添加剂作为冷却介质，已成功生产出1 960 MPa、2 000 MPa级别高强度桥梁缆索钢丝，并对虎门二桥和沪通大桥的建设提供了小批量产品。水浴冷却工艺在高强度桥梁缆索用钢生产领域具有巨大潜力和潜在的经济效益，但目前工艺尚不成熟，其在高速线材产业的工业化生产还需要进一步探索［28-29］。

5 结论与展望

（1）Zn-Al-Mg合金镀层是目前性能最佳的耐腐蚀镀层，日本、美国、德国等已开始工业化生产，国内Zn-Al-Mg合金镀层起步较晚，近年来已得到初步应用，并正在推进工业化。

（2）成分设计是提高桥梁缆索钢丝强度、减轻钢丝热镀软化的重要方法。目前，国内外高强度桥梁缆索用钢成分主要以SWRS82B为基础优化设计而来。随着桥梁缆索用热镀钢丝强度需求的进一步提高，现有成分体系已愈发难以满足要求，因此，更高强度桥梁缆索用热镀钢丝成分体系成为亟需研发的课题。

（3）盘条热处理工艺方面，在国家环保政策推动下，盐浴冷却工艺取代铅浴成为生产高强度桥梁缆索用钢的主流热处理工艺。新日铁开发的在线盐浴（DLP）工艺生产效率较高；国内青岛特钢开发的离线盐浴（QWTP）工艺强温度控制能力更强，但生产效率较低，成本较高。水浴冷却（EDC）工艺使用水与有机溶剂混合液体作为冷却介质，符合绿色环保的工艺发展方向，具有良好的发展前景。但工艺尚不成熟，未成功进行大规模工业化生产。

（4）随着国内钢铁企业冶金技术和线材产品制造技术的提高以及新设备、新产线的建立，我国不仅实现了桥梁缆索用钢的国产化，还在高强度桥梁缆索钢丝的研发与应用上处于世界领先地位。近年来，在国家的推动下，主缆设计强度在2 000 MPa以上的伶仃洋大桥、燕矶长江大桥等更大跨度的悬索桥已陆续开始建设，对桥梁缆索用钢的性能提出了更高的要求，也为国内桥梁缆索用钢丝产业的发展提供了新的机遇。