新日鐵纜索規(guī)范

1、解讀新日鐵橋梁纜索用高強度鍍鋅鋼絲按語：線材制品的生產工藝技術，各國都作為制造企業(yè)的“Know-how”，不予公開。中國由于歷史原因，這類知識產權在近期才逐步被重視。日本是非常關注這類技術的國家，除非為商務原因，一般工藝技術不予發(fā)布。原文為介紹新日鐵的橋梁纜索用高強度鍍鋅鋼絲，尋求用戶信任而推出的一篇文章。其主要內容，正如“摘要”所述：“為防止鋼絲扭轉裂紋，提高索氏體化盤條強度比增加拉拔的總變形量更為有效。硅和鉻兩種可提高索氏體化盤條強度和減少鍍鋅過程中強度損失?；谶@些發(fā)現，高強度鍍鋅鋼絲得以成功研制”。其中也敘述了一些工藝技術。作為商務宣傳，當然一般只講長處，回避不足，本公司謹以解讀形式，

2、提出我們的看法，供我國同仁和橋梁建設者參考。原文可從國際橋梁和工程結構聯(lián)合會(IABSE)的雜志（Structural Engineerign lnternatioal 3/2002）檢索。本文按原文順序，摘錄有關內容，隨后解讀有關條款，圖表都按原文譯制，謹此說明。原文強化途徑（Methods for strengthening）本文介紹提高橋梁纜索用鍍鋅鋼絲強度的方法，敘述直徑為5mm，強度1960MPa和直徑7mm，強度1770MPa鍍鋅鋼絲的力學性能。鋼絲生產過程包括盤條熱處理（對高碳鋼盤條加熱或奧氏體化，立即浸于500600鉛池或鹽池中急冷）或索氏體化、冷拔和450鍍鋅。強化途徑可用如

3、下之一：-提高索氏體化盤條的強度：-增加鋼絲冷拔的總變形量-增加鋼絲冷拔期間的加工硬化率-降低鍍鋅過程的強度損失選擇不同措施以最大限度減少韌性損失很重要。雖然平行鋼絲纜索中鋼絲并不扭曲，多年來，因為方便易行，常以扭轉實驗測試鋼絲韌性，并且該試驗在BS(英國)、DIN(德國)、JIS（日本）標準中都有規(guī)定。圖1是索氏體化盤條與出現裂紋時冷拉鋼絲強度的關系。這也表明，提高索氏體化盤條強度在提高鋼絲強度同時，防止裂紋產生，比提高冷拉總壓縮率有效。提高索氏體盤條強度的機理主要有：-改善珠光片狀間距：提高C（碳）含量、添加Cr（鉻）。-片狀鐵素體的固溶硬化和沉淀硬化：添加Si（硅）和V（釩）-提高滲碳體

4、的百分含量：增加C（碳）的含量。 .1. 索氏體化盤條強度（MPa） 鍍鋅鋼絲強度（MPa）圖1：索氏體化盤條強度對裂紋的影響 圖3：直徑為5mm和7mm鍍鋅鋼絲 強度與疲勞應力的關系解讀1冷拉鋼絲的塑性指標和韌性指標：冷拉鋼絲的塑性和韌性指標是兩類不同性質的參數。塑性指標與其他鋼材一樣，用伸長率或斷面收縮率來表示，在法國標準中，除伸長率有明確指標3.5%（標距100mm）外，對斷面收縮率，僅定性觀察塑性斷口（具有明顯縮頸），在有爭議時才考核25%。我國以考核最嚴格的標距為250mm的斷后伸長率4%。能做到該指標的鋼絲斷口，必定是塑性斷口。日本明石大橋企業(yè)標準也僅有標距為250mm的伸長率4.

5、0%的要求，但其最大載荷伸長還是斷后伸長未加明確。原文也有斷面收縮率的相應研制參數。冷拉鋼絲的韌性指標，一般都以反復彎曲，纏繞和扭轉三個指標來衡量，隨鋼絲的實際受力狀態(tài)作適當選擇。鑒于橋梁索用鋼絲本身不受扭曲，法國NFA35035，中國GB/T17101，建設部標準CJ3077-1998建設纜索用鋼絲，CJ3508-1986塑料護套平行鋼絲拉索，都選擇反復彎曲和纏繞兩個指標。至于日本企標中不作“應力松弛”考核，而追求“扭轉”之間的關系，將另行分析。2盤條強度與出現( 扭轉) 裂紋時冷拉鋼絲強度的關系原文圖1表明了“提高索氏體化盤條的強度，在提高鋼絲強度同時，防止裂紋產生，比提高冷拉總壓縮率有效

6、”。但是，與鋼絲纖維組織有關的韌性指標，隨著變形程度的提高基本呈拋物線的變化，對高碳鋼絲而言，扭轉次數的峰值約在80%總壓縮率范圍（隨生產條件不同而有一定差異）。因而過低的總壓縮率反而會導致扭轉裂紋提前出現。并且圖1與橋梁纜索鍍鋅鋼絲制造實踐不符。該圖縱座標為鋼絲強度，“O”點為2200MPa，若以SWS82B13mm，抗拉強度為1100MPa盤條，拉拔到4.9mm鍍鋅前光面鋼絲，其總壓縮率為85.8%，抗拉強度約為2000MPa。在圖1座標上已“無地自容”了。而該圖的最高強度為2800MPa，并由盤條直接拉拔，與本鋼絲制造實踐相差甚遠。3索氏體化盤條強化途徑3.1 Patent的含義自鉛淬火

7、取得的金相組織成為最佳冷拉組織以后，該專利(Patent)也就作為鋼絲制造業(yè)的鉛淬火代名詞。世界能源危機和熔鉛高溫污染，使盤條制造業(yè)利用盤條軋制成形后的余熱對冷卻后取得相當鉛淬火組織作了大量研究和實踐。這種高碳鋼的最佳冷拉組織是細化珠光體，亦稱索氏體（Sorbite）。由于鋼奧氏體冷卻轉變的CCT曲線在珠光體轉變時有較寬的區(qū).2.域，按其片層組織的粗細，分為珠光體（Pearlite）、索氏體（Sorbite）和屈氏體（troostite）。日本盤條制造業(yè)在這方面做了大量細致的工作。因而Patent已作為索氏體化的代名詞。所有高碳鋼盤條的控制冷卻，都是圍繞取得良好的索氏體組織為目的，從而為鋼絲制

8、造業(yè)直接拉拔作了顯微組織的準備。3.2 盤條的強化途徑國際盤條制造普遍采用熱處理強化和微合金強化兩個途徑，有時往往兩者結合進行。國際上約有90%以上盤條生產線采用斯太爾摩冷卻法，也稱DP（Driect patenting）。為提高冷卻效果,往往和微合金強化結合進行,日本神戶制鋼的KKP盤條(Kobe-Kakogawa-patenting)就是一個典范。日本新日鐵開發(fā)的鹽浴等溫淬火索氏體化盤條(DLP),把非合金化盤條的強度取得與鉛淬火接近的水平。微合金強化是在各國納標的較高含錳量高碳鋼中，添加cr:(0.10.3%)V:(0.040.08)，錳含量多數控制在0.600.90%，以減少錳的晶粒長

9、大和表面脫碳的負面影響。硅的含量高達(0.901.20%)，已超過“微合金化”范疇，僅見于原文。3.3 鋼中的硅任何合金化元素添加，對鋼的性能都有其有利和不利的兩重性，硅也一樣。硅是非碳化物形成元素，主要溶于鐵素體而形成合金鐵素體達到強化目的。但硅的石墨化(gvaphitization)傾向較大，促進滲碳體形成石墨碳而使鋼的韌塑性和抗疲勞性能下降。因此作為強化高碳鋼的添加元素極少應用。合金化概論普遍認為，當Si的含量超過0.6%時，其沖擊韌性就有下降趨勢（見圖解1）。因而含硅鋼多數用于低碳合金結構鋼和中碳合金彈簧鋼。就合金彈簧鋼而言，美、英、法、德、日和ISO，其最高含碳量為0.550.65%

10、，相當于中國60Si2MnA和日本JIS G4801Spring steelSUP7。該文所述新鋼種（C：0.82-0.88%，Si:0.9-1.20%，見表1），由于無法歸類，因而也無法納標。筆者認為，該類高硅、高碳鋼必須有石墨碳的測定數據，鋼絲也必須補充石墨碳含量考核的指標。這也是含硅彈簧鋼考核的常規(guī)條件，參見GB5218-85硅錳彈簧鋼絲。(HB)P Si MnMo V Ni W Cr240 Ak(J)NiCrMn Mo W 220 280200 240 180 200 C160 160140 120120 80100 40 80 Si 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

11、20 22 0 1 2 3 4 5 6 7溶于鐵素體中的合金元素（%） 溶于鐵素體中的合金元素（%） （a） (b)圖解-1 合金元素對鐵素體性能的影響（退火狀態(tài)）（a）對硬度的影響；（b）對韌性的影響原文鍍鋅鋼絲（Galvanized Steel wires）.3.生產條件（Manufacturing Conditions）基于上述方法，獲得的5mm強度級別1960MPa和7mm，強度級別1770MPa鍍鋅鋼絲的化學成分見表1。為便于比較，明石大橋所用5mm、強度級別1770MPa鋼絲與傳統(tǒng)鋼絲一并列入表1。新鋼種在氧氣頂吹轉爐中冶煉、熱軋成直徑12mm-13mm的盤條，盤條經索氏體化冷拔成

12、鋼絲，之后鍍鋅。索氏體化后盤條的抗拉強度為1450MP。這就意味著，與5mm、1770MPa鋼絲用盤條相比，獲得了125MPa的強度增加值。12mm盤條經冷拔成4.9mm鋼絲、鍍鋅之后則為5mm、13mm盤條以冷拔成6.9mm鋼絲、鍍鋅之后則為7mm。表1： 盤條化學成分（質量百分比）強度級別CSiMnCr解讀工程實例5mm、1960MPa與7mm、1770MPa0.881.200.500.30待開拓5mm、1770MPa0.820.900.75-明石橋一根主纜5mm、1570MPa0.780.250.75-傳統(tǒng)橋梁解讀 4橋梁纜索鍍鋅鋼絲生產流程比較日本：不分斜拉索和懸索橋都采用同樣的工藝流

13、程盤條（索氏體化）冷拉熱鍍鋅檢測12mm總壓縮率83.3% 4.9mm 5.0mm檢測13mm總壓縮率71.8% 6.9mm 7.0mm檢測原文中“盤條”和“索氏體化”，多次分開敘述。盤條熱軋后控制冷卻以取得索氏體化組織為目的，是盤條制造的工序之一。新日鐵的DLP冷卻也是如此。是否盤條制造后，再經過“索氏體化”工序？ 國際上其他國家都已省略，就新日鐵而言，也失去了DLP的意義，本文以刮號形式予以保留。本文也把新日鐵鋼絲拉拔的總壓縮率予以標出，如果71.8%和83.3%都標為合適的總壓縮率，那么所有鋼絲制造企業(yè)，都不會超過85%。因為盤條制造規(guī)格系列中最細的為差值0.5mm，而鋼絲規(guī)格差值細到0

14、.05mm，盤條拉制鋼絲的總壓縮率只能由二種規(guī)格的差值來決定。即使用14mm盤條拉拔到6.9mm鋼絲，其總壓縮率才75.3%。歐洲：斜拉索和懸索橋主纜鋼絲采用不同的工藝流程-按鋼絲實樣和考察分析、斜拉索（上海南浦大橋、楊浦大橋）和懸索橋（虎門大橋，江陰長江大橋）采用的工藝流程為：斜拉索（7.0mm低松弛）索氏體化盤條冷拉熱鍍鋅穩(wěn)定化處理檢測懸索橋主纜（5.0mm，非低松弛）索氏體化盤條冷拉熱鍍鋅檢測-按法國NFA35-035標準規(guī)定，5.0，6.0，7.0鍍鋅鋼絲全部都需作“低松弛”考核，即全部要在鍍鋅后進行“穩(wěn)定化處理”。中國：斜拉索鋼絲(7.0mm)，采用歐州和美國（PTI）推介的工藝。懸

15、索橋主纜鋼絲(5mm系列)，采用中國自主知識產權（規(guī)圓處理）的工藝流程。斜拉索：索氏體化盤條冷拉熱鍍鋅穩(wěn)定化處理檢測懸索橋主纜：索氏體化盤條冷拉熱鍍鋅規(guī)圓處理檢測.4.美國PTI推介認為：經過穩(wěn)定化處理的低松弛鋼絲，具有良好的直線性，有利于纜索制作。并承受接近破斷力的載荷，具有可信賴的抗拉強度。中國的“規(guī)圓處理”，適應中國普遍采用PWS法編索的需要，具有低松弛鋼絲的直線性（相當于自由圈徑8m的，每米弧長矢高小于30mm）和良好的韌、塑性指標。表1增加的“解讀工程實例”是筆者添加在尾部的，其中明石大橋另一根主纜是由日本神戶制鋼提供的，盤條的化學成分相當于SWRS87B添加Cr.V的KKP-S。原

16、文(鍍鋅鋼絲的)力學性能(Mechanical properties)研制鋼絲的力學性能見表2。此外，還調查了這種鋼絲的疲勞、低溫拉伸，缺口拉伸，蠕變和延遲裂紋性能。表： 5mm、1960MPa與7mm、1770MPa鋼絲的力學性能及鍍鋅性能特性mm、1960MPa7mm、1770MPa抗拉強度(MPa)20501833屈服強度（pa）17711619斷面收縮率（）3642伸長率（）6.37.1扭轉試驗(轉)2423纏繞試驗良好良好鍍鋅量（g/m2）330360疲勞試驗的最小載荷應力，隨鋼絲強度的提高而增加，分別為1570MPa490MPa、1770MPa552MPa，1960MPa-604M

17、Pa，圖3表示兩種鋼絲抗拉強度與疲勞應力（一千萬次加載）的關系?？梢娦落摻z的疲勞應力高于通常所用的鋼絲。缺口鋼絲尺寸見圖4。5mm圓鋼絲與缺口鋼絲的低溫拉伸和缺口拉伸見圖5，展現了優(yōu)越的低溫拉伸和缺口拉伸強度。蠕變和延遲裂紋性能都等于或超過常用鋼絲。 溫度（）圖4：缺口試樣形狀 圖5：鍍鋅鋼絲在低溫和缺口 條件下抗拉強度 .5.解讀5鋼絲的力學性能統(tǒng)計方法任何數理統(tǒng)計，都有一個采集數據的個數和偏差范圍兩個基本數據，表1的盤條化學成份，可以解釋為只用了一個冶煉爐號，即使如此，也應采集多個數據和顯現真實的偏差范圍。表2的鋼絲力學性能更應如此，任何研制鋼絲的數據采集都是大量的，而從中挑選最優(yōu)的數據作

18、為商務宣傳，從科學角度反而暴露其真實性缺乏公允。以扭轉試驗為例，7mm的總壓縮率低于5mm，而扭轉次數總壓縮率高的(5mm)卻高于總壓縮率低的(7mm)鋼絲，與原文對“總壓縮率”的宣傳相悖。其它力學性能的統(tǒng)計，還應交待試驗方法，依據（或規(guī)范）,以表示其可比性。6脈動拉伸疲勞試驗原文發(fā)表之前，法國NF A35-035和美國PTI斜拉索設計、試驗和安裝規(guī)范對脈動拉伸疲勞試驗已有明確試驗規(guī)范，我國也早已應用的是：最大載荷力、最小載荷力，其差值為載荷范圍（載荷幅，用2 F表示），試驗周次是二百萬次。拉索用鋼絲：最大載荷應力為0.45b，最小載荷應力為：0.45b，承受二百萬次而不斷裂。（其中S表示鋼絲

19、的公稱載面積，2 F/S即為應力幅）。法國應力幅為300MPa，PTI推薦應力幅282297MPa，我國為360MPa。因而所謂“新鋼絲的疲勞應力高于通常所用鋼絲”的概念是含糊的。這與日本橋梁用纜索鋼絲此前沒有要求疲勞試驗的條款有關，因而“一千萬次加載”實際上只是5倍于“二百萬次”的美麗數字而言，并不表示其優(yōu)劣。7缺口試樣的拉伸試驗要把5mm鍍鋅鋼絲，按日本JIS2201金屬材料抗拉試樣，不經機械校直（會影響抗拉強度），包括夾持部分在內至少150mm長的鋼絲、精確制造圖的鋼絲，確非容易的事情，這里涉及到缺口鋼絲的斷面計算。圖就出現了不相協(xié)調的數據。7.1 缺口鋼絲在正常檢測溫度時（一般為20&

20、#177;2），缺口鋼絲的抗拉強度高于無缺口的圓鋼絲300MPa以上，扣除鍍鋅層所占圓鋼絲0.1mm直徑的影響為4%。如果鋼絲性能均勻的話，這是一組難以解釋的數據。從1570MPa提高到1770MPa才增加200MPa，制成缺口鋼絲能有如此增幅，倒是可利用的發(fā)現。7.2 鋼絲的低溫拉伸試驗，圓鋼絲遵循通常規(guī)律，隨溫度下降強度提高，塑性下降。而缺口鋼絲抗拉強度基本不變，塑性指標盡管沒有統(tǒng)計，但隨著強度級別的提高，缺口鋼絲與圓鋼絲的差值減少，只能說明高強度鋼絲對溫度比低強度鋼絲較為敏感。7.3 所有試驗用圓鋼絲的抗拉強度都比公稱強度級別高出200MPa，相當于高出二個級別（一般100MPa為一級，

21、法國、中國均如此）。即使按日本“本州四國連絡橋企標”其一個級別差為20 kf/mm2(相當于200MPa)。除強度允許偏差過大以外，從另一側面可以說明，即使用1570MPa的原料(SWRS 77B)，用同一規(guī)格盤條，同樣可以做到1800MPa的話，那也沒有必要開發(fā)高硅（0.9%Si）新鋼種，為保險起見，僅提高含碳量的SWRS82B就有充分的保證。寶鋼開發(fā)的專用盤條，實踐也是這樣做的。7.0mm的1770MPa鋼絲再提高到SWRS87B含碳量，添加微量Cr。以避免高硅帶來的石墨碳析出風險，從理論和實踐有效性都已證實。把1960MPa.6.級別提高到圖5的2200MPa是沒有好處的，也是沒有必要的

22、。8關于蠕變試驗美國PTI的規(guī)范中，僅在環(huán)氧樹脂涂層的鋼絞線中提及，為了解固定載荷下環(huán)氧樹脂涂層的蠕變，測量環(huán)氧樹脂填充鋼絞線與無涂層低松弛鋼絞線之間的蠕變差值，可作為設計者修正選用。這里“低松弛”是斜拉索鋼材必備的條件，“蠕變”是供設計修正選用?！叭渥儭辈荒艽妗皯λ沙凇?，而日本斜拉索鍍鋅鋼絲不做低松弛穩(wěn)定化處理，當然無法考核，強調不受扭曲載荷鋼絲的“扭轉”，只能算作另一種學術流派而言，供橋梁設計者選用。9關于鋼絲穩(wěn)定化處理技術的發(fā)展歐洲是鋼絲穩(wěn)定化處理技術發(fā)展領先的地域。最初是雷同鋼絞線技術，采用前后張力都為張緊輪的“雙張緊輪”型式，由于鍍鋅鋼絲“先鍍后拔”具有更好的抗疲勞能力和公差控制

23、更嚴格的優(yōu)點（）。發(fā)展了前張緊力為模拔力所替代的“單張緊輪”型式。申佳公司引進調試期間，由于德國蒂森公司（南浦大橋斜拉索用鋼絲供應企業(yè)）拒絕該設備供應商考察。致使“先鍍后拔”調試受阻，申佳公司采用數十年的鋼絲生產經驗，創(chuàng)造了自主知識產權的技術，為徐浦大橋如期提供了斜拉索用鍍鋅鋼絲，填補了國內空白。并婉絕意大利設備供應商出資轉讓的要求。1994年以后，所有斜拉索用平行鋼絲都為國產所占有（南方某橋曾向歐洲進口鋼絲，被進口商檢判為不合格一例除外）。申佳公司提供的斜拉索平行絲建成運行的橋梁超過50座，最大跨徑為南京長江二橋的628m。“模拔”鍍鋅鋼絲具有下述優(yōu)點。9.1 良好的抗疲勞能力鋼絲按規(guī)范作疲

24、勞性能檢測，并按PTI規(guī)范疲勞試驗合格后再進行靜載試驗，要求0.95b。實際性能為1.00b（MUTS），說明具有良好的抗疲勞能力。9.2 具有良好的尺寸精度熱鍍狀態(tài)的尺寸精度控制，法國標準和中國標準都為±1%d，即7.0mm的斜拉索鋼絲其允許偏差為±0.07mm，日本企標也如此，橢圓度控制在公差之半。即 0.07mm，都是較高的熱鍍鋅尺寸精度。模拔鋼絲的尺寸精度可控制偏差減少60%，即7±0.03mm。對減少索股的自重累計偏差也是相當可貴的。9.3 具有相當光滑的鋼絲表面光滑表面比粗糙的熱鍍鋅表面具有高的防腐性能，粗糙表面的表面積大于光滑表面積，與腐蝕介質的接觸

25、面就大，耐腐蝕性能較差。光滑表面鋼絲在索股編制過程中，有利于緊密接觸和鋼絲之間的滑動，索股中鋼絲的長度偏差也就減少，使索股中每根鋼絲的承載均勻，有利于索股抗疲勞能力的提高。9.4 具有均勻的彈性模量彈性模量盡管是鋼材的屬性，由于鍍鋅層作為鋼絲的載面積計算，其偏差直接影響鋼絲的彈性模量計算值，在模拔過程中，鋅是軟金屬，變形抗力較鋼基為小，易于延伸。鋼基寬展較大，作為鍍鋅鋼絲的整體變形，可減少橫截面上的鋅層不均勻性，從而提高鋼絲彈性模的的均勻性。把中國標準規(guī)定的200±10Gpa提高到200±5Gpa。帶模拔的單張緊輪的鋼絲穩(wěn)定化作業(yè)線，在取得低應力松弛的同進，兼有上述優(yōu)良性能。在測試其扭轉次數時，即