黃韜睿,楊世杰,王 雷

(中國鐵建國際集團有限公司,北京 100855)

鑄鋼件因其設計的靈活性和整體結構性強、成本低等優(yōu)點，被廣泛應用于鋼結構建筑領域中。鑄鋼件最重要的質量控制要求之一就是不允許有裂紋的存在，否則會嚴重影響結構的性能和安全性。尤其是在設計應力較大的構件中，如果有未能發(fā)現(xiàn)并修補的裂紋，在應力作用下，裂紋會進一步的延伸擴展，最后導致結構的破壞[1-5]。鑄鋼件裂紋按照其產生的位置可分為內部裂紋和表面裂紋，在國標和歐標當中，都有詳細的檢測措施和驗收標準。通常通過外觀檢測和磁粉探傷，可以檢測出表面裂紋，通過超聲檢測和射線探傷，可以檢測出內部裂紋。裂紋一經發(fā)現(xiàn)，就要及時修補，無法修補的，應立即作廢重鑄。熱鍍鋅是鑄鋼件防腐的重要技術措施之一，應用非常廣泛。然而，熱鍍鋅引起的表面液態(tài)金屬助裂(LMAC)現(xiàn)象也不容忽視[6-10]。LMAC是指在熱鍍鋅過程中，因構件材料韌性鍍鋅過程中的液態(tài)金屬環(huán)境以及鋼構件與液態(tài)鋅接觸面處拉應力的共同作用下產生的開裂現(xiàn)象。

1 LMAC案例分析

1.1 項目背景

Q國L體育場項目是由S委員會發(fā)起，以中國大型中資企業(yè)C0與當?shù)仄髽I(yè)H組成聯(lián)合體為總承包商，以中東T公司為監(jiān)理的大型體育場項目。該項目的屋面結構為魚腹式索網(wǎng)結構，跨度達274 m，懸挑長度76 m，如圖1所示。每榀魚腹式結構分4段徑向索，徑向索1和徑向索2與鋼結構相連，徑向索3和徑向索4與環(huán)索相連，中間由交叉節(jié)點板連接，如圖2所示。各索體的規(guī)格見表1。

圖1 屋面魚腹式索網(wǎng)結構示意圖Fig.1 Diagram of roof fish tail cable net system

圖2 屋面魚腹式索網(wǎng)結構軸測圖Fig.2 Axonometric diagram of roof fish tail cable net system

表1 各索體參數(shù)Tab.1 Parameters of each cable

該項目執(zhí)行歐洲標準，并且在項目規(guī)范中明確索體錨具的材料為鑄鋼件，推薦使用歐標規(guī)范BS EN 10293：2015《一般工程用途鑄鋼件》中所列型號為G20Mn5+N或G10MnMoV6-3+QT2的鑄鋼件，并且要求碳當量小于0.49%。防腐系統(tǒng)依據(jù)歐標規(guī)范BS EN ISO 1461：2009《鋼鐵制品熱浸鍍鋅層——技術規(guī)范及試驗方法》，采用熱浸鍍鋅工藝在表面鍍鋅，厚度不小于150 μm。值得注意的是，項目規(guī)范特別提示承包商應采取適當?shù)拇胧┍ＷC鑄鋼件在鍍鋅之后不會發(fā)生液態(tài)金屬助裂。

經過公開招標，項目所用索具全部由國內索具企業(yè)J公司供貨。索體本身由J公司自行生產，相應的鑄鋼件錨具外包生產，最后運至J公司將索體和錨具澆鑄在一起，完成索具的生產。錨具由J公司設計，根據(jù)經驗，選用了G34CrMo4合金結構鋼的合金鋼鑄件以滿足較高的強度要求，并未使用規(guī)范中推薦的材料。由于供貨周期較緊張，J公司同時選用了國內兩家鑄造廠同時生產錨具，將索徑100 mm以上的錨具分配給了地處南方的H公司，將索徑100 mm以下的錨具分配給了地處北方的D公司，兩家均為J公司的長期合作單位。H公司和D公司分別又將熱浸鍍鋅的工序外包給了當?shù)氐腍0和D0兩家鍍鋅廠。

J公司按照報批的質量控制計劃，在第3方質檢公司的監(jiān)督下，第1批48根徑向索4如期完成加工發(fā)貨。在第2批48根徑向索1的加工過程中，偶然碰壞了一處錨具的鍍鋅層。根據(jù)項目規(guī)范要求，鍍鋅層損壞的部位，應打磨至母材后，使用環(huán)氧富鋅底漆修補。然而在打磨掉鋅層后，發(fā)現(xiàn)了一條疑似裂紋的痕跡，隨即進行磁粉探傷，確認在鍍鋅完成后的成品錨具中存在裂紋，如圖3所示。

圖3 裂紋宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the crack

之后，J公司將所有的成品錨具去除鋅層，全面排查，發(fā)現(xiàn)徑向索錨具普遍存在開裂現(xiàn)象，環(huán)索錨具無開裂現(xiàn)象。后選取開裂較為嚴重的幾個錨具進行打磨后再次進行磁粉探傷，評估裂紋深度，多數(shù)為3 mm左右，個別較為嚴重的，裂紋深度達到8 mm。

1.2 案例概況

調閱鑄造過程中的所有質檢記錄，自檢、第三方檢測記錄齊備，在鋼構鑄件交付至鍍鋅廠之前無開裂現(xiàn)象，排除漏檢的可能性。為進一步確認鋼構件裂紋產生的時間，調查組選取了開裂較為嚴重的3個鑄鋼錨具，取樣進行宏觀分析、微觀分析和能譜(EDS)分析。分析結果表明，裂紋出現(xiàn)的區(qū)域多為鑄鋼錨具補焊區(qū)的焊縫金屬和熱影響區(qū)，裂紋內部有鋅滲入(見圖4，圖5)，確認裂紋確實是在鍍鋅的過程中產生的，最終調查組判定錨具上的裂紋均為LMAC。

圖4 裂紋微觀形貌Fig.4 Micro morphology of the crack

圖5 裂紋內部EDS分析位置和分析結果Fig.5 EDS a) analysis position and b) analysisresult of crack interior

2 裂紋成因分析

2.1 液態(tài)金屬助裂現(xiàn)象

鋼構件與液態(tài)鋅接觸面處的拉應力來源有兩種，一種是鍍鋅過程中產生的熱應力，另一種是鋼構件在加工生產(如冷彎和焊接)過程中產生的內應力。而鍍鋅過程中的液態(tài)金屬除了帶來熱應力外，液態(tài)鋅當中摻雜的一些金屬元素也會沉積在鋼構件與鋅的鍍層界面上。這些雜質元素，一方面會加速熱傳導，帶來更多的熱應力，另一方面會由鍍層界面沿鋼構件晶界滲入鋼構件內部，通過液態(tài)金屬致脆(LME)機制引起金屬脆化。當以上條件同時滿足時，就會存在發(fā)生液態(tài)金屬助裂的可能性。

液態(tài)金屬助裂通常產生的是表面裂紋，國內鮮有報道。雖然此類裂紋比較罕見，但是若未能及時發(fā)現(xiàn)并修復，將給結構(尤其是承受疲勞載荷的結構)帶來巨大的安全隱患。2002年，由來自英國鍍鋅協(xié)會(Galvanizers Association)和英國建筑鋼結構協(xié)會(British Constructional Steelwork Association)的成員以及若干業(yè)內專家，組成了聯(lián)合工作組，針對LMAC展開研究，并于2003年發(fā)布臨時指南。該指南旨在提醒從業(yè)人員注意防范金屬加工過程中潛在的LMAC風險。指南中通過分析來自德國、日本、美國、加拿大等多國的LMAC案例，結合鍍鋅、焊接等相關歐標規(guī)范，就現(xiàn)有的經驗和信息總結了容易導致LMAC發(fā)生的前置條件以及對應的防控措施。對于存在LMAC風險的工況，要特別注意排查LMAC，以免漏檢帶來嚴重后果。

預防或降低LMAC發(fā)生的概率應考慮以下幾個方面。

(1) 鋼結構設計方面

在鋼結構設計過程中，應盡量避免構件厚度突變的情況。在熱鍍鋅的過程中，同一構件中，厚度小的部分相比厚度大的部分，升溫速度要快得多，這就容易在截面的過渡部分造成較高的溫差應力。根據(jù)經驗，構件厚度的過渡比例應盡量控制在2.5～1。同樣，構件截面應盡量對稱設計，如果做不到對稱設計，尺寸的變化也應盡量平滑過渡，避免突變。相比對稱截面的構件，不對稱截面的構件更有可能存在固有應力。

焊接位置的設計，應盡量靠近穿過構件整體重心的軸線，如果無法滿足，也應盡量對稱軸線布置。焊縫的設計應盡量控制焊縫的尺寸、熱輸入量等，滿足最低要求。焊縫形式的選擇上，角焊縫要優(yōu)于對接焊縫。在受力條件允許的情況下，布置間斷焊縫也是一個有效降低焊接應力的好選項。

總的來說，在鋼結構的設計階段，就應盡量避免或降低內應力的產生。

(2) 材料成分的選擇

鋼材的強度等級與其含碳量正相關，在含碳量(質量分數(shù))小于0.9%的范圍內，隨碳量增加，鋼的強度隨之增大，塑性和韌性下降。在合金鋼中，將各種合金元素折算成碳當量，常被用來控制合金鋼的強度。有研究表明，被鍍鋅母材的強度或碳當量越高，發(fā)生LMAC的可能性就越大。碳當量CE可按國際焊接學會(International Institute of Welding)發(fā)布的公式來計算

(1)

式中：wC為碳元素的質量分數(shù)；wMn為錳元素的質量數(shù)；wCr為鉻元素的質量分數(shù)；wMo為鈷元素的質量分數(shù)；wV為釩元素的質量分數(shù)；wNi為鎳元素的質量分數(shù);wCu為銅元素的質量分數(shù)。

此外，記載于日本行業(yè)標準JIS G 3129-2005《塔結構用高拉伸強度鋼》當中的熱鍍鋅裂紋敏感性指標Es，也可以用來評估合金鋼發(fā)生LMAC的可能性。計算公式如下

(2)

式中：wSi為硅元素的質量分數(shù)；wNb為鈮元素的質量分數(shù)；wTi為鈦元素的質量分數(shù)；wB為硼元素的質量分數(shù)。

當鋼材的CE或者Es值大于0.44%時，發(fā)生LMAC的可能性將大大增加。

除了強度或碳當量高的鋼材發(fā)生LMAC的風險較高之外，帶有較高殘余應力的冷彎型鋼，在熱鍍鋅過程中同樣需要防范LMAC。

綜上，以下4種鋼材被認為擁有較高的發(fā)生LMAC的風險，即調質鋼(如ZG35Cr1Mo)，高強度等級的鋼材(屈服強度大于355 MPa)，冷彎空心型鋼，耐候鋼。在防腐措施的選擇上，盡量避免使用熱鍍鋅工藝。

(3) 鋼結構加工過程

在鋼結構件加工的過程中，因工藝的不同，會進一步造成不同程度的內應力。例如鋼板開孔，沖孔要比鉆孔給鋼板造成更多的內應力。來自南非的關于LMAC的記錄中，多數(shù)是發(fā)生在15 mm以上厚度的鋼板經沖孔工藝所開孔周圍的區(qū)域。當15 mm以上厚度的鋼板需要開孔時，應盡量選擇鉆孔工藝，或是沖一個較小的孔后，再進一步切削打磨使其擴大到設計尺寸。

在組裝鋼構件的過程中，應盡量避免使用較大的外力迫使構件就位。如果是焊接結構，還要注意嚴格按照批準的焊接工藝規(guī)程操作，控制焊接過程中的熱輸入量，盡量減少焊接應力。

(4) 熱鍍鋅工藝

在熱鍍鋅的過程中，鋼構件被浸入鋅池，與高溫液態(tài)金屬鋅直接接觸，是導致LMAC的關鍵因素。屆時，鋼構件表面的熱輸入量陡增，造成大量的熱應力，與之前構件的內應力共同作用，大大增加了開裂的風險。為了盡量減少熱應力的產生，應該在鋼構件浸入鋅池前緩慢均勻預熱，并在預熱結束后盡快浸入鋅池，減少構件本身與鋅池的溫差。同時，鋅池的溫度應盡量保持在標準溫度的下限，通常在440 ℃左右。如果條件允許，浸鋅的速度要盡量快，減少熱輸入量。如果浸鋅時長超過30 min，開裂的風險會大大增加，需要格外注意排查。鋼構件進入鋅池時的角度越小越好，吊掛的設計應盡量減少構件自重產生的彎曲應力。

除此之外，要注意控制鋅池的純度，避免雜質金屬元素帶來的LMAC風險。根據(jù)歐標規(guī)范BS EN ISO 1461：2009中的規(guī)定，熱鍍鋅池中，鋅以外的雜質元素含量不得超過鋅質量分數(shù)的1.5%。除此之外，雜質元素的含量超過推薦值(wSn≤0.1%,w(Pb+10Bi)≤1.5%,w(Sn+Pb+Bi)≤1.0%)，也會帶來LMAC的風險。

通過以上措施，能夠有效限制LMAC形成的條件，從而降低其發(fā)生的概率。但是，這并不意味著能夠徹底杜絕開裂的發(fā)生。因此，加強鍍鋅之后的質量檢測是抵御LMAC的最后一道防線。經過熱鍍鋅的合金鋼構件，必須要進行100%的外觀檢測，一經發(fā)現(xiàn)裂紋或疑似裂紋，應立即報告并進行無損探傷。由于液態(tài)金屬助裂通常發(fā)生在母材的表面且被鋅層覆蓋填充，超聲探傷的精度無法保證，因此超聲探傷并不適合檢驗LMAC。渦流探傷雖然能夠穿透鋅層檢測到鋅層以下的裂紋，但是對于鋅層厚度的變化、母材厚度的變化等過于敏感，需要特定的儀器和訓練，才能獲得相對準確的檢測結果，可操作性較差。相比較而言，磁粉探傷比較適用于液態(tài)金屬助裂的檢測，但是僅僅適用于鋅層厚度在50 μm以下的部位。

綜上，如果導致液態(tài)金屬助裂的高危因素無法避免，應建立一套具有針對性的質量控制體系，最大限度地降低開裂的幾率。例如在熱鍍鋅構件量產之前，可以小量試鍍后，打磨掉鋅層檢測開裂情況，驗證工藝。或者是在變截面處、焊接區(qū)域等存在內應力幾率較大的位置，打磨掉鋅層抽檢，合格后使用環(huán)氧富鋅底漆修補。一經發(fā)現(xiàn)開裂應全面排查，及時修補裂紋，改進或更換工藝，避免影響進一步擴大。

2.2 液態(tài)金屬助裂成因分析

由于國內之前沒有LMAC的相關研究和報道，J公司并未對項目規(guī)范中與之有關的要求引起足夠的重視，并且J公司之前生產的索具，絕大多數(shù)采用的是油漆防腐系統(tǒng)，從未發(fā)生過類似開裂。事故發(fā)生之后，總承包方與J公司根據(jù)上文中的防控措施進行了比對分析。

(1) 結構設計方面

徑向索一端為U型接頭錨具，一端為錐型接頭錨具，并通過調節(jié)螺桿與另一U型接頭相連，實現(xiàn)長度調節(jié)。此次事故中錐型接頭開裂程度較輕，多數(shù)錐形接頭無開裂，U型接頭開裂較為嚴重，尤其是U型拐角處以及銷軸孔凸臺邊緣，開裂較為普遍。從結構設計的角度分析，錐型接頭壁厚均一，幾何角度變化平緩，在鑄造和鍍鋅的過程中不易造成應力集中。U型接頭幾何形狀變化較大，U型拐角處以及小軸孔凸臺幾乎是直角突變，在鑄造和鍍鋅的過程中容易造成較高的應力。

(2) 材料選擇方面

依據(jù)歐標規(guī)范BS EN 10293:2015《一般工程用途鑄鋼件》中對G34CrMo4合金結構鋼的化學成分規(guī)定見表2。

表2 BS EN 10293:2015規(guī)定的G34CrMo4合金結構鋼的化學成分(質量分數(shù))Tab.2 Chemical compositions of G34CrMo4 alloy structuralsteel to BS EN 10293:2015 (mass fraction) %

依據(jù)式(1)和式(2)(暫不考慮規(guī)范以外的化學成分)進行計算，可以知道，G34CrMo4合金結構鋼的CE不小于0.573%，Es不小于0.595%。根據(jù)實測3個不同錨具樣本的化學成分(見表3)，各化學成分均符合規(guī)范要求，其CE值分別為0.65%，0.71%和0.68%，均已大于0.44%的LMAC的低風險值。

表3 3個不同錨具試樣的化學成分(質量分數(shù))Tab.3 Chemical compositions of three different anchorage samples (mass fraction) %

(3) 加工過程方面

根據(jù)質檢記錄，整個鑄造澆注過程均按規(guī)范操作，但是焊補記錄不全。對補焊區(qū)域的硬度進行檢測，可知焊補區(qū)域的硬度要遠高于母材的硬度(見圖6)，可以側面證明，開裂的焊補區(qū)域的焊后熱處理不合適，仍存在較高的焊接應力。

圖6 補焊區(qū)域的硬度Fig.6 Hardness of welding repair area

(4) 熱鍍鋅工藝方面

經對比，D公司外委的鍍鋅廠D0所使用的鋅鍋尺寸為13.3 m×2.2 m×3.2 m，鋅溫控制在435～440 ℃，浸鋅6～7 min。H公司外委的鍍鋅廠H0所使用的鋅鍋尺寸僅有2 m×0.8 m×0.6 m，因為鋅鍋較小，為防止鋅液降溫過快，鋅溫一般控制在500～520 ℃，熱鍍鋅8～10 min。由此可見，H0廠在鍍鋅過程中錨具的熱輸入量要遠高于D0廠的。實際情況也是H公司出產的錨具，其開裂程度要遠遠大于D公司出產的錨具。經過檢測H0廠鋅池樣本的化學成分(見表4)，滿足歐標規(guī)范BS EN ISO 1461：2009的要求，排除鋅池雜質元素的影響因素。經過進一步對比分析，H公司和D公司的鑄造工藝并沒有關鍵性的差異，熱鍍鋅過程中的熱輸入是影響開裂的關鍵因素。

表4 H0廠鋅池樣本的化學成分(質量分數(shù))Tab.4 Chemical compositions of zinc pool samplefrom H0 plant (mass fraction) %

3 結束語

鍍鋅是鋼鐵材料防腐的最有效手段之一，值得注意的是，在現(xiàn)行的歐標規(guī)范BS EN ISO 1461：2009中，并沒有關于LMAC的控制措施。因此，對于需要鍍鋅處理的碳當量較高的合金鋼鑄件，除了要規(guī)范嚴格執(zhí)行各項質量控制措施，還需要注意LMAC的預防。結構設計上截面盡量對稱設計，尺寸變化平滑過渡，焊縫盡量靠近重心軸線布置；材料選擇上應將碳當量控制在0.44%以下；加工、拼裝過程要避免過高的施工外力引入較高的內應力；熱鍍鋅要注意控制鋅池的純凈度以及錫、鉛、鉍元素的含量，鍍鋅過程中要盡量減少構件本身與鋅池的溫差，將鋅池的溫度保持在標準的下限，快速浸鋅，減少熱輸入量。如果選用了碳當量較高的材料，或是設計及加工過程中難以避免較高的內應力，建議采用冷噴鋅或油漆等除熱鍍鋅以外的防腐措施。