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大口徑鋼管的彎曲成型工藝的研究及應(yīng)用

作者：顧曉付等    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：結(jié)合沈陽(yáng)奧林匹克體育中心體育場(chǎng)罩棚鋼結(jié)構(gòu)工程大口徑鋼管的彎曲加工技術(shù)，對(duì)大口徑鋼管幾種不同的彎曲加工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。 關(guān)鍵詞：大口徑鋼管 中頻彎管 鋼管冷彎成型 質(zhì)量控制
    一.工程概況
    沈陽(yáng)奧林匹克體育中心體育場(chǎng)為一座可容納六萬(wàn)人的大型體育場(chǎng)，是2008年北京奧運(yùn)會(huì)的主要分賽場(chǎng)之一。其南北看臺(tái)頂部設(shè)置了一對(duì)平行投影為梭形的空間鋼網(wǎng)殼罩棚結(jié)構(gòu)，在東西兩端采用平行弦桁架將南北網(wǎng)殼進(jìn)行局部連接，該罩棚幾何外形可以認(rèn)為取自一直徑約為433米的球體，空間形體近似為一塊兩端點(diǎn)著地且傾斜放置的西瓜皮，兩著地點(diǎn)間水平距離360m，正中最寬處水平投影尺寸111m，最高點(diǎn)距地約82m，鋼結(jié)構(gòu)總重量約1.2萬(wàn)噸，總建筑面積1.4萬(wàn)多平方米。
    該罩棚主體結(jié)構(gòu)形式為大跨度拱桁架結(jié)合單層（管）網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的功能，其主體結(jié)構(gòu)相應(yīng)可分為主拱、環(huán)拱及南北聯(lián)系桁架三部分，其中主拱為倒三角形拱桁架，跨度達(dá)360mm，為國(guó)內(nèi)類似結(jié)構(gòu)工程中最大跨度；環(huán)拱是由28榀弧形鋼管及三道縱向系桿組成的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；南北聯(lián)系桁架為平面管桁架。東西兩面分別由主拱和環(huán)拱組成的罩棚結(jié)構(gòu)通過(guò)南北兩面聯(lián)系桁架聯(lián)系在一起，形成完整的結(jié)構(gòu)體系。

    二. 大口徑鋼管的彎曲成型
    1. 大口徑鋼管的彎曲成型加工工藝的選定
    本工程的結(jié)構(gòu)造型近似為球面的一部分，大部分桿件為弧形，同時(shí)這些桿件又均為大口徑鋼管，因此，大口徑鋼管彎曲成型的質(zhì)量和效率是保證本工程整體質(zhì)量及工期的重要前提。

    2）．中頻彎管適用范圍
    中頻彎管受設(shè)備的轉(zhuǎn)臂范圍及進(jìn)料寬度的限制，根據(jù)本中頻彎管機(jī)的相關(guān)參數(shù)，限定其適用的彎曲范圍為曲率半徑在R4.6m~R20m之間的大口徑鋼管。
    3）．中頻彎管工藝特點(diǎn)
    （1）.中頻彎管是利用中頻彎管機(jī)的加熱圈套在鋼管上對(duì)其加熱，加熱帶是很窄的一圈，約為40mm左右，加熱溫度控制在800~850℃。
    （2）.鋼管進(jìn)行彎曲時(shí)，利用鋼管自身兩端冷卻的部分作為支撐，使彎曲在加熱帶較窄小的寬度里進(jìn)行，從而達(dá)到鋼管彎曲成型后圓度不變或變形很小的效果。
    （3）.彎曲成型的最小半徑是被彎曲鋼管外徑的5倍。
    （4）.鋼管最佳成型內(nèi)R應(yīng)在中頻彎管機(jī)的轉(zhuǎn)臂范圍內(nèi)，并需一次成型，成型后表面比較光滑，但當(dāng)一根鋼管有兩種或兩種以上的彎曲R時(shí)，要保證整體形狀，達(dá)到圖紙要求是比較困難的；對(duì)于內(nèi)R在中頻彎管機(jī)的轉(zhuǎn)臂范圍外的鋼管，只能以直代曲，間隔彎曲，會(huì)導(dǎo)致在加熱彎管處與冷卻平直處有較明顯的凹凸傷痕，一般在6mm左右。
    （5）.當(dāng)彎曲后的鋼管總拱高超過(guò)彎管機(jī)的進(jìn)料寬度時(shí)，若發(fā)現(xiàn)超差就很難重彎；如果必須重彎，也只能是間斷補(bǔ)償。
    （6）.另外由于鋼管需進(jìn)行反復(fù)加熱，其材性在高溫之下將受到影響，尤其是對(duì)高強(qiáng)度材質(zhì)的鋼管影響會(huì)更大。
    （7）.鋼管熱彎后有三種冷卻方法，即水冷、風(fēng)冷及自然冷卻，現(xiàn)時(shí)一般采用風(fēng)冷或自然冷卻。
    4）．中頻彎管前的準(zhǔn)備
    （1）.驗(yàn)證待彎鋼管的鋼印標(biāo)記等內(nèi)容應(yīng)符合圖樣要求，鋼管兩段預(yù)留彎管加工所需的余量（具體可根據(jù)試驗(yàn)確定）。
    （2）.對(duì)待彎曲鋼管的表面污物清理干凈后進(jìn)行宏觀檢查，有重皮、表面裂紋、劃痕、凹坑及表面腐蝕嚴(yán)重的鋼管部位應(yīng)進(jìn)行修磨。
    （3）.鋼管經(jīng)修磨后的實(shí)際壁厚應(yīng)符合圖樣的要求。
    （4）.鋼管測(cè)厚：對(duì)所有重要用途鋼管的待彎曲部位，在周圍方向均部取四點(diǎn)，沿鋼管軸線方向每間隔300mm逐點(diǎn)測(cè)厚，并挑選較厚的一側(cè)作為彎曲拉伸面。
    5）．中頻彎管的加熱溫度及冷卻方式

    6）．中頻彎管原則工藝要求
    （1）.中頻彎管采用的電流、電壓需按待彎鋼管的材質(zhì)硬度來(lái)調(diào)試確定。
    （2）.彎制速度要求控制在約10cm/s。
    （3）.開始彎管后要求連續(xù)性彎曲，盡量控制彎曲鋼管在彎制過(guò)程中一次成型，預(yù)防中途停頓。
    （4）.中頻加熱彎曲后必須立即對(duì)彎曲鋼管進(jìn)行冷卻，冷卻方式有多種方式，一般采用邊彎曲邊用風(fēng)冷的方式進(jìn)行冷卻，避免彎曲后產(chǎn)生變形。
    （5）.彎曲后矯正：鋼管彎曲后經(jīng)檢驗(yàn)不合格的鋼管需要對(duì)其進(jìn)行矯正，矯正在專用鋼管彎曲矯正設(shè)備上進(jìn)行，直到達(dá)到檢驗(yàn)要求。
    7）．中頻彎管過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)
    （1）應(yīng)避免多次加熱，多次加熱會(huì)導(dǎo)致鋼管（材質(zhì)）變脆，造成硬化；
    （2）加工溫度過(guò)低時(shí)，應(yīng)避免強(qiáng)行進(jìn)行彎曲，因鋼材溫度在500℃以下時(shí)，極限強(qiáng)度與屈服點(diǎn)到達(dá)最大值，塑性顯著降低，處于藍(lán)脆狀態(tài)，受力后會(huì)導(dǎo)致鋼材內(nèi)部組織破壞，產(chǎn)生裂紋。
    3. 大口徑鋼管采用冷彎彎曲成型的加工工藝
    1）．冷彎設(shè)備的選用及改造
    由于本工程鋼管均為大口徑鋼管，經(jīng)計(jì)算及工藝考慮，選用2000噸油壓機(jī)作為冷彎彎曲設(shè)備。同時(shí)為配合鋼管在壓制過(guò)程中的移位及操作的方便，對(duì)2000噸油壓機(jī)平臺(tái)進(jìn)行了改造。
    采用2000噸油壓機(jī)進(jìn)行鋼管的彎曲，最關(guān)鍵的是上下壓模的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)需綜合考慮自身強(qiáng)度、待彎鋼管的截面尺寸及裝卸的方便性等多種因素，而下壓模的布置還需要結(jié)合2000噸油壓機(jī)的性能并通過(guò)試制來(lái)確定，本工程在批量彎制鋼管前，通過(guò)多次試驗(yàn)，反復(fù)優(yōu)化上下壓模的設(shè)計(jì)方案，最終形成了一套功效高、獨(dú)具特色的上下壓模如下圖所示：

    2）．冷彎彎管適用范圍
    冷彎彎管受2000噸油壓機(jī)的油缸的行程及最大壓力的限制，根據(jù)本2000噸油壓機(jī)的相關(guān)參數(shù)，限定其適用的彎曲范圍為曲率半徑在R21m~R50.9m之間的大口徑鋼管。
    3）．冷彎彎管工藝的特點(diǎn)
    （1）.由于采用油壓機(jī)進(jìn)行鋼管壓制時(shí)，需通過(guò)下壓模的支撐，考慮到下壓模自身的支撐寬度，為保證整根鋼管全長(zhǎng)的壓制，必須把待壓制的鋼管接長(zhǎng)，即在待壓制鋼管的兩端分別對(duì)接一段臨時(shí)鋼管作為支撐鋼管，待鋼管壓制成型后，再切割兩端的臨時(shí)接長(zhǎng)段，從而保證壓制鋼管端部的光滑過(guò)渡。
    （2）.冷彎彎曲鋼管是用專用的模具裝在液壓機(jī)上對(duì)鋼管進(jìn)行壓制。
    （3）.冷彎彎曲鋼管是用兩臺(tái)行車將鋼管移動(dòng)壓制，逐步移動(dòng)逐步壓制。
    （4）.冷彎彎管過(guò)程中可通過(guò)調(diào)整上下壓模和油缸行程對(duì)一根鋼管進(jìn)行不同彎曲半徑的壓制，或通過(guò)調(diào)整鋼管的壓制方向，對(duì)同一根鋼管進(jìn)行不同平面內(nèi)的半徑壓制。
    （5）.由于油壓機(jī)不受進(jìn)料寬度的限制，如果發(fā)現(xiàn)彎曲度不夠可以移至需重彎部位進(jìn)行重新壓制直到合格，如果彎曲量過(guò)大可以翻身反向壓制。
    4）．冷彎彎管原則工藝要求
    （1）.冷彎彎管采用從一端向另一端逐步壓彎，每次壓彎量約為500mm，壓制時(shí)下壓量必須進(jìn)行嚴(yán)格控制，下壓量根據(jù)鋼管的曲率半徑進(jìn)行計(jì)算，分為多次壓制成型，以使鋼管表面光滑過(guò)渡，不產(chǎn)生較大的皺褶，吸取本公司多年的施工經(jīng)驗(yàn)，鋼管冷壓壓彎每次下壓量見表2.3.4。

    注：H為鋼管壓制長(zhǎng)度范圍內(nèi)的理論拱高。
    （2）.下壓量控制采用標(biāo)桿控制法，采用在鋼管側(cè)立面立一根帶刻度的標(biāo)桿，下壓量通過(guò)與標(biāo)桿上的刻度進(jìn)行對(duì)比來(lái)控制，
    （3）.鋼管壓制后使用特制樣板檢測(cè)鋼管彎曲部位，符合要求后吊出油壓機(jī)，放在專用平臺(tái)上進(jìn)行復(fù)測(cè)，確認(rèn)合格后根據(jù)圖紙劃出彎管中心線和端面位置線，進(jìn)行切割兩端臨時(shí)接長(zhǎng)段，然后把對(duì)接坡口打磨光順。
    （4）.為了便于控制彎曲質(zhì)量，鋼管上需預(yù)先劃好加工線，分好各個(gè)彎曲R，并標(biāo)明拱高、彎曲半徑R。
    （5）為確保鋼管成型后不扭曲，彎曲時(shí)上模中心一定對(duì)準(zhǔn)鋼管中心線，操作時(shí)對(duì)弧度響應(yīng)彎曲邊進(jìn)行檢測(cè)。
    三．中頻熱彎彎管和冷彎彎管兩種加工工藝的對(duì)比
    （1）.中頻熱彎彎曲采用中頻彎管機(jī)進(jìn)行熱彎；冷彎彎曲是采用經(jīng)過(guò)改造的2000t油壓機(jī)和專門設(shè)計(jì)的上、下壓模進(jìn)行冷加工成型。
    （2）.經(jīng)過(guò)總結(jié)，中頻熱彎彎曲一般適用于曲率半徑在R4.6m～R20m之間的大口徑鋼管的彎曲成型；冷彎彎曲一般適用于曲率半徑在R21m～R50.9m之間的大口徑鋼管的彎曲成型。
    （3）.中頻熱彎彎曲由于是局部加熱，成型后在加熱與冷卻處有較明顯的凹凸；冷彎彎曲成型后，表面質(zhì)量較好，無(wú)明顯的痕跡。
    （4）.中頻熱彎彎曲成型后，若發(fā)現(xiàn)超差，較難重新彎制；冷彎彎曲可根據(jù)要求重復(fù)壓制修正，成型的質(zhì)量較好。
    （5）.中頻熱彎彎曲無(wú)法對(duì)同一根鋼管進(jìn)行兩種不同半徑的彎制；冷彎彎曲可以通過(guò)對(duì)壓模的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一根鋼管進(jìn)行兩種以上半徑的彎制。
    （6）.中頻熱彎彎曲需對(duì)鋼管進(jìn)行加熱，鋼管煨彎后一般采用風(fēng)冷，對(duì)鋼管的母材材性會(huì)造成一定的影響；冷彎彎曲由于是冷加工，對(duì)鋼管的母材材性的影響較小。
    （7）.中頻熱彎彎曲需對(duì)鋼管進(jìn)行加熱，工效較低，用電量較大；冷彎彎曲操作簡(jiǎn)單，不需對(duì)鋼管進(jìn)行加熱，因此工效較高，用電量少。
    四.結(jié)語(yǔ)
    本文結(jié)合沈陽(yáng)奧林匹克體育中心體育場(chǎng)罩棚鋼結(jié)構(gòu)工程中大口徑鋼管的加工，對(duì)大口徑鋼管的中頻彎曲成型工藝和冷彎彎曲成型工藝這兩種工藝進(jìn)行了較為全面、系統(tǒng)的研究和論證，總結(jié)和完善了國(guó)內(nèi)這項(xiàng)工藝，為大口徑鋼管的彎曲成型提供了指導(dǎo)性工藝。通過(guò)本工程對(duì)這兩種工藝的驗(yàn)證，說(shuō)明這兩種加工工藝均可行，但冷彎彎管工藝在質(zhì)量和工效兩方面均由于中頻彎管工藝，其應(yīng)用前景廣闊。
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