超大直径钢板钢管的加工制作技术研究

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超大直径钢板钢管的加工制作技术研究

来源网络作者:杨亮陈前标方圆发布于 2013/10/15 15:41:23 评论(0) 有4048人阅读

钢铁做为当今社会的一种可在生资源，未来我国建筑用钢量会逐渐加大,同时钢铁工业会蓬勃发展,建筑钢结构进入了一个快速发展的崭新阶段。钢结构的型式多样化，钢结构大型构件和异形构件的制作难度会越来越大，对钢结构的加工制作和技术含量也会越来越高。新技术、新工艺、新设备的应用也会越来越广泛。国内大型和异形建筑钢结构的技术已经发展到一个较高的水平。钢结构的设计、制作、安装均已基本达到国际先进水平，要求我们结合钢结构建筑的特点，选用合适的钢结构加工制作工艺，进一步提高工程的施工效率和安全性，从而降低施工成本。

对于超大直径钢管的加工制作，同样需研究出一种适合多种施工条件和环境下的加工制作工艺。为了解决这一问题，根据加工制作钢管的直径和管臂厚度，沿钢管轴线方向将管臂分为几个弧形片体平面制作，立面组装焊接。弧形片体平面制作时根据钢板处于自由支承状态时在自身重力的作用下将引起较大变形的特性，通过钢板的自重与自重状态钢板横纵向曲率的计算求法，计算钢板在自重作用下引起的变形量是否满足弧形片体的曲线线型。如果计算结果完全满足自重弯曲线型，则无需对钢板进行滚压弯曲，直接将几块钢板在平面胎架上对接拼焊成大片钢板（弧形片体展开状态），然后将大片钢板垂直置于弧形片体弯曲线型胎架上进行自重弯曲成形，最后在总装胎架上依次将几个弧形片体进行立面拼装焊接。

该加工制作工艺合理利用了钢板的自有特性技术，降低了施工难度，改善结构受力，提高了施工效率，具有明显的社会效益和经济效益。随着国内外建筑业的不断发展，各种超大型钢管工程会越来越多，大型钢板钢管自重弯曲成形技术将会得到广泛应用。

1 概述

大型或超大型钢板卷制焊接钢管作为一种以钢板为原材料，采用多块钢板弯曲拼焊成形，在卷曲过程需采用大型或超大型专业卷板机。在国内外，钢结构加工厂有大型或超大型卷板机数量非常有限，甚至没有满足卷制超大钢管的卷板机，导致工程无法实施。

能够使大直径或超大直径钢板钢管工程顺利实施，对钢板自重弯管技术进行深入研究。以某工程中超大直径钢板钢管为对象，其钢板钢管为规则圆柱形筒体内加横纵向加筋肋，主要尺寸为：直径32m，长38m，管壁厚13mm。通过对其加工制作方案选择、原材料采购、钢板平面对接、自重弯曲、片体拼装焊接、质量验收等各工序的综合详细描述，使钢板自重弯曲成形钢管完全符合设计要求。

图1 钢板钢管外形结构

2 技术特点

1)无需投入大型卷板机；

2)适合大型和超大型直径钢管制作；

3)施工面较广，多条线同时流水作业，制作效率高；

4)多数钢板采用平面自动焊接，减少弧线拼装；

5)曲成胎架支承，空间移动定位成形，降低制作难度；

6)钢板弯曲不需要外力，利用钢板的弯曲性能在其自重作用下依靠弯曲胎架自然成形；

3 钢板自重弯曲成形原理

常用弯曲零件成形的方法是利用外力作用下，强制性让零件弯曲变形，影响原材料的性能等。钢板自重弯曲成形原理，应用到钢板钢管加工制作主要分为钢板自重弯曲曲率计算、钢管建模放样、钢管片体平面拼焊、钢管片体弧形弯曲和钢管总拼焊接五个阶段。

根据制作钢管的直径大小和不同厚度管壁钢板的弯曲性能，通过自重状态钢板横纵向曲率的计算方法，验证本工程中钢板自重状态下的曲率满足钢管成形曲率，合理地确定钢管轴向弧形片体划分和划分的部位，确保钢管成形后的弧线。采用电脑三维软件（AUTOCAD）对钢管进行1:1建模，将弧形钢板展开成平面，降低下料放线难度，确定每块钢板的规格尺寸，完成放线和套料工作。

参照套料图对原材料进行切割及编号，根据钢板的编号在平面拼装胎架上参照地样控制点进行弧形片体管壁的拼装和焊接，焊接完成后拼焊轴向构件（竖向肋骨），增强管壁刚度便于吊装。利用大型起重设备将片体管壁吊装到弧形弯曲胎架上，利用弧形弯曲胎架的曲线，通过地样点进行定位，局部位置增加适当外力将管壁紧靠到弯曲胎架表面，检查管壁弯曲成形符合要求后拼焊径向构件（横向肋骨）和临时加强。利用大型起重设备在专业总装胎架上按照片体先后顺序逐一进行钢管总装，总装过程中使用专业立缝焊机（爬山虎）对两片体的对接缝进行施焊，同时严格控制每块片体的安装参数和焊接质量。

（a）模具压弯；（b）折弯；（c）拉弯；（d）滚弯；（e）辊压

图2 常用弯曲成形方法

图3 钢板自重弯曲成形方法

4 钢板自重弯管工艺流程

图4 钢板自重弯管工艺流程

5 钢管加工制作主要过程

5.1 计算钢板自由状态自重弯曲曲率

平钢板在自重作用下产生变形，变形前处于同一直线上的点，变形后仍处于同一曲线上。若求某点处的横向和纵向曲率时，可由该点和处同一平面内的左右两点组成圆弧，计算其半径得到。设某点为（x2，y2）,左点为（x1，y1），右点为（x3，y3），其中xi为横向坐标，yi为垂向坐标，i=1～3。其值可用有限元的计算结果得到。

计算三角形边长：

a=[(x2-x1)2+(y2-y1)2]1/2，

b=[(x3-x1)2+(y3-y1)2]1/2，

c=[(x3-x2)2+(y3-y2)2]1/2

三角形外接圆半径为R=abc/4Δ，其中Δ为三角形面积：S=0.5(a+b+c)

Δ=[S(S-a)(S-b)(S-c)]1/2

由此可以求出该段圆弧曲率：

K=1/R=4Δ/abc，

K即为（x2，y2）点处的曲率。

由以上公式可计算出钢板在最大挠度处节点的横向曲率kmax和纵向曲率KMAX。设kmax（KMAX）随自变量T、F0、H0、E0、G0、a0、c0、y0变化，其中T为板厚，y0为板弯曲加工的最大挠度，F0、H0、E0、G0、a0、c0、y0见下图所示。

图5 参数标记图

利用多元线性回归分的方法建立kmax（KMAX）与各变量T、F0、H0、E0、G0、a0、c0、y0的线性组合关系式，采用最小二乘法，解得回归系数。则有：K=A0+A1T+A2F0+A3H0+A4E0+A5G0+A6a0+A7c0+A8y0，

同时得出：U为回归平方和；Q为残差平方和；RA为剩余标准差；R为相关系数。

计算结果分析，应用有限元法计算平钢板在自重用作下产生的弯曲，约束条件的不同，其结果将有很大的差异。

得出如下求平钢板最大挠度处的横向曲率公式：

kmax=-0.9763-0.2364×T+0.7198×10-3×F0+0.2442×10-4×H0-0.7904×10-3×E0-0.2388×10-4×G0+0.7533×10-2×a0-0.7446×10-2×c0+0.8772×10-2×y0，

影响平钢板横向曲率主要是板厚T，其次是弯曲时给定的是大挠度y0，板长a0、c0及板宽F0。

得出如下求平钢板最大挠度处的纵向曲率公式：

KMAX=0.4766×10-4-0.339×10-5×T+0.2×10-7×H0-0.2×10-7×E0+0.2×10-7×G0+0.3×10-7×a0-0.3×10-7×c0+0.1×10-7×y0，

对纵向曲率计算影响最大的是板厚T，其次是板的长度和宽度。

根据钢管壁板线型可以计算出y0值，同时可以计算出y0处的横向曲率k0和纵向曲率K0。在钢管壁板计算展开以后，可以得到F0等几何尺寸，应用曲率回归公式可以计算出kmax和KMAX。

若 KMAX＞K0 kmax＞k0

则说明钢管壁板靠自重就可以达到纵向和横向的曲度要求，从而不需要任何外力或钢板卷制等加工。

5.2 钢管弧形片体划分

根据钢管的结构和钢板原材料的规格，合理将钢管沿轴线方向划分成若干个（不少于四个）弧形片体，有利于钢管曲线成形，同时降低了起重能力。

图6 钢管弧形片体划分

图7 钢管弧形片体结构

5.3 弧形片体加工制作

加工制作钢管的钢板均为双向定尺寸，有利于提高钢材的利用率。按照钢板排料图，钢管壁的所有钢板先在平面拼装胎架上对接成弧形片体展开板，利用半自动埋弧焊单面焊接双面成形，使每条对接焊缝都达到100%UT。在钢管内壁安装所有竖向肋骨，增加了大片钢板的刚度，便于吊装。利用起重设备将弧形片体展开板垂直放于弯曲胎架上表面，经过精确调整，使每个弧形片体的线形符合钢管曲率，然后安装横向肋骨及其它构件。