超大直徑鋼板鋼管的加工制作技術(shù)研究

        作者:楊亮 陳前標(biāo) 方圓    
        時間:2013-10-14 11:01:56 [收藏]
        通過對目前鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)加工超大直徑鋼板鋼管的技術(shù)研究,引入了“鋼板自重彎管技術(shù)”的概念。提出以一定規(guī)格尺寸的鋼板自重彎曲焊接鋼管為研究對象,詳細(xì)說明鋼板鋼管加工制作過程中原材料鋼板拼焊、自重彎曲、鋼管組裝焊接各階段的施工技術(shù)
            關(guān)鍵詞:超大直徑鋼板鋼管的加工制作

          摘 要:通過對目前鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)加工超大直徑鋼板鋼管的技術(shù)研究,引入了“鋼板自重彎管技術(shù)”的概念。提出以一定規(guī)格尺寸的鋼板自重彎曲焊接鋼管為研究對象,詳細(xì)說明鋼板鋼管加工制作過程中原材料鋼板拼焊、自重彎曲、鋼管組裝焊接各階段的施工技術(shù)。本技術(shù)的實(shí)施,可以杜絕大型或超大型彎管設(shè)備的需求,同時可以實(shí)現(xiàn)多區(qū)域流水施工,大大地提高了整個工程的施工效率,從而達(dá)到降低施工成本和施工難度的目的。

          關(guān)鍵詞:超大直徑;鋼板鋼管;加工制作;鋼板;自重成形;彎曲胎架

          鋼鐵做為當(dāng)今社會的一種可在生資源,未來我國建筑用鋼量會逐漸加大,同時鋼鐵工業(yè)會蓬勃發(fā)展,建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)入了一個快速發(fā)展的嶄新階段。鋼結(jié)構(gòu)的型式多樣化,鋼結(jié)構(gòu)大型構(gòu)件和異形構(gòu)件的制作難度會越來越大,對鋼結(jié)構(gòu)的加工制作和技術(shù)含量也會越來越高。新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的應(yīng)用也會越來越廣泛。國內(nèi)大型和異形建筑鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個較高的水平。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制作、安裝均已基本達(dá)到國際先進(jìn)水平,要求我們結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn),選用合適的鋼結(jié)構(gòu)加工制作工藝,進(jìn)一步提高工程的施工效率和安全性,從而降低施工成本。

          對于超大直徑鋼管的加工制作,同樣需研究出一種適合多種施工條件和環(huán)境下的加工制作工藝。為了解決這一問題,根據(jù)加工制作鋼管的直徑和管臂厚度,沿鋼管軸線方向?qū)⒐鼙鄯譃閹讉€弧形片體平面制作,立面組裝焊接?;⌒纹w平面制作時根據(jù)鋼板處于自由支承狀態(tài)時在自身重力的作用下將引起較大變形的特性,通過鋼板的自重與自重狀態(tài)鋼板橫縱向曲率的計算求法,計算鋼板在自重作用下引起的變形量是否滿足弧形片體的曲線線型。如果計算結(jié)果完全滿足自重彎曲線型,則無需對鋼板進(jìn)行滾壓彎曲,直接將幾塊鋼板在平面胎架上對接拼焊成大片鋼板(弧形片體展開狀態(tài)),然后將大片鋼板垂直置于弧形片體彎曲線型胎架上進(jìn)行自重彎曲成形,最后在總裝胎架上依次將幾個弧形片體進(jìn)行立面拼裝焊接。

          該加工制作工藝合理利用了鋼板的自有特性技術(shù),降低了施工難度,改善結(jié)構(gòu)受力,提高了施工效率,具有明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。隨著國內(nèi)外建筑業(yè)的不斷發(fā)展,各種超大型鋼管工程會越來越多,大型鋼板鋼管自重彎曲成形技術(shù)將會得到廣泛應(yīng)用。

          1

          大型或超大型鋼板卷制焊接鋼管作為一種以鋼板為原材料,采用多塊鋼板彎曲拼焊成形,在卷曲過程需采用大型或超大型專業(yè)卷板機(jī)。在國內(nèi)外,鋼結(jié)構(gòu)加工廠有大型或超大型卷板機(jī)數(shù)量非常有限,甚至沒有滿足卷制超大鋼管的卷板機(jī),導(dǎo)致工程無法實(shí)施。

          能夠使大直徑或超大直徑鋼板鋼管工程順利實(shí)施,對鋼板自重彎管技術(shù)進(jìn)行深入研究。以某工程中超大直徑鋼板鋼管為對象,其鋼板鋼管為規(guī)則圓柱形筒體內(nèi)加橫縱向加筋肋,主要尺寸為:直徑32m,長38m,管壁厚13mm。通過對其加工制作方案選擇、原材料采購、鋼板平面對接、自重彎曲、片體拼裝焊接、質(zhì)量驗(yàn)收等各工序的綜合詳細(xì)描述,使鋼板自重彎曲成形鋼管完全符合設(shè)計要求。

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          鋼板鋼管外形結(jié)構(gòu)(超大直徑鋼板鋼管的加工制作)

          2 技術(shù)特點(diǎn)

          1)無需投入大型卷板機(jī);

          2)適合大型和超大型直徑鋼管制作;

          3)施工面較廣,多條線同時流水作業(yè),制作效率高;

          4)多數(shù)鋼板采用平面自動焊接,減少弧線拼裝;

          5)曲成胎架支承,空間移動定位成形,降低制作難度;

          6)鋼板彎曲不需要外力,利用鋼板的彎曲性能在其自重作用下依靠彎曲胎架自然成形;

          3 鋼板自重彎曲成形原理

          常用彎曲零件成形的方法是利用外力作用下,強(qiáng)制性讓零件彎曲變形,影響原材料的性能等。鋼板自重彎曲成形原理,應(yīng)用到鋼板鋼管加工制作主要分為鋼板自重彎曲曲率計算、鋼管建模放樣、鋼管片體平面拼焊、鋼管片體弧形彎曲和鋼管總拼焊接五個階段。

          根據(jù)制作鋼管的直徑大小和不同厚度管壁鋼板的彎曲性能,通過自重狀態(tài)鋼板橫縱向曲率的計算方法,驗(yàn)證本工程中鋼板自重狀態(tài)下的曲率滿足鋼管成形曲率,合理地確定鋼管軸向弧形片體劃分和劃分的部位,確保鋼管成形后的弧線。采用電腦三維軟件(AUTOCAD)對鋼管進(jìn)行1:1建模,將弧形鋼板展開成平面,降低下料放線難度,確定每塊鋼板的規(guī)格尺寸,完成放線和套料工作。

          參照套料圖對原材料進(jìn)行切割及編號,根據(jù)鋼板的編號在平面拼裝胎架上參照地樣控制點(diǎn)進(jìn)行弧形片體管壁的拼裝和焊接,焊接完成后拼焊軸向構(gòu)件(豎向肋骨),增強(qiáng)管壁剛度便于吊裝。利用大型起重設(shè)備將片體管壁吊裝到弧形彎曲胎架上,利用弧形彎曲胎架的曲線,通過地樣點(diǎn)進(jìn)行定位,局部位置增加適當(dāng)外力將管壁緊靠到彎曲胎架表面,檢查管壁彎曲成形符合要求后拼焊徑向構(gòu)件(橫向肋骨)和臨時加強(qiáng)。利用大型起重設(shè)備在專業(yè)總裝胎架上按照片體先后順序逐一進(jìn)行鋼管總裝,總裝過程中使用專業(yè)立縫焊機(jī)(爬山虎)對兩片體的對接縫進(jìn)行施焊,同時嚴(yán)格控制每塊片體的安裝參數(shù)和焊接質(zhì)量。

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          a)模具壓彎;(b)折彎;(c)拉彎;(d)滾彎;(e)輥壓

          常用彎曲成形方法

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          鋼板自重彎曲成形方法(超大直徑鋼板鋼管的加工制作)

           

          4 鋼板自重彎管工藝流程

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          鋼板自重彎管工藝流程(超大直徑鋼板鋼管的加工制作)

          5 鋼管加工制作主要過程

          5.1 計算鋼板自由狀態(tài)自重彎曲曲率

          平鋼板在自重作用下產(chǎn)生變形,變形前處于同一直線上的點(diǎn),變形后仍處于同一曲線上。若求某點(diǎn)處的橫向和縱向曲率時,可由該點(diǎn)和處同一平面內(nèi)的左右兩點(diǎn)組成圓弧,計算其半徑得到。設(shè)某點(diǎn)為(x2,y2,左點(diǎn)為(x1y1),右點(diǎn)為(x3,y3),其中xi為橫向坐標(biāo),yi為垂向坐標(biāo),i=13。其值可用有限元的計算結(jié)果得到。

          計算三角形邊長:

          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

          三角形外接圓半徑為R=abc/4Δ,其中Δ為三角形面積:S=0.5(a+b+c)

          Δ=[S(S-a)(S-b)(S-c)]1/2

          由此可以求出該段圓弧曲率:

          K=1/R=4Δ/abc

          K即為(x2,y2)點(diǎn)處的曲率。

          由以上公式可計算出鋼板在最大撓度處節(jié)點(diǎn)的橫向曲率kmax和縱向曲率KMAX。設(shè)kmaxKMAX)隨自變量T、F0、H0、E0、G0、a0、c0y0變化,其中T為板厚,y0為板彎曲加工的最大撓度,F0、H0E0、G0、a0c0、y0見下圖所示。

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          參數(shù)標(biāo)記圖

          利用多元線性回歸分的方法建立kmaxKMAX)與各變量T、F0、H0、E0、G0、a0、c0、y0的線性組合關(guān)系式,采用最小二乘法,解得回歸系數(shù)。則有:K=A0+A1T+A2F0+A3H0+A4E0+A5G0+A6a0+A7c0+A8y0,

          同時得出:U為回歸平方和;Q為殘差平方和;RA為剩余標(biāo)準(zhǔn)差;R為相關(guān)系數(shù)。

          計算結(jié)果分析,應(yīng)用有限元法計算平鋼板在自重用作下產(chǎn)生的彎曲,約束條件的不同,其結(jié)果將有很大的差異。

          得出如下求平鋼板最大撓度處的橫向曲率公式:

          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,

          影響平鋼板橫向曲率主要是板厚T,其次是彎曲時給定的是大撓度y0,板長a0、c0及板寬F0。

          得出如下求平鋼板最大撓度處的縱向曲率公式:

          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,

          對縱向曲率計算影響最大的是板厚T,其次是板的長度和寬度。

          根據(jù)鋼管壁板線型可以計算出y0值,同時可以計算出y0處的橫向曲率k0和縱向曲率K0。在鋼管壁板計算展開以后,可以得到F0等幾何尺寸,應(yīng)用曲率回歸公式可以計算出kmaxKMAX。

            KMAXK0       kmaxk0

          則說明鋼管壁板靠自重就可以達(dá)到縱向和橫向的曲度要求,從而不需要任何外力或鋼板卷制等加工。

          5.2 鋼管弧形片體劃分

          根據(jù)鋼管的結(jié)構(gòu)和鋼板原材料的規(guī)格,合理將鋼管沿軸線方向劃分成若干個(不少于四個)弧形片體,有利于鋼管曲線成形,同時降低了起重能力。

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          鋼管弧形片體劃分

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          鋼管弧形片體結(jié)構(gòu)(超大直徑鋼板鋼管的加工制作)

          5.3 弧形片體加工制作

          加工制作鋼管的鋼板均為雙向定尺寸,有利于提高鋼材的利用率。按照鋼板排料圖,鋼管壁的所有鋼板先在平面拼裝胎架上對接成弧形片體展開板,利用半自動埋弧焊單面焊接雙面成形,使每條對接焊縫都達(dá)到100%UT。在鋼管內(nèi)壁安裝所有豎向肋骨,增加了大片鋼板的剛度,便于吊裝。利用起重設(shè)備將弧形片體展開板垂直放于彎曲胎架上表面,經(jīng)過精確調(diào)整,使每個弧形片體的線形符合鋼管曲率,然后安裝橫向肋骨及其它構(gòu)件。

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          平面拼板胎架結(jié)構(gòu)

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          鋼板對接拼焊

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          10  弧形片體轉(zhuǎn)運(yùn)(平胎到彎胎) 

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          11  弧形片體定位自重彎曲

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          12  橫向肋骨組焊 

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          13  弧形片體彎曲成形脫胎

          5.4 鋼管總裝焊接

          鋼管總裝時采用大型起重設(shè)備豎向(軸向)遂片總裝方式,總裝過程中需對弧形片體設(shè)置臨時支承。單個鋼管的所有弧形片體總裝完成后利用專業(yè)半自動立縫焊機(jī)(爬山虎),對弧形片體的對接焊縫進(jìn)行由上到下對稱焊接,采用合理的焊接工藝減少鋼管變形。

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          14  弧形片體吊裝1

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          15  弧形片體吊裝2

          6 結(jié)

          本技術(shù)的應(yīng)用,有利于大直徑或超大直徑鋼管的加工制作,使某些無法卷制的鋼管可以實(shí)現(xiàn),同時降低了施工成本,提高了施工效率,是一項(xiàng)值得研究和參考的技術(shù)。

          參考文獻(xiàn)

          [1]  戴寅生  主編. 《船體外板自重彎曲有限元法研究》, 造船工藝,  2009

          [2]  劉志軍  主編. 2008全國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會論文集》. 合肥  工業(yè)建筑雜志社出版,  2008

          [3]  劉志軍  主編. 2008全國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會論文集》. 合肥  工業(yè)建筑雜志社出版,  2008


          (中機(jī)建重型鋼結(jié)構(gòu)制造有限公司,中山 528437

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