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大口徑鋼管的彎曲成型工藝的研究及應用

作者：顧曉付等    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：結合沈陽奧林匹克體育中心體育場罩棚鋼結構工程大口徑鋼管的彎曲加工技術，對大口徑鋼管幾種不同的彎曲加工技術進行了總結，并對其各自的優缺點進行了對比分析。 關鍵詞：大口徑鋼管 中頻彎管 鋼管冷彎成型 質量控制
    一.工程概況
    沈陽奧林匹克體育中心體育場為一座可容納六萬人的大型體育場，是2008年北京奧運會的主要分賽場之一。其南北看臺頂部設置了一對平行投影為梭形的空間鋼網殼罩棚結構，在東西兩端采用平行弦桁架將南北網殼進行局部連接，該罩棚幾何外形可以認為取自一直徑約為433米的球體，空間形體近似為一塊兩端點著地且傾斜放置的西瓜皮，兩著地點間水平距離360m，正中最寬處水平投影尺寸111m，最高點距地約82m，鋼結構總重量約1.2萬噸，總建筑面積1.4萬多平方米。
    該罩棚主體結構形式為大跨度拱桁架結合單層（管）網殼的結構體系，根據結構構件的功能，其主體結構相應可分為主拱、環拱及南北聯系桁架三部分，其中主拱為倒三角形拱桁架，跨度達360mm，為國內類似結構工程中最大跨度；環拱是由28榀弧形鋼管及三道縱向系桿組成的單層網殼結構；南北聯系桁架為平面管桁架。東西兩面分別由主拱和環拱組成的罩棚結構通過南北兩面聯系桁架聯系在一起，形成完整的結構體系。

    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
    本工程的結構造型近似為球面的一部分，大部分桿件為弧形，同時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量和效率是保證本工程整體質量及工期的重要前提。

    2）．中頻彎管適用范圍
    中頻彎管受設備的轉臂范圍及進料寬度的限制，根據本中頻彎管機的相關參數，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
    （1）.中頻彎管是利用中頻彎管機的加熱圈套在鋼管上對其加熱，加熱帶是很窄的一圈，約為40mm左右，加熱溫度控制在800~850℃。
    （2）.鋼管進行彎曲時，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行，從而達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R應在中頻彎管機的轉臂范圍內，并需一次成型，成型后表面比較光滑，但當一根鋼管有兩種或兩種以上的彎曲R時，要保證整體形狀，達到圖紙要求是比較困難的；對于內R在中頻彎管機的轉臂范圍外的鋼管，只能以直代曲，間隔彎曲，會導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）.當彎曲后的鋼管總拱高超過彎管機的進料寬度時，若發現超差就很難重彎；如果必須重彎，也只能是間斷補償。
    （6）.另外由于鋼管需進行反復加熱，其材性在高溫之下將受到影響，尤其是對高強度材質的鋼管影響會更大。
    （7）.鋼管熱彎后有三種冷卻方法，即水冷、風冷及自然冷卻，現時一般采用風冷或自然冷卻。
    4）．中頻彎管前的準備
    （1）.驗證待彎鋼管的鋼印標記等內容應符合圖樣要求，鋼管兩段預留彎管加工所需的余量（具體可根據試驗確定）。
    （2）.對待彎曲鋼管的表面污物清理干凈后進行宏觀檢查，有重皮、表面裂紋、劃痕、凹坑及表面腐蝕嚴重的鋼管部位應進行修磨。
    （3）.鋼管經修磨后的實際壁厚應符合圖樣的要求。
    （4）.鋼管測厚：對所有重要用途鋼管的待彎曲部位，在周圍方向均部取四點，沿鋼管軸線方向每間隔300mm逐點測厚，并挑選較厚的一側作為彎曲拉伸面。
    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硬度來調試確定。
    （2）.彎制速度要求控制在約10cm/s。
    （3）.開始彎管后要求連續性彎曲，盡量控制彎曲鋼管在彎制過程中一次成型，預防中途停頓。
    （4）.中頻加熱彎曲后必須立即對彎曲鋼管進行冷卻，冷卻方式有多種方式，一般采用邊彎曲邊用風冷的方式進行冷卻，避免彎曲后產生變形。
    （5）.彎曲后矯正：鋼管彎曲后經檢驗不合格的鋼管需要對其進行矯正，矯正在專用鋼管彎曲矯正設備上進行，直到達到檢驗要求。
    7）．中頻彎管過程中應注意的事項
    （1）應避免多次加熱，多次加熱會導致鋼管（材質）變脆，造成硬化；
    （2）加工溫度過低時，應避免強行進行彎曲，因鋼材溫度在500℃以下時，極限強度與屈服點到達最大值，塑性顯著降低，處于藍脆狀態，受力后會導致鋼材內部組織破壞，產生裂紋。
    3. 大口徑鋼管采用冷彎彎曲成型的加工工藝
    1）．冷彎設備的選用及改造
    由于本工程鋼管均為大口徑鋼管，經計算及工藝考慮，選用2000噸油壓機作為冷彎彎曲設備。同時為配合鋼管在壓制過程中的移位及操作的方便，對2000噸油壓機平臺進行了改造。
    采用2000噸油壓機進行鋼管的彎曲，最關鍵的是上下壓模的設計，其設計需綜合考慮自身強度、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合2000噸油壓機的性能并通過試制來確定，本工程在批量彎制鋼管前，通過多次試驗，反復優化上下壓模的設計方案，最終形成了一套功效高、獨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噸油壓機的油缸的行程及最大壓力的限制，根據本2000噸油壓機的相關參數，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
    （1）.由于采用油壓機進行鋼管壓制時，需通過下壓模的支撐，考慮到下壓模自身的支撐寬度，為保證整根鋼管全長的壓制，必須把待壓制的鋼管接長，即在待壓制鋼管的兩端分別對接一段臨時鋼管作為支撐鋼管，待鋼管壓制成型后，再切割兩端的臨時接長段，從而保證壓制鋼管端部的光滑過渡。
    （2）.冷彎彎曲鋼管是用專用的模具裝在液壓機上對鋼管進行壓制。
    （3）.冷彎彎曲鋼管是用兩臺行車將鋼管移動壓制，逐步移動逐步壓制。
    （4）.冷彎彎管過程中可通過調整上下壓模和油缸行程對一根鋼管進行不同彎曲半徑的壓制，或通過調整鋼管的壓制方向，對同一根鋼管進行不同平面內的半徑壓制。
    （5）.由于油壓機不受進料寬度的限制，如果發現彎曲度不夠可以移至需重彎部位進行重新壓制直到合格，如果彎曲量過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，壓制時下壓量必須進行嚴格控制，下壓量根據鋼管的曲率半徑進行計算，分為多次壓制成型，以使鋼管表面光滑過渡，不產生較大的皺褶，吸取本公司多年的施工經驗，鋼管冷壓壓彎每次下壓量見表2.3.4。

    注：H為鋼管壓制長度范圍內的理論拱高。
    （2）.下壓量控制采用標桿控制法，采用在鋼管側立面立一根帶刻度的標桿，下壓量通過與標桿上的刻度進行對比來控制，
    （3）.鋼管壓制后使用特制樣板檢測鋼管彎曲部位，符合要求后吊出油壓機，放在專用平臺上進行復測，確認合格后根據圖紙劃出彎管中心線和端面位置線，進行切割兩端臨時接長段，然后把對接坡口打磨光順。
    （4）.為了便于控制彎曲質量，鋼管上需預先劃好加工線，分好各個彎曲R，并標明拱高、彎曲半徑R。
    （5）為確保鋼管成型后不扭曲，彎曲時上模中心一定對準鋼管中心線，操作時對弧度響應彎曲邊進行檢測。
    三．中頻熱彎彎管和冷彎彎管兩種加工工藝的對比
    （1）.中頻熱彎彎曲采用中頻彎管機進行熱彎；冷彎彎曲是采用經過改造的2000t油壓機和專門設計的上、下壓模進行冷加工成型。
    （2）.經過總結，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，表面質量較好，無明顯的痕跡。
    （4）.中頻熱彎彎曲成型后，若發現超差，較難重新彎制；冷彎彎曲可根據要求重復壓制修正，成型的質量較好。
    （5）.中頻熱彎彎曲無法對同一根鋼管進行兩種不同半徑的彎制；冷彎彎曲可以通過對壓模的調整，實現對同一根鋼管進行兩種以上半徑的彎制。
    （6）.中頻熱彎彎曲需對鋼管進行加熱，鋼管煨彎后一般采用風冷，對鋼管的母材材性會造成一定的影響；冷彎彎曲由于是冷加工，對鋼管的母材材性的影響較小。
    （7）.中頻熱彎彎曲需對鋼管進行加熱，工效較低，用電量較大；冷彎彎曲操作簡單，不需對鋼管進行加熱，因此工效較高，用電量少。
    四.結語
    本文結合沈陽奧林匹克體育中心體育場罩棚鋼結構工程中大口徑鋼管的加工，對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行了較為全面、系統的研究和論證，總結和完善了國內這項工藝，為大口徑鋼管的彎曲成型提供了指導性工藝。通過本工程對這兩種工藝的驗證，說明這兩種加工工藝均可行，但冷彎彎管工藝在質量和工效兩方面均由于中頻彎管工藝，其應用前景廣闊。
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