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大口径钢管的弯曲成型工艺的研究及应用

作者：顾晓付等    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：结合沈阳奥林匹克体育中心体育场罩棚钢结构工程大口径钢管的弯曲加工技术，对大口径钢管几种不同的弯曲加工技术进行了总结，并对其各自的优缺点进行了对比分析。 关键词：大口径钢管 中频弯管 钢管冷弯成型 质量控制
    一.工程概况
    沈阳奥林匹克体育中心体育场为一座可容纳六万人的大型体育场，是2008年北京奥运会的主要分赛场之一。其南北看台顶部设置了一对平行投影为梭形的空间钢网壳罩棚结构，在东西两端采用平行弦桁架将南北网壳进行局部连接，该罩棚几何外形可以认为取自一直径约为433米的球体，空间形体近似为一块两端点着地且倾斜放置的西瓜皮，两着地点间水平距离360m，正中最宽处水平投影尺寸111m，最高点距地约82m，钢结构总重量约1.2万吨，总建筑面积1.4万多平方米。
    该罩棚主体结构形式为大跨度拱桁架结合单层（管）网壳的结构体系，根据结构构件的功能，其主体结构相应可分为主拱、环拱及南北联系桁架三部分，其中主拱为倒三角形拱桁架，跨度达360mm，为国内类似结构工程中最大跨度；环拱是由28榀弧形钢管及三道纵向系杆组成的单层网壳结构；南北联系桁架为平面管桁架。东西两面分别由主拱和环拱组成的罩棚结构通过南北两面联系桁架联系在一起，形成完整的结构体系。

    二. 大口径钢管的弯曲成型
    1. 大口径钢管的弯曲成型加工工艺的选定
    本工程的结构造型近似为球面的一部分，大部分杆件为弧形，同时这些杆件又均为大口径钢管，因此，大口径钢管弯曲成型的质量和效率是保证本工程整体质量及工期的重要前提。

    2）．中频弯管适用范围
    中频弯管受设备的转臂范围及进料宽度的限制，根据本中频弯管机的相关参数，限定其适用的弯曲范围为曲率半径在R4.6m~R20m之间的大口径钢管。
    3）．中频弯管工艺特点
    （1）.中频弯管是利用中频弯管机的加热圈套在钢管上对其加热，加热带是很窄的一圈，约为40mm左右，加热温度控制在800~850℃。
    （2）.钢管进行弯曲时，利用钢管自身两端冷却的部分作为支撑，使弯曲在加热带较窄小的宽度里进行，从而达到钢管弯曲成型后圆度不变或变形很小的效果。
    （3）.弯曲成型的最小半径是被弯曲钢管外径的5倍。
    （4）.钢管最佳成型内R应在中频弯管机的转臂范围内，并需一次成型，成型后表面比较光滑，但当一根钢管有两种或两种以上的弯曲R时，要保证整体形状，达到图纸要求是比较困难的；对于内R在中频弯管机的转臂范围外的钢管，只能以直代曲，间隔弯曲，会导致在加热弯管处与冷却平直处有较明显的凹凸伤痕，一般在6mm左右。
    （5）.当弯曲后的钢管总拱高超过弯管机的进料宽度时，若发现超差就很难重弯；如果必须重弯，也只能是间断补偿。
    （6）.另外由于钢管需进行反复加热，其材性在高温之下将受到影响，尤其是对高强度材质的钢管影响会更大。
    （7）.钢管热弯后有三种冷却方法，即水冷、风冷及自然冷却，现时一般采用风冷或自然冷却。
    4）．中频弯管前的准备
    （1）.验证待弯钢管的钢印标记等内容应符合图样要求，钢管两段预留弯管加工所需的余量（具体可根据试验确定）。
    （2）.对待弯曲钢管的表面污物清理干净后进行宏观检查，有重皮、表面裂纹、划痕、凹坑及表面腐蚀严重的钢管部位应进行修磨。
    （3）.钢管经修磨后的实际壁厚应符合图样的要求。
    （4）.钢管测厚：对所有重要用途钢管的待弯曲部位，在周围方向均部取四点，沿钢管轴线方向每间隔300mm逐点测厚，并挑选较厚的一侧作为弯曲拉伸面。
    5）．中频弯管的加热温度及冷却方式

    6）．中频弯管原则工艺要求
    （1）.中频弯管采用的电流、电压需按待弯钢管的材质硬度来调试确定。
    （2）.弯制速度要求控制在约10cm/s。
    （3）.开始弯管后要求连续性弯曲，尽量控制弯曲钢管在弯制过程中一次成型，预防中途停顿。
    （4）.中频加热弯曲后必须立即对弯曲钢管进行冷却，冷却方式有多种方式，一般采用边弯曲边用风冷的方式进行冷却，避免弯曲后产生变形。
    （5）.弯曲后矫正：钢管弯曲后经检验不合格的钢管需要对其进行矫正，矫正在专用钢管弯曲矫正设备上进行，直到达到检验要求。
    7）．中频弯管过程中应注意的事项
    （1）应避免多次加热，多次加热会导致钢管（材质）变脆，造成硬化；
    （2）加工温度过低时，应避免强行进行弯曲，因钢材温度在500℃以下时，极限强度与屈服点到达最大值，塑性显著降低，处于蓝脆状态，受力后会导致钢材内部组织破坏，产生裂纹。
    3. 大口径钢管采用冷弯弯曲成型的加工工艺
    1）．冷弯设备的选用及改造
    由于本工程钢管均为大口径钢管，经计算及工艺考虑，选用2000吨油压机作为冷弯弯曲设备。同时为配合钢管在压制过程中的移位及操作的方便，对2000吨油压机平台进行了改造。
    采用2000吨油压机进行钢管的弯曲，最关键的是上下压模的设计，其设计需综合考虑自身强度、待弯钢管的截面尺寸及装卸的方便性等多种因素，而下压模的布置还需要结合2000吨油压机的性能并通过试制来确定，本工程在批量弯制钢管前，通过多次试验，反复优化上下压模的设计方案，最终形成了一套功效高、独具特色的上下压模如下图所示：

    2）．冷弯弯管适用范围
    冷弯弯管受2000吨油压机的油缸的行程及最大压力的限制，根据本2000吨油压机的相关参数，限定其适用的弯曲范围为曲率半径在R21m~R50.9m之间的大口径钢管。
    3）．冷弯弯管工艺的特点
    （1）.由于采用油压机进行钢管压制时，需通过下压模的支撑，考虑到下压模自身的支撑宽度，为保证整根钢管全长的压制，必须把待压制的钢管接长，即在待压制钢管的两端分别对接一段临时钢管作为支撑钢管，待钢管压制成型后，再切割两端的临时接长段，从而保证压制钢管端部的光滑过渡。
    （2）.冷弯弯曲钢管是用专用的模具装在液压机上对钢管进行压制。
    （3）.冷弯弯曲钢管是用两台行车将钢管移动压制，逐步移动逐步压制。
    （4）.冷弯弯管过程中可通过调整上下压模和油缸行程对一根钢管进行不同弯曲半径的压制，或通过调整钢管的压制方向，对同一根钢管进行不同平面内的半径压制。
    （5）.由于油压机不受进料宽度的限制，如果发现弯曲度不够可以移至需重弯部位进行重新压制直到合格，如果弯曲量过大可以翻身反向压制。
    4）．冷弯弯管原则工艺要求
    （1）.冷弯弯管采用从一端向另一端逐步压弯，每次压弯量约为500mm，压制时下压量必须进行严格控制，下压量根据钢管的曲率半径进行计算，分为多次压制成型，以使钢管表面光滑过渡，不产生较大的皱褶，吸取本公司多年的施工经验，钢管冷压压弯每次下压量见表2.3.4。

    注：H为钢管压制长度范围内的理论拱高。
    （2）.下压量控制采用标杆控制法，采用在钢管侧立面立一根带刻度的标杆，下压量通过与标杆上的刻度进行对比来控制，
    （3）.钢管压制后使用特制样板检测钢管弯曲部位，符合要求后吊出油压机，放在专用平台上进行复测，确认合格后根据图纸划出弯管中心线和端面位置线，进行切割两端临时接长段，然后把对接坡口打磨光顺。
    （4）.为了便于控制弯曲质量，钢管上需预先划好加工线，分好各个弯曲R，并标明拱高、弯曲半径R。
    （5）为确保钢管成型后不扭曲，弯曲时上模中心一定对准钢管中心线，操作时对弧度响应弯曲边进行检测。
    三．中频热弯弯管和冷弯弯管两种加工工艺的对比
    （1）.中频热弯弯曲采用中频弯管机进行热弯；冷弯弯曲是采用经过改造的2000t油压机和专门设计的上、下压模进行冷加工成型。
    （2）.经过总结，中频热弯弯曲一般适用于曲率半径在R4.6m～R20m之间的大口径钢管的弯曲成型；冷弯弯曲一般适用于曲率半径在R21m～R50.9m之间的大口径钢管的弯曲成型。
    （3）.中频热弯弯曲由于是局部加热，成型后在加热与冷却处有较明显的凹凸；冷弯弯曲成型后，表面质量较好，无明显的痕迹。
    （4）.中频热弯弯曲成型后，若发现超差，较难重新弯制；冷弯弯曲可根据要求重复压制修正，成型的质量较好。
    （5）.中频热弯弯曲无法对同一根钢管进行两种不同半径的弯制；冷弯弯曲可以通过对压模的调整，实现对同一根钢管进行两种以上半径的弯制。
    （6）.中频热弯弯曲需对钢管进行加热，钢管煨弯后一般采用风冷，对钢管的母材材性会造成一定的影响；冷弯弯曲由于是冷加工，对钢管的母材材性的影响较小。
    （7）.中频热弯弯曲需对钢管进行加热，工效较低，用电量较大；冷弯弯曲操作简单，不需对钢管进行加热，因此工效较高，用电量少。
    四.结语
    本文结合沈阳奥林匹克体育中心体育场罩棚钢结构工程中大口径钢管的加工，对大口径钢管的中频弯曲成型工艺和冷弯弯曲成型工艺这两种工艺进行了较为全面、系统的研究和论证，总结和完善了国内这项工艺，为大口径钢管的弯曲成型提供了指导性工艺。通过本工程对这两种工艺的验证，说明这两种加工工艺均可行，但冷弯弯管工艺在质量和工效两方面均由于中频弯管工艺，其应用前景广阔。
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