鋼管的熱彎制作工藝研究

張發榮 何志濤 陳 曦

(1.湖北精工楚天鋼結構有限公司,湖北武漢 430312;2.武漢船舶職業技術學院船舶工程系,湖北武漢 430050)

鋼管結構在建筑工程中已經得到了廣泛的應用,而經過彎曲加工一定直徑的鋼管作為桁架結構的上下弦桿也越來越多地出現在一些大跨度的鋼結構工程中。在制作工藝中對于曲率大、彎曲弧度相對較大的鋼管,為確保鋼管在彎曲過程中,不出現材料力學性能上較大的變化,避免加劇對工程結構承受載荷方面的影響,一般采用熱彎工藝對其進行拉彎。對于主要由弧形立體桁架柱和平面格構柱以及環形桁架組成,上部結構為不規則單層網架結構體系,外形是不規則曲面,由六段球面拼接而成,水平投影長軸半徑為39.218米,短軸半徑為30.966米,矢高為4.670米,結構最大懸挑為26.2米的龐大受力體系的鋼結構工程來說,保證桁架結構的各構件精度顯得尤為重要(如圖1、圖2)。針對鋼管在彎曲過程中,半徑小、曲率大、彎曲弧度大、精度高等一系列技術難題,結合工廠現有拉彎機器自身所存在的局限性,本文對鋼管拉彎工序進行了探討。

圖1 某大游泳館鋼結構

圖2 某大體育場鋼結構

1 工廠制作

1.1 制作難點

由于受到運輸條件的限制,所做桁架的各弦桿和腹桿構件只能散件發現場,到工地進行拼裝。對于桁架柱弦桿、環形構件來說,均為彎管構件,要保證各拼接點圓滑過渡,讓主桁架與曲梁和環向構件準確連接,而且單個桿件的尺寸誤差必須控制在允許的范圍內,難度是很大的。因此,工廠的制作工藝側重點放在鋼管拉彎準確度的控制上。

1.2 采用計算機放樣

由于該工程桁架結構體系龐大,管構件連接外形復雜,對于各構件的準確連接至關重要。因此,工廠型材在加工前必須經過計算機進行精確放樣來對鋼管彎曲的弧度進行準確的定位,然后借助放樣后的型值和計算機顯示各節點的坐標,在圖紙上來進行準確的表達。在借助計算機進行放樣時,尤其是主桁架弦桿的放樣,要求將相貫點、對接節點以及耳板連接開槽區域范圍準確無誤地表達出來。由于受彎管機器和工廠場地的限制,主桁架跨度達到幾十米的構件,要求將一段一段的鋼管彎制成弧長不大于12m的構件出廠,對于鋼管彎制成弧長小于5m的構件,要求將相同規格型號的管構件進行合并,待彎管完成后再進行拆分切割。放樣時,為保證彎管構件的圓弧精度,要求在計算機上把所劃分的構件單獨取出,測出弦長和矢高,作為工廠加工定位坐標和合地樣的主要數據(如圖3)。

圖3 桁架弦桿放樣圖

由于弦桿為不規則圓弧,實際外形由眾多空間圓擬合而成,因此,在彎管機器上加工后的管構件也只能是一個近似于圖樣標準的構件,其弧度誤差在5～15 mm的范圍內,還必須經過合地樣后進行進一步的校核才能符合規定的尺寸標準。為此,準確選取弦長和矢高在這個環節就顯得尤為重要。

1.3 主桁架、環形構件鋼管圓弧的加工制作

1.3.1 制作工藝方案的確定

如圖4,制作中,所要求的主桁架弦桿、環形管件規格為 φ377 mm×14 mm、φ402 mm ×16 mm、φ450mm×22 mm的鋼管,整根弦桿要彎曲成不同半徑的圓弧形狀,加工難度大。由于受工廠彎管機器設備的局限,很難達到設計標準所要求的曲率大、精度高的圓弧管構件。考慮到制作工期、工時等多方面的因素,只能采用彎管機器首先進行初步拉彎,首次拉彎弧度誤差為 5～15 mm左右,然后經過在平臺上合地樣,用機械外力和火焰的方法進行進一步彎曲校核。由于對大直徑鋼管進行彎曲不方便手工操作,同時用彎管機器進行操作也很難保證鋼管兩端的直線段。因此,在彎曲時針對不同的圓弧長度和圓弧半徑,按工藝要求擬定了不同的彎管制作方案(如圖5)。

圖4 鋼管彎制操作原理簡圖

1)對于相同尺寸半徑而不相鄰對接的圓管,要求對其進行合并,然后在合并構件兩端各焊接一段輔助鋼管作為夾持端余量,但圓弧的總長度不大于12 m;

圖5 輔助鋼管對接圖樣

2)對于必須單個進行彎曲且圓弧長度大于5 m的鋼管,在鋼管兩端各焊接一段輔助鋼管作為夾持端余量,但圓弧的總長度不大于12 m;

3)對于必須單個進行彎曲且圓弧長度小于5 m的鋼管,在鋼管一端對接一段長的輔助鋼管,在鋼管另一端焊接一段輔助鋼管作為夾持端余量,但圓弧總長度不大于12m;(如圖6、圖7)

圖6 熱感應圈

圖7 拉桿端頭

為消除彎制直線段,進一步對彎管進行校正,保證其精確度。根據實際情況,選擇合理的方案,然后通過地樣檢測后,采用分段逐點近似逼近法,依據確定的弦長和矢高在圓弧的準確部位,選取可行的校核方法對平面圓弧的彎曲度進行人工彎制、校核。

1.3.2 彎制過程的控制

鋼管在彎制前必須先按照制作工藝方案將鋼管的兩端焊接一段輔助鋼管作為夾持端余量,然后通過吊裝機械放到彎管機器上,在機器上通過工裝夾具固定好管件,在鋼管的前端固定好拉桿,末端固定好與液壓泵推動軸的拉線后,然后根據待彎鋼管的規格尺寸(半徑、壁厚等參數)在操作平臺上調整液壓泵推程進度(液壓泵轉速)、加熱電壓電流、彎管弧度半徑(拉桿長度)等相應的工藝參數進行鋼管的彎制(部分參數見表1)。

圖8 液壓推動

圖9 半徑拉桿

表1 彎管機器部分參數對照表

1.3.3 半徑精度的調控

在彎制過程中,鋼管彎制半徑主要是通過拉桿來進行控制,其半徑精度通過半徑旋轉軸上攻絲系統來進行微度的調節,從而來滿足鋼管彎制半徑及弧度的需求(如圖10)。

圖10 拉桿、導軌裝置

1.3.4 實地放樣校核

彎制后用吊裝機械將已彎管件卸載到放樣平臺上,在平臺上按1:1放實樣作預組裝基準線,并設置合樣地樁。然后吊裝預組裝構件,用輔助定位塊定出圓弧外形,然后在平臺上將彎管與之進行合樣,通過合樣后在鋼管上表面畫出加熱線和待需進一步進行校核的部位,見圖11、圖12。

圖11 液壓管路

圖12 液壓系統

校核時用火焰對鋼管劃線部位進行加熱,與平臺放樣地樁逐漸貼近,直至滿足要求。加熱部位、加熱形狀、加熱間隔大小和加熱溫度(加熱時注意應避開藍脆區溫度200～400℃)在加熱過程中都必須進行控制,以免出現過燒或加熱不到位而產生斷面變形、皺褶、圓弧過大或過小等缺陷,進而影響彎管總體的質量。同時在加工后對每件彎曲鋼管的長度誤差、曲率誤差及矢高誤差作詳細的加工記錄,繪制用于現場拼接的曲線圖,以便確的對拼裝管件進行分析。待單根管件彎制和精度校核都完畢后,最后對整榀桁架(三片)中每一片弦桿進行拼裝后整體放樣,確定誤差的多少,與設計標準相比較,然后根據實際情況對整體進行拼裝精度校核。

2 余量的選取

考慮到構件的經濟成本以及工廠加工節料、加熱收縮余量及現場焊接收縮余量等相關因素,鋼管在工廠進行彎制前必須根據制定出的可行性工藝方案和可靠的設計標準依據。因此,主桁架的弦桿和環向管構件在彎制過程中夾持端由工廠焊接一段輔助鋼管作為夾持端余量,避免鋼管彎制完畢后再對端部夾持端進行切割,造成材料的過多浪費,其余有關加熱收縮和現場焊接以及現場對接預留間隙等根據工藝和深化設計要求:桁架柱頂端的一榀桁架弦桿預留50mm的對接裝配余量,桁架主弦桿在長度方向每米預留 0.5 mm余量;在對接套料方面要求對接最短長度大于800mm,接頭位置與相貫點錯開600mm(弦桿有開槽除外),主弦桿在跨中1/3處禁止有接頭,見圖13、圖14。

圖13 控制臺

圖14 已彎鋼管一

在工廠進行鋼管彎制時夾持端頭、裝配間隙和收縮余量的選取非常重要。因此,制作中必須對各主桁架間連接處的裝配余量和焊接余量加以慎重考慮,以保證在現場組裝的精度。

3 彎管坡口及標識

工廠加工的管構件打包發散件到現場后,現場為了能夠準確進行桁架的拼裝焊接,則工廠在制作的過程中,對彎管構件的制作要全面完善,保證能夠很精確的進行現場安裝,要求工廠對管構件端部的坡口和構件編號要呈現出來。考慮到鋼管在加工前要輔助鋼管作為夾持端余量以及彎制過程中由于加熱端部會產生變形,所以要求管構件在加工完成后再用半自動管道切割機對其進行對接部位坡口的加工。同樣為了確保在現場安裝過程中,各桁架的主弦桿能夠按照一致的構件編號進行有效的安裝,則在工廠加工過程中要求對管構件內壁進行記號筆標識,外壁距端部150mm處進行鋼印號和記號筆標識(如圖15)。

圖15 構件的標識