大直径钢管加工.doc

大直径钢管加工
第五工程有限公司 颜超
摘 要 唐家湾特大桥主墩4号墩采用大直径钢管格构叠和柱，其中大直径钢管的生产包括原材料采购、试验、钢管卷制、焊接、探伤、预组装等。以上工序的正确施工是保证叠和柱质量的前提，也是决定工程进度的关键因素。所以大直径钢管的加工是决定工程是否能按期竣工的关键所在。
关键词 大直径钢管 加工
1 工程概况
唐家湾特大桥主墩采用大直径钢管格构叠和柱，格构分层高度一般为12m，上下节段根据相应标高进行调整。钢管内浇筑高标号C60高抛混凝土，在钢管外包裹20cm防裂C30混凝土，形成叠和受力结构。 4#主墩墩高75m，共分为7个施工段，总计包括6个系梁施工平台，全部钢管采用材质Q345B钢材，直径均为1320mm。在路线前进方向，叠和墩按70：1进行收坡，在路线横向保持垂直。每个系梁平台混凝土浇筑完成达到规定强度后，进行预应力张拉。
技术重点主要包括：大直径钢管的制作，钢管安装，钢管标高、轴线控制，管内混凝土施工，管外20cm厚混凝土施工，50cm厚腹板混凝土施工。现主要对大直径钢管的加工做些探讨。
2 投入的设备
钢管加工厂设置了切割区、卷管区、单节钢管对圆及焊接区、自动焊焊接区、联段作业区、预组装区、附属件组装区。各个区域配置的主要机械设备有：
2.1切割区：六组划线、切割平台、有半自动切割机、手工切割枪、空气等离子切割机；
2.2卷管区：W11S—30×2000卷板机；
2.3单节钢管对圆及焊接区：ZX7—400S逆变焊机 、10—15台、ZX5—630逆变焊机2～3台、0.93空压机2台；
2.4自动焊焊接区：自动焊焊接控制系统1套、二氧化碳焊机1台、Zx3—630逆变焊机1台、0.9m3空压机1台；
2.5联段作业区：联段平台，ZX7—400逆变电焊机2台、自动焊焊接控制中心1套、NB二氧化碳焊机1台；
2.6预组装区：14m组装平台2套；
2.7附属件组装区：ZX7—400S逆变焊机2台。
3 大直径钢管的加工及检测
3.1加工流水线
钢板卸车、分类堆放→抽检→铺板、划线→坡口制备（半自动切割）→卷管→对圆、纵缝焊接→24小时后探伤检查→校圆→联段→自动焊环缝→环缝探伤检查→大组装(12m) →预组装(14m) →附件安装→标识→防腐→出厂
3.2具体步骤
3.2.1进料
按设计施工图要求由工厂提供的钢管应有出厂合格证。由施工单位自行卷制的钢管，其钢板必须平直，不得使用表面锈蚀或受过冲击的钢板，并应有出厂证明书或试验报告单。
根据《钢结构工程施工及验收规范》（GBJ 205-83），钢管加工材料应满足下列质量要求：
3.2.1.1钢材应附有质量证明书，并符合设计文件的要求。如对钢材的质量有疑义时，应抽样检验，其结果应符合国家标准的规定和设计文件的要求方可采用。
3.2.1.2钢材表面锈蚀、麻点或划痕的深度不得大于该钢材厚度负偏差值的一半；断口处如有分层缺陷，应会同有关单位研究处理。
3.2.1.3连接材料(焊条、焊丝、焊剂、高强度螺栓、精制螺栓、普通螺栓及铆钉等)和涂料(底漆及面漆等)均应附有质量证明书，并符合设计文件的要求和国家标准的规定。
3.2.1.4严禁使用药皮脱落或焊芯生锈的焊条、受潮结块或已熔烧过的焊剂。
3.2.2放样、号料和切割
人工划线应充分考虑因坡口、制备、纵环缝焊接收缩等引起的变形加工余量。具体来说变形量与坡口型式、坡口角度，组对间隙，选用的焊接方法及环境温度等因素有关，这些因素的确定需要通过焊接工艺的评定来获得。
根据《钢结构工程施工及验收规范》（GBJ 205-83），放样、号料和切割应满足下列要求：
3.2.2.1放样和号料，应根据工艺要求预留焊接收缩余量及切割、刨边和铣平等的加工余量。
3.2.2.2零件的切割线与号料线的允许偏差应符合下列规定：
手工切割 ±2.0mm；自动、半自动切割 ±1.5mm；精密切割 ±1.0mm。
3.2.2.3切割前，应将钢材表面切割区域内的铁锈、油污等清除干净；切割后，断口上不得有裂纹和大于1.0mm的缺棱，并应清除边缘上的熔瘤和飞溅物等。
3.2.2.4切割截面与钢材表面不垂直度应不大于钢材厚度的10%，且不得大于2.0mm。
3.2.2.5精密切割的零件，其表面粗糙度不得大于0.03mm。
3.2.2.6机械剪切的零件，其前切线与号料线的允许偏差不得大于2.0mm；断口处的截面上不得有裂纹和大于1.0mm的缺棱，并应清除毛刺。
3.2.2.7机械剪切的型钢，其端部剪切斜度不得大于2.0mm，并应清除毛刺。
3.2.2.8普通碳素结构钢工作地点温度低于－20℃、低合金结构钢工作地点温度低于－15℃时，不得剪切和冲孔。
3.2.3坡口
卷制钢管前，应根据要求将板端开好坡口。为适应钢管拼接的轴线要求，钢管坡口端应与管轴线严格垂直。卷板过程中，应注意保证管端平面与管轴线垂直。根据《钢结构工程施工及验收规范》（GBJ 205-83），不同的板厚，焊接坡口应符合表1的要求。
表1
坡口
名称
焊接
方法
厚度
钝边
垫板
厚度
内侧
间隙
外侧
间隙
坡口
高度
坡口
半径
坡口
角度
坡口形式
附注
齐边
I型
自动焊
＜14
1±1

0+2

V
型
坡
口
手工焊
6~8
10~26
2±1

1±1
2±1

70°±5°60±5°

自动焊
16~22
7±1

0±1

60°±5°

U
型
坡
口
自动焊
＜30
2±1
6
2±1
7±1

3.5±1

＞30
2±1
8
4±1
13±1

6.5±1

＞25
2±1

0±1
13±1
3±1
6.5±1
90°±5°

坡口制备用半自动切割机，空气等离子切割机。坡口角度原则上按设计图纸规定，或调整其角度，一般控制在

坡口切割后，用砂轮机修磨毛刺、氧化铁。
3.2.4矫正、弯曲和边缘加工
3.2.4.1普通碳素结构钢工作地点温度低于－16℃、低合金结构钢工作地点温度低于－12℃时，不得冷矫正和冷变曲。
矫正后的钢材表面不得有明显的凹面和损伤，表面划痕深度不宜大于0.5mm。
3.2.4.2钢材矫正后的允许偏差应符合钢材矫正后的允许偏差的规定。
3.2.4.3零件、部件在冷矫正和冷弯曲时，其曲率半径和最大弯曲矢高，如设计无要求，应参照冷矫正和冷弯曲的最小曲率半径和最大弯曲矢高的允许值的规定。

钢材矫正后的允许偏差 表2
项次
项目
示意图
允许偏差
1
钢板、扁钢的局部挠曲矢高ƒ

在1米范围内
d≤1.0mm
IJ1.5mm
d≥1.1mm
IJ1.0mm
2
角钢、槽钢、工字钢的挠曲矢高ƒ

长度的
但不大于5.0mm
3
角钢肢的不垂直度△

b
100

△≤——

但双肢铆、栓连接角钢的角度不得大于90°
4
曹钢、工字钢翼缘的倾斜度△

b
80

△＜——

冷矫正和冷弯曲的最小曲率半径和最大弯曲矢高的允许值 表3
项次
钢材类别
示意图
x-x
u-u
矫 正
弯 曲
r ƒ
r ƒ
1
钢板扁钢

x-x
L2
400d

50b ——
L3
200d

25b ——
u-u
(仅对扁钢轴线)
L2
800b

100b ——
L1
400b

50b ——
2
角钢

x-x
L2
720b

90b ——
L1
360b

45b ——
3
轴钢

x-x
L1
400h

50h ——
L1
200h

25h ——
u-u
L1
720b

30b ——
L1
300b

45b ——
4
工字钢

x-x
L1
400h

50b ——
L2
200h

25h ——
u-u
L1
400b

50b ——
L1
200b

25b ——
注：r-曲率半径;f-弯曲矢高;L-弯曲弦长;σ-钢板厚度
3.2.4.4普通碳素结构钢和低合金结构钢，允许加热矫正，其加热温度严禁超过正火温度(900℃)。加热矫正后的低合金结构钢必须缓慢冷却。
3.2.4.5零件热加工时，加热温度为1000～1100℃(钢材表面呈现淡黄色)；普通碳素结构钢温度下降到500～550℃之前(钢材表面呈现蓝色)和低合金结构钢温度下降到800～950℃之前(钢材表面呈现红色)应结束加工，并应使其加工件缓慢冷却。
3.2.4.6加工弯曲的零件，其弦长大于1500mm，应用弦长不小于1500mm的弧形样板检查；弯曲零件弦长小于1500mm时，样板的弦长应与零件的弦长相等，其间隙不得大于2.0mm。
3.2.4.7刨边的零件，其刨边线与号料线的允许偏差为±1.0mm；刨边线的弯曲矢高不应超过弦长的1/3000，且不得大于2.0mm；铣平面的表面粗糙度不得大于0.03mm。
3.2.4.8焊接坡口加工尺寸的允许偏差应符合国家标准《手工电弧焊焊接接头的基本型式与尺寸》(GB985-80)和《埋弧焊焊接接头的基本型式与尺寸》(GB986-80)中的有关规定。
3.2.5卷板
卷管方向应与钢板压延方向一致。严格控制钢管椭圆度，首先制作加工弦长为0.5D（且不小于500mm）的样板，配合在卷板过程中检查钢管的成型弧度。
卷板机为上辊万能式卷板机，上辊可以作上下、左右移动，这样就可以直接起弧、压弧，实现一次成型，效率高、质量好。卷板应满足下列要求：
卷板方向与钢板压延方向一致；
卷板时严禁用锤击钢板，并随时清除剥落的氧化皮，以免在卷板过程中造成新的伤痕；
卷板采用整卷工艺，弧度通过样板检查；
压制过程中一次下压量不应过大，宜分多次（Q345钢板要比Q235钢板多加工3次）压制成型；
卷制后的瓦片以自由状态立于平台上，用样板检查其弧度，使样板与瓦片间的极限间隙为1.5mm。
3.2.6对圆与纵缝焊接
主要控制上、下管口的允许不平度、周长、圆度、对接间隙、错边量。
3.2.6.1对圆在平台上进行，其管口的不平度应控制在1～2mm之内。
3.2.6.2周长：按实测周长与设计周长差控制在±3D/1000，且之差控制在±10mm之内；
3.2.6.3相邻管节周长：按相邻管节周长差控制在10mm左右
3.2.6.4钢管纵缝对口错边量的极限偏差：10‰ ，且不大于2mm
3.2.6.5钢管环缝对口错边量的极限偏差：15‰ ，且不大于3mm
3.2.6.6对口间隙：手工焊预留间隙为1～2mm； 自动焊预留间隙为0～1mm
3.2.6.7纵缝焊接后，再用样板检查纵缝处的弧度，其极限间隙为3mm。
纵焊缝焊接工序：每一条纵缝由一名合格焊工施焊，打底焊缝采用分段退焊法，第二、三层可从下向上焊接，正面焊完，背缝清根后再焊接，一次焊完。在焊接过程中要随时用样板检查弧度，随时纠正焊接变形。
3.2.7钢管拼接组装
把对圆、纵缝焊接、检验合格后的节段钢管拼接组装成按设计规定的单元钢管，其组装要求如下：
3.2.7.1钢管或钢管格构柱的长度，可根据运输条件和吊装条件确定，一般以不长于12m为宜，也可根据吊装条件，在现场拼接加长。
3.2.7.2钢管对接时应严格保持焊后管肢的平直，焊接时除控制几何尺寸外，还应注意焊接变形对肢管的影响，焊接宜采用分段反向顺序，分段施焊应保持对称。肢管对接间隙宜放大0.5～2.0mm，以抵消收缩变形，具体数据可根据试焊结果确定。
3.2.7.3焊接前，对小直径钢管可采用点焊定位，对大直径钢管可另用附加钢筋焊于钢管外壁作临时固定联焊，固定点的间隙即可取300mm左右，且不得少于3点。钢管对接焊接过程中如发现点焊定位处的焊缝出现微裂缝，则该微裂缝部位须全部铲除重焊。
3.2.7.4为确保联接处的焊接质量，可在管内接缝处设置附加衬管，其宽度为20mm,厚度为3mm ,与管内壁保持0.5mm的膨胀间隙。
3.2.7.5格构柱的肢管和各种缀件的组装应遵照施工工艺设计的程序进行。肢管与缀件连接的尺寸和角度必须准确。组装的质量应符合下表的要求。
钢管组装允许偏差 表4
偏差名称
示意图
允许值
纵向弯曲

f≤l/1000
f≤10mm
椭圆度

管端不平度

管肢组合误差

缀件组合误差

3.2.7.6钢管构件中各杆件的间隙，特别是缀件与肢管连接处的间隙应按钣金展开图进行放样。焊接时，根据间隙大小选用合适的焊条直径。肢管与缀件焊接时，焊接次序应考虑焊接变形的影响。
3.2.7.7格构柱组装后，应按吊装平面布置图就位，在节点处用垫木支平。吊点位置应有明显标记。
3.2.7.8在各工种之间，或每个工序之间，必须按设计图纸进行自检和互检，并在钢管构件上打上各自的记号。
3.2.7.9所有钢管构件必须在焊缝检查后方能按设计要求进行防腐蚀处理。
3.2.8焊接及焊接工艺
钢板加工成节段钢管，需要焊纵缝；由节段钢管联成设计的单元钢管，需要焊环缝。对钢管焊缝，必须满足设计、规范要求。
工艺计划包括：
3.2.8.1焊接位置和焊缝设计，即坡口型式、尺寸和坡口制备方法等；
3.2.8.2焊接材料生产厂家、型号、规格、熔化金属的主要成分、物理性能和化学性能、焊条的烘焙、保温措施；
3.2.8.3焊接顺序，焊接层数，焊接方法；
3.2.8.4定位焊的要求，控制变形的措施等；
3.2.8.5焊缝质量检查方法、标准；
3.2.8.6焊接的环境温度、湿度、风速等要求。
当采用滚床卷管及手工焊接时，宜采用直流电焊机进行反接焊接施工。焊缝质量应满足《钢结构工程施工及验收规范》(GBJ 205-83)二级质量标准的要求。
Q345钢在焊接时易出现的问题：
热影响区的淬硬倾向 ，钢在焊接冷却过程中，热影响区容易形成淬火组织-马氏体，使近缝区的硬度提高，塑性下降。结果导致焊后产生裂纹。
  冷裂纹敏感性
　　Q345钢的焊接裂纹主要是冷裂纹，所以在焊接过程中就应该一下事项：
3.2.8.6.1 焊条(剂)和粉芯焊丝使用前，必须按照质量证明书的规定进行烘焙。低氢型焊条经过烘焙后，应放在保温箱内随用随取。焊丝应除净锈蚀和油污。
3.2.8.6.2 首次采用的钢种和焊接材料，必须进行焊接工艺性能和力学性能试验，符合要求后，方可采用。施焊前焊工应复查组装质量和焊缝区的处理情况，如不符合要求，应修整合格后方能施焊。焊接完毕后应清除熔渣及金属飞溅物，并在焊缝附近打上钢印代号。
3.2.8.6.3 普通碳素结构钢厚度大于34mm和低合金结构钢厚度大于或等于30mm，工作地点温度不低于0℃时，应进行预热，其焊接预热温度及层间温度宜控制在100～150℃，预热区应在焊接坡口两侧各80～100mm范围内；工作地点温度低于0℃时，其需要的预热温度应按试验确定。
3.2.8.6.4 多层焊接应连续施焊，其中每一层焊道焊完后及时清理，如发现有影响焊接质量的缺隐，必须清除后再焊。
3.2.8.6.5要求焊成凹面的贴角焊缝，必须采取措施使焊缝金属与母材间平缓过渡。如需加工成凹面的焊缝，不得在其表面留下切痕。
3.2.8.6.6 焊缝出现裂纹时，焊工不得擅自处理，应申报焊接技术负责人查清原因，订出修补措施后，方可处理。低合金结构钢在同一处的返修不得超过两次。
3.2.8.6.7严禁在焊缝区以外的母材上打火引弧。在坡口内起弧的局部面积应熔焊一次，不得留下弧坑。
3.2.8.6.8 对接和T形接头的焊缝，应在焊件的两端配置引入和引出板，其材质和坡口型式应与焊件相同。焊接完毕用气割切除并修磨平整，不得用锤击落。
3.2.9 钢结构的检测
钢结构的焊缝质量检验分三级，各级检验项目、检查数量和检查方法见下表的规定。
焊缝质量检验级别 表5
级别
检验项目
检查数量
检查方法
1
外观检查
超声波检验
X射线检验
全部
全部
抽查焊缝长度的2%，至少应有一张底片
检查外观缺陷及几何尺寸
有疑点时用磁粉复验
缺陷超出表3.4.18和规定，应加倍透照，如不合格应100%的透照
2
外观检查超声波检验
全部
抽查焊缝长度的50%
检查外观缺陷及几何尺寸
有疑点时，用X射线透照复验，如发现有超标缺陷，应用超声波全部
3
外观检查
全部
检查外观缺陷及几何尺寸
3.2.9.1 外观检查
3.2.9.1.1普通碳素结构钢应在焊缝冷却到工作地点温度以后进行；低合金结构钢应在完成焊接24小时以后进行。
3.2.9.1.2焊缝金属表面焊波应均匀，不得有裂纹、夹渣、焊瘤、烧穿、弧坑和针状气孔等缺陷，焊接区不得有飞溅物。
3.2.9.1.3焊缝外观检验质量标准应符合下表的规定。
焊缝外观检验质量标准 表6
项次
项目
质量标准
一级
二级
三级
1
气孔
不允许
不允许
直径小于或等于1.0mm的气孔，在1000mm长度范围内不得超过5个得
2
咬边
不要求修磨的焊缝
不允许
深度不超过0.5mm累计总长度不得超过焊缝长度的10%
深度不超过0.5mm累计总长度不超过焊缝长度的20%
要求修磨的焊缝
不允许
不允许
—
3.2.9.1.4对接焊缝外形尺寸的允许偏差应符合下表的规定。
对接焊缝外形尺寸允许偏差 表7
项次
项目
示意图
允许偏差（mm）
一级
二级
三级
1
焊缝余高

b＜20C
b≥20C

1.5

2.0
+0.5
-1.0

+1.0
-1.5
1.5±1.0

2.0±1.5

2.0±1.5

2.5
+1.5
-2.0
2
焊接凹面值

e
0
0～0.5
0～1.5
3
焊缝错边

d
d＜0.3
c 但不得大于2.0
d＜0.1
b 但不得大于2.0
d＜0.15
b 但不得大于3.0
3.2.9.1.5贴角焊缝外形尺寸的允许偏差应符合下表的规定。
贴角焊缝外形尺寸允许偏差 表8
项
次
项目
示意图
允许偏差（mm）
K≤6
K＞6
1
焊脚宽

K
+1.5
0
+3.0
0
2
焊缝余高

C
+1.5
0
+3.0
0
注：K>8.0mm贴角焊缝的局部焊脚尺寸，允许低于设计要求值的1.0mm，但不得超过焊缝长度的10%。焊接梁的腹板与翼缘板间焊缝的两端，在其两倍翼缘板宽度范围内，焊缝的实际焊脚尺寸不允许低于设计要求值。
3.2.9.1.6 T型接头设计要求焊透的K型焊缝，外形尺寸的允许偏差应符合下表的规定。
T型接头焊缝外形尺寸允许偏差 表9
示意图
允许偏差（mm）

3.2.9.2探伤检查
焊缝焊接完成24小时后，用超声波探伤焊缝内部质量。如出现超标缺陷，则进行处理。如果同一条焊缝同一出缺陷处理次数达2次者，则取消要由主管工程师研究原因，重新制定焊接方案，同时选派高素质的焊工对此进行处理，直到合格。
探伤示意图：
3.2.9.2.1采用的无损检验，《钢管混凝土结构设计与施工规范》上规定：

X射线检验焊缝缺陷分两级，并应符合X射线检验质量标准的规定，其检验方法应按照GB3323-82的规定进行。
超声波检验焊缝质量，应符合X射线检验质量标准的规定和JB52-82的规定。
X射线检验质量标准 表10
项次
项目
质量标准
一级
二级
1
裂纹

不允许
不允许
2
未结合

不允许
不允许
3
未焊透
对接焊缝及要求焊透的K型焊缝
不允许
不允许
管件单面焊
不允许
深度≤10%σ过，但不得大于1.5mm，长度≤条状夹渣总长
4
气孔和点状夹渣
母材厚度（mm）
点数
点数
5.0
10.0
20.0
50.0
120.0
4
6
8
12
18
6
9
12
18
24
5
条状类渣
单个条状夹渣
1/3σ
2/3σ
条状夹渣总长
在12σ的长度内，不得超过σ
在cσ的长度内，不得超过σ
条状夹渣间距
6L
3L
注：σ-母材厚度(mm)；L-相邻两夹渣中较长者(mm)；点数-计算指灵敏。是指X射线底片上任何10×50mm2焊缝区域内(宽度小于10mm的焊缝，长度仍用50mm)允许的气孔点数。母材厚度在表中所列厚度之间时，其允许气孔点数用插入法计算取整数。各种不同直径的气孔应按下表换算点数。
气孔点数换算 表11
气孔直径（mm）
＜0.5
0.5～1.0
1.1～1.5
1.6～2.0
2.1～3.0
3.1～4.0
4.1～5.0
5.1～6.0
5.1～7.0
换算
点数
0.5
1
2
3
5
8
12
16
20
3.2.9.2.2焊缝无损探伤的检查率
进行探伤的焊缝表面的不平整度应不影响探伤评定。
将遵守DL5017—93第6.4.5条至6.4.7条的规定对焊缝进行无损探伤。
焊缝无损探伤的检查率应按施工图纸规定执行。若施工图纸未规定时，可按下表确定。
焊缝无损探伤检查 表12
办法
钢 种
低碳钢和低合金钢
高 强 钢
焊 缝 类 别
一类
二类
一类
二类
一
射线探伤抽查率（%）
25
10
40
20
二
超声波探伤抽查率（%）
100
50
100
100
射线探伤抽查率（%）
5
（注2）
10
5
注：I．任取上表中的一种办法即可。
II．若超声波探伤有可疑波形，不能准确判断，则用射线复验。
III．高强钢指屈服点≥450MPa,且抗拉强度≥580MPa的调质钢。
IV．无损探伤的检验结果（包括射线探伤的摄片）须在检验完毕后，报送监理。
V．监理人查核检验结果后，或根据焊接工作情况，有权要求增加检验项目和检验工作量。将按照监理人的要求进行焊后复检。
3.2.9.2.3焊缝缺陷处理
将根据检验确定的焊缝缺陷，提出缺陷返修的部位和返修措施，经监理人同意后，进行返修。返修后的焊缝，仍应按规定进行复检。将严格按DL5017—93第6.5节的规定进行缺陷部位的返修，并做好记录直至监理人认为合格为止。同一部位返修次数不超过两次。若超过两次，将找出原因，并制定可靠的技术措施，报送监理人批准后实施。
3.3 预组装工序
对加工好的单元钢管，必须与下一个单元中与其连接的管节余组装，并做好记录。预组装内容如下：
3.3.1检查待组装管口的周长，椭圆度、坡口、毛刺、杂物；
3.3.2复查管口轴线；
3.3.3按四轴线位置进行焊接，测量钢管的水平和垂直度；
3.3.4焊制横撑节点板、定位板、导向板，并保证其位置的准确无误；
3.3.5检查，确认无误后标示安装轴线，管号，方向；
3.3.6解体：12米的作为出厂的单元钢管，另有2米长的管节留做下节段组装待用；
3.3.7管体表面的防锈处理；
3.3.8出厂。
4 小结
在钢管加工的整个环节，都要进行严格的技术控制，确保加工出的钢管质量和精度，符合设计要求和技术规范。

参考文献
1《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）；
2《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1-2004）；
3《建筑钢结构焊接规程》（JGJ81—91）；
4《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28：90）；
5《钢结构工程施工及验收规范》（GB50221-95）。