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超高层建筑用大直径厚壁钢管加工新技术
作者：万荣涛
添加日期：2009-6-1
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摘  要：随着我国经济的高速发展，超高层建筑越来越多，超高层建筑结构采用带巨型斜撑、巨型柱、巨型框架结构的钢结构及钢管混凝土结构体系的也越来越多，这类建筑对钢结构构件技术要求及加工精度要求非常高。阐述了超高层建筑大直径厚壁钢管的加工新工艺、新技术要求；提出防止焊接裂纹及振动时效消除焊接应力的措施。

关键词：超高层  大直径厚壁钢管 卷制  焊接裂纹 焊接应力

0 引言

      超高层建筑的发展体现了一个国家的建筑科技水平和建筑材料工业水平，也是衡量一个国家建筑科学技术综合水平的重要标志。同时随着科技的发展，现代超高层建筑体系中大都采用钢结构体系，占70%~80%，并采用带巨型斜撑、巨型柱、巨型框架钢结构。巨型柱钢结构大量采用规格为D800×30以上的大直径厚壁钢管结构。如广州新电视塔，建筑高度610m，立柱钢管为D2 000×50（40）；广州珠江西塔，建筑高度432m，立柱钢管为D1 800×55（50）；台商大厦建筑高度289m，立柱钢管D（1 400～1 000）×30等。同时由于用在超高层建筑上，对构件加工精度要求非常高，如广州新电视塔对立柱类钢管柱的加工要求直径误差需在±d/1 000，且不应大于2.0mm；椭圆度误差f≤d/500，且不应大于3.0mm。此类钢管世界上只有极少数厂家能生产，如德国曼勒斯曼公司，其初步报价为2 200～2 500欧元/t（2006年报价）。因此，随着国内超高层建筑越来越多，对大直径厚壁钢管的要求也越来越大。市场对建筑用大直径厚壁钢构的大量要求及对产品的技术要求，给超高层建筑用大直径厚壁钢管的加工工艺提出了新的课题。本文结合笔者两年来参与开发制定且已成功实施的大直径厚壁钢管新加工技术的经验，对超高层建筑用大直径厚壁钢管的加工等关键技术予以介绍。

1 大直径厚壁钢管成型工艺

1.1 大直径钢管常规成型工艺
      根据现阶段国内钢管生产厂家的成型加工工艺，大直径厚壁钢管加工方法主要可分为以下两类：

      1）热扩无缝管加工工艺——此类加工工艺主要采用热加工成型，最大规格只能加工D720，且加工中需要进行升温加热，会大大降低材料的力学性能，加工过程中存留大量的残余应力，成品加工精度低，无法满足超高层建筑要求。

      2）冷压成型管加工工艺——主要采用预弯机、折弯成型机、在制管专用圆弧上模及可调式下模上折弯压制，通过对钢板进行逐级折弯压制成型。此加工工艺对圆管的管径、椭圆度等指标控制精度不高，而且管径也受到限制，规格主要为D1 000以下的。主要用于桩基础、油气管线等，对于超高层建筑的技术要求较难达到，一般建筑设计采用较少。

1.2  大直径厚壁钢管卷制成型工艺

      为了满足超高层建筑用大直径厚壁钢管的技术要求，建筑用大直径厚壁钢管生产目前主要采用卷制成型工艺，其工艺流程如图1所示。

2 卷制成型工艺及技术要求

2.1 工艺总则

      1） 原材料材质要求：加工前需对钢板进行复验，特别是有Z向要求的。

      2） 主要零部件下料加工、组装方法和质量要求。

      a． 钢板、节点板凳下料加工需采用数控切割机；
      b． 钢板预弯采用大型液压机进行加工；
      c． 钢管组段焊接主要在滚轮胎架上进行组焊。

      3） 主要零部件、构件焊接方法和要求。

      a． 钢管的纵向、环向对接焊接采用内外埋弧焊接；
      b． 工艺板等小构件组装采用co2气体保护焊接。

      4） 焊缝检验方法和要求。

      a． 焊缝检验方法：主要采用超声波无损探伤、磁粉探伤；
      b． 焊缝检验要求：
      ① 焊接施工过程中，必须做好记录，加工结束时，应准备一切必要的资料以备检查；
      ② 焊缝表面缺陷应100%检查，并按国家相关标准执行；
      ③ 所有一级焊缝按超声波探伤B级标准。

2.2 钢板的前期处理

2.2.1 钢板的矫平

      采用钢板矫平机对钢板进行矫平，矫平的目的是消除钢板的残余变形和减少轧制内应力，从而可以减小只在过程中的变形。

2.2.2 钢板的预处理

      采用专用钢板预处理生产线对钢板进行除锈，喷车间底漆和烘干，保证钢材的除锈质量达到Sa2.5级，其工艺流程为自动冲砂→自动除尘→自动喷漆→自动烘干。

2.3 钢板的放样、下料

      加工前需采用计算机三维放样技术，对钢管筒体零件进行准确放样，绘制零件详图，作为绘制下料图及数控编程的依据。由于钢管钢板较厚，在压制过程中钢板的延伸率发生变化，会直接导致加工后筒体的直径偏大，所以加工前必须采取措施进行预防。根据类似工程的实际经验，钢管压制后，其圆周长将会增大8～12mm，所以加工前应将钢管直径缩小3～5mm进行展开下料。

      根据每节钢管展开图，将相关参数输入数控火焰切割机中，进行钢板切割。

2.4 钢板预弯压头加工

      主要采用1 000t油压机进行压头。预弯压头长度：大于卷板机下辊中心距1/2（即大于500mm）；钢板端部150mm范围内压一次，然后在300mm范围内重压2次，以减小钢板的弹性，防止头部失圆，压制后用样板检验，切割两端余量后并开坡口。

2.5 钢管卷制成型

      加工设备：EZW11S-100×4000液压三辊卷板机。

      为了保证钢管的外形尺寸精度，钢管卷制时在零件上划出加工母线，卷制过程中通过加工母线位置进行调节钢板进料方向及速度，从而达到加工成型的要求。

      卷班前，操作人员应熟悉图纸、精度要求，并按设备要求将相关参数输入设备控制器内。

      卷制过程中应逐级加力，来回多次卷制成型。

2.6 钢板对接两端环焊缝及纵焊缝开剖口加工

      切割设备：小车式火焰切割机。切割机导轨架好后，调整焊枪的角度，切割机，需空走一次，检查焊枪的角度变化。焊缝剖口形式如图2、图3所示。

      钢板坡口切割好后，将钢管再次上液压三辊卷板机进行第二次卷制，使钢板纵缝合处合口，待焊接。

2.7 钢管纵焊缝焊接

      1）钢管纵焊缝焊接采用悬臂埋弧自动焊机在专用自动焊接胎架上进行焊接，钢管内外侧焊接均采用自动埋弧焊进行焊接。

      2）焊接顺序：先焊内侧（图4），后焊外侧面（图5）。内侧焊满2/3坡口深度后进行外侧碳弧气刨清根，并焊满外侧坡口，再焊满内侧大坡口，使焊缝成型。

      3）焊前装好引熄弧板，并调整焊机机头，准备焊接。

      4）焊接剖口及焊接顺序（图6）。

      焊接工艺参数见表1。

2.8 钢管节段对接接长和对接环缝的焊接

      由于加工设备和材料等原因，每段卷制的钢管长度在4m以内，因此成品钢管需多段组对接长，如图7所示。

      纵焊缝位置布置：相邻两节钢管对接时，纵焊缝需错开，如图8所示。

3 防止筒体焊接产生微裂纹的措施

      由于厚板从卷制到成型的过程中，产生的拘束应力非常大，将直接导致钢板的硬度增大，使材料塑性降低，钢材可焊性降低，焊接后在焊缝热影响区易产生微裂纹，所以如何保证筒体焊缝不致产生裂纹在钢管加工中必须重点监控，根据以往加工经验，可采取以下措施进行施工：

      1）针对关键部位做焊缝试验，对试件进行金相分析，以获得有关重要的焊接参数和数据，针对具体的材料、焊接环境等对焊接参数进行适当的调整；

      2）严格按厚板焊接工艺技术要求进行焊接；

      3）进行焊后热处理。
4  焊接应力的消除

      对于大多数的超高层建筑，对构件的残余应力特别是焊接残余应力的控制相当严，焊接过程应力与焊接残余应力会降低结构承载力和使用寿命，也是造成裂纹的直接原因。构件加工完成后必须采用相应措施消除应力，同时经济成本也非常高，对构件的力学性能也会产生较大的损伤。因此，在总结以往工程加工经验的基础上开发了振动时效消除应力工艺措施。

      振动时效实质原理是以机械的振动方式对工件施加附加应力，当附加应力与残余应力叠加后其总应力达到或超过某一数值后，在应力集中的部位超过金属材料屈服强度时，工件内部发生宏观和微观的塑性变形——包辛格效应，从而降低了该点残余应力的峰值，使应力均匀化，金属的抗变形能力提高。同时，振动动应力与宏观残余应力叠加，合成应力大于弹性极限时造成屈服，使高应力下降，应力均匀化，尺寸稳定性提高。特别在应力集中部位有可能形成较大拉应力屈服区、外应力卸载后形成压应力保护区，提高了结构的稳定性；在振动时效的前期这种效应起主要作用。

      此种方法对消除应力极为有效，经对钢构件进行超声波振动消除应力测试（图9），焊接残余应力的消除率可达75%以上，宏观残余应力消除率可达50%。

5  结语

      采用钢管卷制新工艺生产的超高层建筑用大直径厚壁钢管，即可完全达到超高层建筑设计要求，又成功地打破了此类产品依赖于进口的状况，创造了较高的经济效益。目前该工艺已成功地应用于广州新电视塔、台商大厦、空中华西村大厦等众多超高层建筑中。

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