钢管的热弯制作工艺研究

张发荣 何志涛 陈 曦

(1.湖北精工楚天钢结构有限公司,湖北武汉 430312;2.武汉船舶职业技术学院船舶工程系,湖北武汉 430050)

钢管结构在建筑工程中已经得到了广泛的应用,而经过弯曲加工一定直径的钢管作为桁架结构的上下弦杆也越来越多地出现在一些大跨度的钢结构工程中。在制作工艺中对于曲率大、弯曲弧度相对较大的钢管,为确保钢管在弯曲过程中,不出现材料力学性能上较大的变化,避免加剧对工程结构承受载荷方面的影响,一般采用热弯工艺对其进行拉弯。对于主要由弧形立体桁架柱和平面格构柱以及环形桁架组成,上部结构为不规则单层网架结构体系,外形是不规则曲面,由六段球面拼接而成,水平投影长轴半径为39.218米,短轴半径为30.966米,矢高为4.670米,结构最大悬挑为26.2米的庞大受力体系的钢结构工程来说,保证桁架结构的各构件精度显得尤为重要(如图1、图2)。针对钢管在弯曲过程中,半径小、曲率大、弯曲弧度大、精度高等一系列技术难题,结合工厂现有拉弯机器自身所存在的局限性,本文对钢管拉弯工序进行了探讨。

图1 某大游泳馆钢结构

图2 某大体育场钢结构

1 工厂制作

1.1 制作难点

由于受到运输条件的限制,所做桁架的各弦杆和腹杆构件只能散件发现场,到工地进行拼装。对于桁架柱弦杆、环形构件来说,均为弯管构件,要保证各拼接点圆滑过渡,让主桁架与曲梁和环向构件准确连接,而且单个杆件的尺寸误差必须控制在允许的范围内,难度是很大的。因此,工厂的制作工艺侧重点放在钢管拉弯准确度的控制上。

1.2 采用计算机放样

由于该工程桁架结构体系庞大,管构件连接外形复杂,对于各构件的准确连接至关重要。因此,工厂型材在加工前必须经过计算机进行精确放样来对钢管弯曲的弧度进行准确的定位,然后借助放样后的型值和计算机显示各节点的坐标,在图纸上来进行准确的表达。在借助计算机进行放样时,尤其是主桁架弦杆的放样,要求将相贯点、对接节点以及耳板连接开槽区域范围准确无误地表达出来。由于受弯管机器和工厂场地的限制,主桁架跨度达到几十米的构件,要求将一段一段的钢管弯制成弧长不大于12m的构件出厂,对于钢管弯制成弧长小于5m的构件,要求将相同规格型号的管构件进行合并,待弯管完成后再进行拆分切割。放样时,为保证弯管构件的圆弧精度,要求在计算机上把所划分的构件单独取出,测出弦长和矢高,作为工厂加工定位坐标和合地样的主要数据(如图3)。

图3 桁架弦杆放样图

由于弦杆为不规则圆弧,实际外形由众多空间圆拟合而成,因此,在弯管机器上加工后的管构件也只能是一个近似于图样标准的构件,其弧度误差在5～15 mm的范围内,还必须经过合地样后进行进一步的校核才能符合规定的尺寸标准。为此,准确选取弦长和矢高在这个环节就显得尤为重要。

1.3 主桁架、环形构件钢管圆弧的加工制作

1.3.1 制作工艺方案的确定

如图4,制作中,所要求的主桁架弦杆、环形管件规格为 φ377 mm×14 mm、φ402 mm ×16 mm、φ450mm×22 mm的钢管,整根弦杆要弯曲成不同半径的圆弧形状,加工难度大。由于受工厂弯管机器设备的局限,很难达到设计标准所要求的曲率大、精度高的圆弧管构件。考虑到制作工期、工时等多方面的因素,只能采用弯管机器首先进行初步拉弯,首次拉弯弧度误差为 5～15 mm左右,然后经过在平台上合地样,用机械外力和火焰的方法进行进一步弯曲校核。由于对大直径钢管进行弯曲不方便手工操作,同时用弯管机器进行操作也很难保证钢管两端的直线段。因此,在弯曲时针对不同的圆弧长度和圆弧半径,按工艺要求拟定了不同的弯管制作方案(如图5)。

图4 钢管弯制操作原理简图

1)对于相同尺寸半径而不相邻对接的圆管,要求对其进行合并,然后在合并构件两端各焊接一段辅助钢管作为夹持端余量,但圆弧的总长度不大于12 m;

图5 辅助钢管对接图样

2)对于必须单个进行弯曲且圆弧长度大于5 m的钢管,在钢管两端各焊接一段辅助钢管作为夹持端余量,但圆弧的总长度不大于12 m;

3)对于必须单个进行弯曲且圆弧长度小于5 m的钢管,在钢管一端对接一段长的辅助钢管,在钢管另一端焊接一段辅助钢管作为夹持端余量,但圆弧总长度不大于12m;(如图6、图7)

图6 热感应圈

图7 拉杆端头

为消除弯制直线段,进一步对弯管进行校正,保证其精确度。根据实际情况,选择合理的方案,然后通过地样检测后,采用分段逐点近似逼近法,依据确定的弦长和矢高在圆弧的准确部位,选取可行的校核方法对平面圆弧的弯曲度进行人工弯制、校核。

1.3.2 弯制过程的控制

钢管在弯制前必须先按照制作工艺方案将钢管的两端焊接一段辅助钢管作为夹持端余量,然后通过吊装机械放到弯管机器上,在机器上通过工装夹具固定好管件,在钢管的前端固定好拉杆,末端固定好与液压泵推动轴的拉线后,然后根据待弯钢管的规格尺寸(半径、壁厚等参数)在操作平台上调整液压泵推程进度(液压泵转速)、加热电压电流、弯管弧度半径(拉杆长度)等相应的工艺参数进行钢管的弯制(部分参数见表1)。

图8 液压推动

图9 半径拉杆

表1 弯管机器部分参数对照表

1.3.3 半径精度的调控

在弯制过程中,钢管弯制半径主要是通过拉杆来进行控制,其半径精度通过半径旋转轴上攻丝系统来进行微度的调节,从而来满足钢管弯制半径及弧度的需求(如图10)。

图10 拉杆、导轨装置

1.3.4 实地放样校核

弯制后用吊装机械将已弯管件卸载到放样平台上,在平台上按1:1放实样作预组装基准线,并设置合样地桩。然后吊装预组装构件,用辅助定位块定出圆弧外形,然后在平台上将弯管与之进行合样,通过合样后在钢管上表面画出加热线和待需进一步进行校核的部位,见图11、图12。

图11 液压管路

图12 液压系统

校核时用火焰对钢管划线部位进行加热,与平台放样地桩逐渐贴近,直至满足要求。加热部位、加热形状、加热间隔大小和加热温度(加热时注意应避开蓝脆区温度200～400℃)在加热过程中都必须进行控制,以免出现过烧或加热不到位而产生断面变形、皱褶、圆弧过大或过小等缺陷,进而影响弯管总体的质量。同时在加工后对每件弯曲钢管的长度误差、曲率误差及矢高误差作详细的加工记录,绘制用于现场拼接的曲线图,以便确的对拼装管件进行分析。待单根管件弯制和精度校核都完毕后,最后对整榀桁架(三片)中每一片弦杆进行拼装后整体放样,确定误差的多少,与设计标准相比较,然后根据实际情况对整体进行拼装精度校核。

2 余量的选取

考虑到构件的经济成本以及工厂加工节料、加热收缩余量及现场焊接收缩余量等相关因素,钢管在工厂进行弯制前必须根据制定出的可行性工艺方案和可靠的设计标准依据。因此,主桁架的弦杆和环向管构件在弯制过程中夹持端由工厂焊接一段辅助钢管作为夹持端余量,避免钢管弯制完毕后再对端部夹持端进行切割,造成材料的过多浪费,其余有关加热收缩和现场焊接以及现场对接预留间隙等根据工艺和深化设计要求:桁架柱顶端的一榀桁架弦杆预留50mm的对接装配余量,桁架主弦杆在长度方向每米预留 0.5 mm余量;在对接套料方面要求对接最短长度大于800mm,接头位置与相贯点错开600mm(弦杆有开槽除外),主弦杆在跨中1/3处禁止有接头,见图13、图14。

图13 控制台

图14 已弯钢管一

在工厂进行钢管弯制时夹持端头、装配间隙和收缩余量的选取非常重要。因此,制作中必须对各主桁架间连接处的装配余量和焊接余量加以慎重考虑,以保证在现场组装的精度。

3 弯管坡口及标识

工厂加工的管构件打包发散件到现场后,现场为了能够准确进行桁架的拼装焊接,则工厂在制作的过程中,对弯管构件的制作要全面完善,保证能够很精确的进行现场安装,要求工厂对管构件端部的坡口和构件编号要呈现出来。考虑到钢管在加工前要辅助钢管作为夹持端余量以及弯制过程中由于加热端部会产生变形,所以要求管构件在加工完成后再用半自动管道切割机对其进行对接部位坡口的加工。同样为了确保在现场安装过程中,各桁架的主弦杆能够按照一致的构件编号进行有效的安装,则在工厂加工过程中要求对管构件内壁进行记号笔标识,外壁距端部150mm处进行钢印号和记号笔标识(如图15)。

图15 构件的标识