盾构机胴体卷制加工力学性能研究

张 鹏

（盾建重工制造有限公司，江苏 无锡 214107）

盾构机胴体结构为大径厚比钢管结构，其直径视隧道开挖孔的内径而决定，常见的胴体直径为φ5.5m～φ15m。目前胴体结构制作工厂常采用冷成型焊接成圆筒，其管径大管壁厚，胴体外径可达φ15m壁厚可达50mm，加工难度实属罕见。

冷成型实质上就是在低于钢材再结晶温度下的弹塑性弯曲成型。国内冷成型加工工艺主要有两种，在卷板机上将钢板沿轧制方向卷曲成型，在油压机上将钢板沿垂直于轧制方向以长压头渐进压制成型。鉴于冷弯成型时钢板产生的塑性变形较大，并伴随有加工硬化现象，所以钢材经冷加工成型后，一般都有强度升高和塑性韧性降低的倾向，钢板在卷制成短圆柱体钢筒时，变形与受力状态较为复杂。本文旨在通过对卷制的大径厚比胴体的力学性能分析，为结构设计者提供合理依据，以提升产品的技术经济性。

1 大径厚比胴体应力应变的解析与探讨

我们按GB/T232进行金属材料弯曲试验时，冷弯试样受拉的外表面不但发生沿试样纵向的拉伸现象，同时也发生沿试样横向的收缩变形。横向收缩量随冷弯截面宽度的增加而减少，冷弯试样的宽度越大，则纵向拉伸越难变形，而弯至同样的角度，因宽度越大，越不能受到横向补偿，越易产生裂缝等缺陷，越能敏感地反映出钢材塑性变形能力、各向异性程度和表面质量，这种现象，称为宽冷弯效应。

卷制大径厚比胴体的过程相当于金属材料弯曲试验的“宽冷弯”试验，其宽度为板材宽度，但一般板材长度为板材厚度的数十倍，因而宽度方向收缩微乎其微，可以认为宽度没有发生变形，但长度厚度比对胴体横向伸长的影响是十分明显的。冷成型加工时板材外层属拉伸区，内层属压缩区，我们可在卷制后胴体弧外侧中部取一个单元体进行应力应变分析。

这个单元体受到 σ1、σ2、σ3三个应力作用，并同时发生 ε1、ε2、ε3三个相对应的应变。由于三个应力的作用，以及外层拉伸内层压缩的结果，使弯曲部分发生不同程度的变形，有正应变有负应变，产生了畸变，但胴体纵向方向遇阻很大。外层受拉伸，内层受压缩，另外由于胴体纵向方向晶格滑移的阻力较大，应变流动困难，因而产生胴体纵向应力σ2。所以应力状态是立体的，应变是平面的。显而易见，受拉区三个主应力中二个拉应力一个压应力，二个主应变中一个拉应变一个压应变。而受压区三个主应力均为压应力，二个主应变中一个拉应变一个压应变。综上分析，受拉区的拉应力拉应变成分多于受压区。胴体外层应是板材性能变化最明显的区域，这就告诉我们，在研究胴体性能时，应从胴体外侧近表面取样。

2 胴体的性能试验

对于胴体的性能研究，我们选择在一定的径厚比条件下，进行钢板卷制前后的比对试验，从而了解和掌握材料性能的变化规律。

2.1 试验胴体

试验胴体：分为3组，均采取卷制冷加工形式，胴体规格（外径mm×壁厚mm)分别为φ6 340×32、φ6 340×40、φ6 340×45。

试验钢板Q345B，板厚分别为32mm、40mm、45 mm，其力学性能依据标准GB/T1591-2008。

2.2 取样与制样

我们根据GB/T2975《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》标准，对原钢板和胴体取样和制样作了具体规定。

（1）胴体的原钢板按GB/T2975取样，并标记原板的样坯外表面。

（2）胴体取样样坯位置与焊缝成45°角，按母线方向取纵向样坯，按圆周方向取横向样坯。

（3）胴体圆拉伸及冲击试样和钢板试样形状规格相同。拉伸试样为圆形横截面比例试样（d0=10mm、L0=50mm)，试样应符合GB/T228要求。V型冲击试样为10×10×55（mm)，试样应符合GB/T229要求。

（4）制样数量：板材：纵、横方向圆拉伸试样各1个，纵、横方向冲击试样各1组，每组3个。胴体：纵、横方向圆拉伸试样各2个，纵、横方向冲击试样各2组，每组3个。

2.3 试验结果

原钢板性能和胴体性能的测试数据结果如下：

（1）φ6 340mm×32mm胴体相对于原板材，纵向屈服强度增加16～18%、抗拉强度增加2～3%、屈强比0.86、断后伸长率减10～11%、冲击功减4%；横向屈服强度增加16～19%、抗拉强度增加4～5%、屈强比0.86、断后伸长率减12～13%、冲击功减21～22%；

（2）φ6 340mm×40mm胴体相对于原板材，纵向屈服强度增加16～18%、抗拉强度增加2%、屈强比0.83、断后伸长率减12～14%、冲击功减6～7%；横向屈服强度增加23%、抗拉强度增加4～5%、屈强比0.82、断后伸长率减12～16%、冲击功减29～30%；

（3）φ6 340mm×45mm胴体相对于原板材，纵向屈服强度增加18～19%、抗拉强度增加2～3%、屈强比0.75、断后伸长率减12～14%、冲击功减5～6%；横向屈服强度增加22～24%、抗拉强度增加4～5%、屈强比0.75、断后伸长率减12～15%、冲击功减23～24%.

3 结果分析

（1）从应力应变分析研究可知，胴体外层受拉区的拉应力拉应变成分多于内层受压区，不利于材料塑性变形，因此应仔细检查成品胴体的外表面有无影响质量的缺陷。

（2）卷制成型的胴体，其力学性能与原板相比，屈服强度和抗拉强度明显提高，塑性明显下降，这一点与应力应变分析的结果是一致的。

（3）从试验数据整体分析可知，胴体屈强比不小于原板屈强比，有些屈强比数据已大于GB/T19879规定的0.85，这表明一旦胴体承载超过屈服极限，抵御失效的能力就会下降。

（4）卷制的胴体，其横向冲击韧性较原板有大幅度降低。因此制造胴体的钢板，如果冲击韧性富余量大的话，卷制后冲击功还能达到原板标准要求，否则胴体横向冲击功将不符合规定，造成废品。

（5）冷成型直缝焊接胴体的力学性能，不能以其原材料钢板力学性能代替。

4 结束语

盾构机胴体结构所具有的截面特性、受力性能，适合制作盾构机前盾、中盾结构，研究其冷成型后的应力应变和性能变化规律，使该类结构设计具有充分合理的依据，从而为进一步提升相关产品的技术经济指标提供技术支撑。

[1]黎剑峰，王利树.直缝焊管在钢结构中的应用前景[C].广东：全国建筑钢结构行业大会论文集，2008.

[2]江苏沪宁钢机股份有限公司编著.经典建筑钢结构工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3]高汉文，任颂赞.工厂理化测试手册[M].上海：上海科学技术出版社，1994.