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冷弯结构焊管的应用及生产技术研究

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2013-11-12 16:32:00【

  冷弯型钢在国外建筑业中用途非常广泛,被用作屋架、檩条、桁架、刚架、墙架、龙骨、屋面板、墙板、楼板、门窗乃至容器、管道、围堰、钢板桩、防波堤等。近年来,冷弯型钢组合而成的网壳、货架、单层和多层房屋也得到了很快的发展,从机场到大型购物中心,从写字楼到体育场,从会议中心到居民住宅,冷弯型钢产品都是广泛应用的建筑设计材料。在发达国家,建筑业是冷弯型钢的第一大用户,冷弯型钢占钢材总量的5%,建筑业用冷弯型钢占冷弯型钢总量70%左右,冷弯型钢产品应用于建筑业的主要是结构用冷弯方矩形管和建筑用结构冷弯型钢,其中冷弯方矩形管用量占50%以上。从结构力学和经济角度,冷弯型钢和H型钢结合应用于建筑业是最佳组合,可以实现工业厂房和民用住宅建设工厂化。

  在日本,80年以前日本仅生产200mm×200mm以下的方矩形管及少量的开口冷弯型钢,日本钢结构住宅中立柱均采用H型钢。84年日本仙台地震后,通过对仙台地震中遭到破坏的钢结构住宅的研究发现,立柱和横梁之间的焊缝易裂开,原因是受H型钢外形结构特点的限制,用H型钢和H型钢对焊,焊缝太少。因此,日本84年以后通过修改建筑法,规定日本的钢结构住宅立柱必须采用方矩形管,以增大焊缝的长度,从而提高住宅的抗震性。随着冷弯型钢在建筑钢结构应用上的普及,冷弯型钢生产的规格也随之增大,目前方矩形管最大规格已达到550mm×550mm,最大壁厚为22mm。2002年日本钢结构用冷弯方圆管总产量已达到200万t。目前市场需求量最大的钢管规格为200mm×200mm~400mm×400mm,这些规格冷弯方矩管覆盖了日本钢结构用方、矩形管总量的80%以上,其它规格产品占市场份额的不到10%。

  在美国,椐有关调查资料显示,冷弯方矩形管和热轧H型钢在建筑业中的用量约为1:1的关系,在二十世纪九十年代,建筑钢结构所用冷弯型钢的比例甚至超过热轧H型钢的用量。其中,冷弯结构焊管(含方矩形管和原管)约占建筑钢结构用钢量的25%,各种开口冷弯型钢在建筑钢结构用钢量中的比例也在20%以上。

  冷弯型钢在我国建筑业中应用情况

  在我国的工民建筑中,多年以来一直采用钢筋混凝土,工程施工周期长、污染大。近几年,随着马钢、莱钢热轧H型钢产品成功的市场推介,钢结构在建筑业中的应用不断扩大,各种钢结构实验楼、样板房、标志建筑相继推出,设计、施工的标准与规范也开始进入逐步完善阶段,中国的钢结构行业近几年大大迈进了一步。但是,目前我国建筑钢结构应用的主要是热轧H型钢和焊接的各种钢结构,我国热轧H型钢的产能已经达到300万吨,焊接轻型H型钢和各种钢结构的产量也有几十万吨,我国焊管产量一年有700多万吨,其中建筑钢结构用冷弯方矩形管和各种冷弯型钢的产量不到冷弯型钢产量总量的5%。冷弯型钢在我国工民建筑钢结构中应用处于起步阶段,冷弯方矩形结构焊管取代热轧H型钢作钢结构的立柱刚刚开始,其它冷弯型钢在建筑业中应用更少。

  我国建设部目前已经在工民建筑中建设一些钢结构试验楼,如2002年在天津建成的两栋建设部钢结构示范住宅,该工程采用钢管混凝土柱钢梁框架-钢骨混凝土核心筒(SRC)结构体系,工程总面积8000m2,主体十一层,一栋柱采用圆管,另一栋柱采用方钢管350×350mm,厚度随楼层变化而变化,其中1~3层为16mm,4~6层为14mm,7~9层为12mm,10~11层为10mm,钢管内灌注C40砼。梁采用焊接工字钢,规格为350×200×10×18mm,楼板为高强螺旋肋钢筋预应力叠合板。由于当时国内没有厂家生产如此大口径的方管,工程中采用方钢管是四块板焊接的BOX柱。

  天津两栋建设部钢结构示范住宅工程对冷弯型钢(主要是结构管)在钢结构住宅中应用得出两个启示:一是大规格冷弯型钢市场空间较大,钢结构住宅的合理层数为10~18层,这样的中高层结构也对冷弯方矩管的规格有一定要求。二是方钢管较圆钢管有明显优势,原因其一,同样边长和直径的方、圆管,方管的承载力和抗震性能更佳,根据天津某大学对三层二跨方管和圆管砼柱框架进行的试验,方管柱边长150mm,圆管直径150mm,试验结果前者抗侧力屈服承载力和极限承载力较后者高出80%,抗震性能指标约为后者的两倍;其二,方管施工更方便。钢结构住宅的圆管砼柱一般还需进一步施工,将圆型截面改为方型。其三,采用圆管砼柱,与梁的连接较难处理。我国未来的钢结构市场中,冷弯方矩形管将占重要的份额。


  目前我国冷弯型钢在建筑钢结构中应用的制约因素

  1、钢结构住宅造价较高

  以天津两栋建设部钢结构示范住宅为例,根据对该工程的统计数据,钢结构框架主体结构为400元/m2,占总成本的1/3,钢结构住宅内外墙板和楼板构件成本较高,该工程外墙板成本为280~300元/m2,普通外墙砌块成本仅为85元/m2,内墙板成本也比普通结构高60%左右,且目前国内的外墙板还存在一些技术问题。如何降低钢结构住宅的造价是促进钢结构住宅发展的关键问题。

  2、设计标准和规范不完善制约中国钢结构行业发展

  由于国内建筑钢结构的发展和冷弯型钢在钢结构建筑业中的应用处于起步阶段,原有的一些标准和技术规范针对性不强,已不完全适应现在钢结构行业发展的需要。虽然中国钢结构协会正组织制订完善一些标准,上海市等也已经出台了一些地方性技术规程和法规。但是,钢结构(包括冷弯型钢)的设计标准和规范很不完善,影响了中国钢结构行业发展,从而制约了冷弯型钢尤其是冷弯方矩形管在建筑钢结构的推广和应用。

  3、品种规格不配套、产销脱节制约了冷弯型钢产品在钢结构中应用和推广

  目前我国建筑结构用冷弯方矩形管产量在冷弯型钢总产量中所占比例很低。我国目前生产的冷弯焊管主要是用在油气运输和低压流体运输领域,冷弯型材产品也基本不应用在建筑钢结构行业,据调查冷弯型钢产品在建筑钢结构中应用不到冷弯型钢总量的20%,品种规格也很少。目前,我国主要生产结构用冷弯方矩形管的厂家不多,江苏无锡玉龙钢管公司有一条年产10万吨的400×400×6~10mm的冷弯方矩形管生产线,2002年又新建了一条设计年产量4万吨的250×250×6~10mm的冷弯方矩形管生产线,玉龙钢管公司冷弯方矩形管产品规格从100×100mm到400×400mm;上海宝钢钢铁工艺研究所建设的一条年产25万吨的200×200~450×450mm方管、矩形管最大边长500mm最小边长200mm的排辊成型高频焊接结构冷弯方矩形管生产线已于2004年投产;山东泰安山口建设的一条年产20万吨的200×200~400×400mm方管、矩形管最大边长450mm最小边长200mm的辊弯成型高频焊接结构冷弯方矩形管生产线也于2004年投产;上海中油天宝和浙江湖州建设的∮630mmAPI管生产线也可生产一定比例的结构冷弯方矩形管产品。另外上海艺佳方圆和汉口轧钢厂也生产少量的冷弯结构焊管。建筑钢结构用开口冷弯型钢在我国几乎没有一定规模的生产厂家。我国目前建筑结构用冷弯型钢的生产没有形成一定的产量和规模,市场需求量很大的400×400mm以上的大规格冷弯方矩形管产量很低,钢结构工程中需要的冷弯方矩形管规格不能配套,只有用热轧H型钢和焊接钢板来取代。另外,我国现有的冷弯方矩形管生产线工艺和设备总体比较落后,产品质量处于较低档次,存在如端口平直度不合标准要求、焊缝质量不好等问题。要促进冷弯型钢(特别是冷弯方矩形管)在建筑钢结构中的应用,扩大我国建筑结构用冷弯型钢生产规模,提升产品质量档次,也是迫在眉睫的事情。

  钢结构民用住宅市场开发有一定的时间性,开发时间的长短决定于我国的经济发展的速度;冷弯型钢民用住宅所需的产品标准、设计规范的制定和颁布;钢结构住宅建设的成本与售价;民众对钢结构住宅的认识和认可;以及我国建筑钢结构用冷弯型钢产品生产规模、品种规格和技术水平等等,这些都影响冷弯型钢产品在钢结构中的应用。

  冷弯型钢在我国建筑钢结构中应用前景展望

  冷弯型钢作为一种经济的截面轻型薄壁钢材,具有重轻、强度高等优点,是国家大力推广应用的高效经济的新型材料。国外研究表明,冷弯方矩形管(简称HSS)在建筑以及其它用途上的主要优点如下:

  (1)强度——HSS具有很高的强度重量比、优越的抗压特点以及扭转阻力。

  (2)外观——露天应用时,圆形、方形和矩形的HSS已经成为房屋以及其它建筑设计的可视部分。

  (3)统一性——HSS有统一的规格、外形、强度以及公差,其用途非常广泛。

  (4)构造简单——HSS易弯曲、成型、穿孔、扭曲或钻孔。由于改良的新技术的应用,HSS使用起来方便快捷。

  (5)成本效率——由于HSS有着优异的强度重量比,可以大幅度的减少重量、降低成本。重量的减少也就意味着可以节约在构造、建筑材料以及运费上的成本。

  (6)耐久、坚固——HSS可以防火、抗腐、防霉、抗白蚁、蚍蜉。

  近年来,随着我国经济建设的高速发展,冷弯型钢产品会逐渐被市场所接受。冷弯方矩形管作立柱、H型钢作房梁其良好的抗震性能和经济优势会逐渐被认识和重视,其在工民建筑中市场的发展潜力很大。国内很多厂家也看好结构冷弯方矩形管和其它建筑结构用开口冷弯型钢产品的市场前景,新的生产线正在建设。发达国家的今天就是我们的明天,和热轧H型钢产品一样,冷弯型钢产品在建筑钢结构中的应用前景非常广阔。

  冷弯结构焊管生产技术特点简介

  1、冷弯方矩形焊管的基本生产工艺

  在目前冷弯方矩形焊管生产线中,极具代表性的生产工艺如下:

  热轧板卷→开卷机→矫直机→切头尾机→头尾对焊机→螺旋活套器→预成型机组→成型机组→高频焊接机→去毛刺机→空冷段→→水冷段→定径机→铣切锯→横移落垛→打包→入库堆放。

  2、冷弯方矩形焊管生产主要技术特点

  冷弯方矩形焊管生产关键技术主要包括:成型技术、高频焊接技术、切割技术和快速换辊技术,这些技术直接影响所生产的冷弯方矩形焊管产品质量和生产效率。

  1)成型技术

  从冷弯型钢生产工艺技术看,国外生产的方矩形管基本上都采用圆变方工艺。早先的生产是先冷弯成圆,再将圆管加热到正火温度后,在定径工序变形成方矩形管,这种工艺的优点是成品钢管残余应力小、角部圆弧半径小,但能耗高、成本高、表面质量欠佳,目前只有英国还在生产。现在国外基本上都是采用冷态的圆变方工艺,与国内较普遍采用的辊弯直接成方工艺相比,冷态圆变方的优点是产品尺寸精度高、焊缝质量好、角部尖而且形状规矩,缺点是建设投资大、角部加工硬化较重。

  圆变方工艺和直接成方工艺,在成形方式又分辊弯成型和排辊成型,它们的主要区别是在预成型阶段,后面的生产工艺差别不大。辊弯成型是传统的成型工艺,它通过在预成型阶段在轧辊上进行一系列的配套辊型设计进行冷弯成型,然后在定径。排辊成型是一位华裔美籍工艺设计师发明的一种先进的冷弯方矩形焊管成型技术,简称龙式成型,为美国Yoder公司的专利技术,现在世界上冷弯方矩形焊管主要工艺设计和生产机组制造商,在新建的生产线中都采用这种成型技术。它在生产线中先通过2~3个机架的初步辊弯预成型后,采用一定数量的小轧辊,采用分段式轧辊设计进行排辊成型,减少速度差,使得轧辊的磨损减小,功率损失降低,产品擦伤减小。排辊成型机设备的最大特点是改变规格不用更换或重组轧辊,通过简单的调整就可以改变产品规格,节省了大量的换辊时间。调试灵活,有利于成品率提高,调试时间也大大缩短;不用更换模具就可以由生产方、矩管等闭口型钢,转为生产C钢、槽钢等开口型钢。在生产厚的重型型钢时,更能体现出明显的优势。设备生产的产品成本将是最低,生产批量也没有限制,利用生产效率的提高。

  2)高频焊接技术

  高频焊接按与管材的接触与否,分为感应焊和接触焊。接触焊与感应焊相比效率高可提高50%,但需经常更换触头,要求管材成型好,否则易打火花,焊缝处易出现划痕,尤其不利的是,在焊缝处会有铜残余,时间长了以后焊管容易出现腐蚀。感应焊焊缝质量好,但同样规格的焊管所需的焊机功率大近一倍。设备投资高50%~55%。

  高频焊机按类型分为真空管式和固态式(晶体管)两种,固态式同真空管式相比尺寸小,效率高(高15%),但可靠性、可维护性不如真空管式,此外与真空管相比价格也高15%。新建的大规格冷弯方矩形管生产线基本采用固态高频焊机。现在的固态高频焊机技术发展很快,如著名的EFD高频焊机,具有如下最新技术特点:

  EFD高频焊机采用了新型独特的WELDACG2型电子匹配系统,使其能量的转化率高达85%~87%,由于采用了二极管整流技术,其功率因素可恒定为0.95,无须进行功率因素的补偿。频率范围:50~500kMz。其采用独立的变频模块设计,整流器与变频器之间用较长的电缆连接,可对不同的负载进行连续匹配,具有高效、节能,低运行成本的显著特点。宝钢钢铁工艺研究所新建的200mm×200mm~450mm×450mm/500mm×200mm方矩形管生产线就选用了EFD高频感应(最大感应焊功率700kW)和接触焊双功能焊机。

  3)焊管切割技术

  冷弯焊管在定径后需要按照定尺长度的要求进行切割,传统的切割是用圆盘锯,圆盘锯切割生产成本较低,生产效率高,但圆盘锯切割后焊管端面毛刺多,剪切变形大,用户施工使用时两个焊管之间衔接不好,产品难以满足欧美以及日本标准对产品质量的要求。二十世纪八十年代以后,冷弯焊管设备制造商在新建的冷弯焊管生产线中采用同步仿型飞锯(相当于仿形铣),使用两把锯片同时对钢管进行定尺锯切,每个锯片运行的轨迹正好切掉一半管材的切口,改变品种时锯片运行的轨迹可按管材的截面形状自动调整。这种仿形铣切锯口光洁平整无毛刺,铣削时噪声很小,定尺精度也很高,据介绍:锯切18m定尺的钢管,长度公差可以达到±2.5mm。但仿形铣锯投资高,生产时每3~4小时就要换一次刀片,刀片修磨三次就要报废,生产成本高。

  冷弯焊管生产厂家需要根据不同的产品定位和用户要求选择锯切设备。

  4)快速换辊技术

  传统的焊管生产线进行一次整条线的大换辊,一般需8~12小时,应用户的要求和竞争的需要,著名的冷弯焊管生产商SMS公司和美国的Abbey公司相继开发了快速换辊技术,采用快速换辊系统,通过换辊小车90分钟即可完成更换品种所需的轧辊更换,大大降低了生产准备时间,从而大幅度地提高了生产线的设计能力。同时通过计算机的应用,使辊位调节带有记忆,改变产品时可快速自动地调整辊位,减少了人工调整辊位的时间和误差,提高了产品的精度。

  除以上典型冷弯焊管生产技术特点外,在新建的冷弯型钢生产线中有的成型机架采用URD—等刚度成型和焊接机架,机架在水平、垂直方向上可以同时承受相近的轧制力,刚度相等,生产的产品精度更高,换辊时该机架辊系可快速的水平移出;有的生产线还采用了一种新的内毛刺去除装置,这种内毛刺去除装置的特点是去毛刺的同时还可将毛刺碎断,从而保护定尺铣切锯的锯片。通过去除毛刺后的焊缝处内表面高度公差可达±0.2mm精度。

  5)我国冷弯方矩形管生产线应用的生产技术

  我国目前生产冷弯方矩形管的厂家,应用的主要是我国自行开发的生产技术。无锡玉龙钢管厂有两条方矩形管生产线,一条为400mm×400mm方矩形管生产线,为老式的直接成方辊式压延连续机组,焊管锯切采用圆盘踞,生产的产品存在剪切断面不齐、焊缝质量差等质量问题,产品不能满足美标、日标等先进冷弯方矩形管产品标准的要求;另外一条为250mm×250mm×8mm(max)方矩管排辊生产线,这条生产线成型采用CFSR排辊成型生产技术,改变产品规格时,不用更换轧辊,生产效率较高,但焊管锯切也采用圆盘踞,焊管端口质量仍然不好。上海方园艺佳型钢有限公司是250mm×250mm×8mm(max)方矩管排辊生产线。宝钢钢铁工艺研究所200mm×200mm~450mm×450mm/500mm×200mm方矩形管生产线,采用的是大连富地公司CFSR方、矩、圆管排辊成型技术,生产线速度10~30m/min,壁厚4~10mm时15~30m/min,壁厚10~19mm时10~15m/min,产品规格为200×200~450×450方管,矩形管最大边长500mm,最小边长200mm,矩形管最大宽高比为2:1,厚度4~19mm,最大厚边比为:1:15~1:50(壁厚与方矩型管小边边长之比),定尺长度6~16m。