馮飛鴻

（中國(guó)中鐵集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安710032）

1 概述

近年來，隨著我國(guó)南水北調(diào)、西氣東輸、路橋等基礎(chǔ)工程建設(shè)的需求，大直徑鋼管的加工也越來越多。大直徑鋼管制作工藝一般分為卷制和壓頭兩部分。大直徑鋼管卷制在三輥卷板機(jī)上進(jìn)行，主要采用鋼板壓頭的筒體卷制工藝。鋼板壓頭有兩種方法：一種是采用預(yù)留直邊法在三輥卷板機(jī)上壓頭后，將直邊部分切除再成形的方法。另一種是使用壓力機(jī)或其他輔助設(shè)備進(jìn)行壓頭。兩種方法壓頭后都需要切除余量并開設(shè)坡口，成本高、浪費(fèi)大，且不利于坡口的自動(dòng)切割[1]。

王寶善等[2]介紹了劉家峽懸索橋用大直徑鋼管卷制、拼裝、焊接工藝和質(zhì)量控制情況，提出了超厚、特大直徑鋼管制作質(zhì)量控制技術(shù)。楊亮[3]介紹了鋼板鋼管加工制作過程中原材料鋼板拼焊、自重彎曲、鋼管組裝焊接各階段的施工技術(shù)，大大地提高了整個(gè)工程的施工效率。肖國(guó)輝[4]發(fā)明了一種鋼管破口加工裝置，降低了鋼管坡口切割的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高切割效率，提高坡口加工的質(zhì)量。陳海龍[5]發(fā)明了一種鋼管加工平臺(tái)，有效的保證了鋼管加工時(shí)的固定，滿足了對(duì)尺寸不同的鋼管主體進(jìn)行固定的需求。陳強(qiáng)[6]分析了海洋鋼結(jié)構(gòu)建造過程中的鋼管卷制及接長(zhǎng)，并對(duì)質(zhì)量控制過程中的重點(diǎn)及難點(diǎn)進(jìn)行了梳理，提出了合理的控制措施。胡洪亮[7]介紹了水電站壓力鋼管瓦片同弧度卷制主要施工工藝和技術(shù)要求，為壓力鋼管瓦片同弧度卷制施工時(shí)參考和借鑒。田儒洲[8]著重介紹了直徑2200mm 、厚度55mm 的直縫焊管的預(yù)壓、卷制、焊接、檢測(cè)等施工工序，提出了新的施工工藝，切實(shí)解決了高強(qiáng)度厚壁管節(jié)的加工制作難題。鐘藝謀[9]針對(duì)制造過程中超長(zhǎng)鋼板翻身、輸送、焊接、整體卷制等工序，研制了一組輔助成套設(shè)備。在無需起吊設(shè)備輔助情況下，該成套設(shè)備實(shí)現(xiàn)了電站大直徑鋼管從鋼板組對(duì)、翻身輸送、縱縫焊接、整體卷制到校圓等各工序的一次性整體卷制成型，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化流水線作業(yè)。

本文針對(duì)觀音山輸水工程用大直徑鋼管的制作，模擬分析了卷制過程中的鋼板受力及變形大小，為鋼管卷制提供了理論依據(jù)。

2 工程概況

圖1 鋼管卷制模型

觀音山輸水工程中輸水管采用3 根內(nèi)徑4.2m 壓力鋼管，建筑平面長(zhǎng)度9777.117m，設(shè)計(jì)流量100m3/s。倒虹吸鋼管沿線共設(shè)71 個(gè)鎮(zhèn)墩，支墩間距均采用10m，支承環(huán)采用下支撐式，支座均采聚四氟乙烯滑動(dòng)支座。為適應(yīng)鋼管因溫度變化引起的軸向變形，兩個(gè)鎮(zhèn)墩間每個(gè)鋼管均布置一個(gè)單式波紋管伸縮節(jié)。鋼管、加勁環(huán)及支承環(huán)鋼材均采用Q345C，鋼管管壁厚度16mm～28mm。

3 大直徑鋼管卷制仿真分析

3.1 大直徑鋼管的制作流程

鋼板的卷制制作工藝流程分為預(yù)處理、下料、坡口加工、預(yù)彎壓頭、卷制成型、直縫焊接、校圓、檢測(cè)等過程，各工序的主要作用如下：

預(yù)處理的作用是消除鋼板殘余應(yīng)力、減小變形、涂裝保護(hù)、防止生銹。下料的作用是確保鋼管準(zhǔn)確放樣，過程中需要考慮切割補(bǔ)償和有效控制邊域。坡口加工為焊接做好準(zhǔn)備，保證坡口均勻光滑、尺寸準(zhǔn)確。預(yù)壓彎頭是做好鋼管連接的關(guān)鍵。卷制成型和直縫焊接是鋼管制作的關(guān)鍵。卷制成型過程中由于鋼管直徑和厚度的原因，需要多次進(jìn)給。為了保證加工效率，盡量增大進(jìn)給量，本文計(jì)算不同進(jìn)給量時(shí)的鋼管變形和應(yīng)力大小。

3.2 大直徑鋼管卷制建模

根據(jù)工程實(shí)際，考慮簡(jiǎn)化計(jì)算，在ANSYSworkbench 中建立鋼管卷制模型[10]。建立的鋼管卷制模型如圖1 所示，模型由兩個(gè)托輥、一個(gè)壓輥及鋼板組成。托輥和壓輥直徑均為100mm，托輥間距為2000mm，壓輥中心位于兩托輥連線中心。鋼板厚度為28mm。載荷加載在壓輥上表面。鋼板材料選用Q345C，其屈服極限為345Mpa。

圖2 鋼板應(yīng)力及變形云圖

3.3 不同曲率時(shí)的受力分析

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)行仿真計(jì)算。載荷采用98kN、147kN、196kN。計(jì)算后鋼板應(yīng)力和變形結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可以看出，當(dāng)載荷為98kN 時(shí)，鋼板卷制時(shí)受到的最大應(yīng)力為187MPa，最大變形為10mm;當(dāng)載荷為147kN 時(shí)，鋼板卷制時(shí)受到的最大應(yīng)力為278MPa，最大變形為15mm；當(dāng)載荷為196kN 時(shí)，鋼板卷制時(shí)受到的最大應(yīng)力為368MPa，最大變形為20mm。由上述仿真數(shù)據(jù)可以得出：當(dāng)載荷為98kN 時(shí)，鋼板的強(qiáng)度可以滿足卷制要求，變形量為10mm 影響卷制效率；當(dāng)載荷為147kN 時(shí)，鋼板的強(qiáng)度仍然可以滿足卷制要求，變形量為20mm 較98kN 大大提高了卷制效率；當(dāng)載荷為196kN 時(shí)，已經(jīng)超過了鋼板的屈服極限（345MPa），不能采用196kN 的壓力進(jìn)行卷制。載荷在147kN 和196kN 之間時(shí)，考慮生產(chǎn)的安全系數(shù)，不建議使用。

4 結(jié)論

本文針對(duì)觀音山飲水工程中鋼管制作過程中效率問題，建立了卷制模型，分析了不同載荷下鋼管的受力和變形，得知當(dāng)載荷為147kN 時(shí)，鋼管受力小于屈服強(qiáng)度，能夠滿足工程需求，并且變形量為15mm，可以適當(dāng)提高生產(chǎn)效率。