高强度压力钢管制造技术研究论文_马刚,刘九红

中国葛洲坝集团机械船舶有限公司 湖北宜昌 443000

随着国内外水电行业的不断发展,高强度钢板开始广泛应用于各种输水管路,其加工制造也成为市场发展、追逐的方向,本文主要是以Q490(07MnCrMoVR)的锅炉压力容器用钢为例,就高强度压力钢管的下料、坡口加工、卷制、组圆校正、焊接及大节组装等一系列制造、控制工艺进行阐述,以期为同类压力钢管制造提供参考。

一、主要工艺原理及流程

本工艺采用Solidworks、AutoPOL For Windows和CAD绘图软件进行下料展开图绘制,利用双驱数控切割机对高强度钢板进行下料,采用半自动切割机及坡口机进行坡口加工,使用上辊可调式三辊液压卷板机进行卷制,并在专有组圆校正平台上进行压力钢管组圆、校正及加劲环安装工作,再采用专门的焊接工艺进行组圆纵缝的焊接及焊缝校正,之后进行翻身并在专用的加劲环焊接平台进行加劲环与管壁的环缝焊接,然后在专用的组对平台上进行管节间大节组对工作及灌浆孔的开设和灌浆塞的预组装工作,最后再所有项目检查合格后进行整体防腐,从而形成最终的大节高强度压力钢管。

二、主要制造、控制要点

1、钢管的放样及钢板的排料

根据设计图纸及施工组织设计与制造方案,采用计算机三维放样技术分别对压力钢管的锥管段、弯管段、和岔管段进行放样、展开、组拼和干涉检查等,其具体展开画法步骤如下:

(1)打开SolidWorks工作界面,新建零件;

(2)在“草图”命令栏,打开草图绘制,根据具体管件尺寸,利用相关绘图、拉伸、旋转、切除等命令绘制出所需管件;

(3)在“右视基准面”上绘制一条过原点的竖直线,然后建立厚度为0.1mm的“切除-拉伸-薄壁1”特征,再利用钣金特征中的插入折弯功能将实体转化为钣金件;最后选择展开,则展开的三维图即为所需管件的展开图。

根据设计图纸、计算机三维放样展开图及钢厂钢板生产厂的钢板生产规格或能力进行排板和钢材料计划统计,钢材计划经审核后进行材料采购。

本部分重点是计算机三维软件的应用及预留余量的控制,当然所有的焊缝布置位置首先要满足规范要求,在此基础上,还应综合考虑实施设备的工作能力、实际施工方便及经济性。

2、钢板的预处理

钢板的预处理通常在钢板采购时就与钢材供应商在合同中明确,其在钢板出厂前即进行了相关预处理工作,主要包括钢板的矫平及表面预处理。钢板的预处理主要作用是钢板矫平,消除部分钢板残余应力,以减小过程中的变形,同时进行保护性的涂装,以期防止在运输及制作过程钢板锈蚀。

3、钢板的下料及坡口加工

钢板的下料,根据设计图纸及放样展开图,绘制详细零件图、下料图,并编制数控下料程序,再采用数控切割机进行下料作业。注意厚板切割缝较大,为保证切割下料精度,在编程时必须考虑必要的切割补偿和有效控制边域。另外,注意厚度超过20mm的钢板不易采用等离子切割。

钢板的坡口加工,以坡口机加工的坡口为好,但综合考虑成本,最好是采用火焰切割,也可以采用火焰切割与坡口机相结合的方式。本项目主要采用火焰切割,因为高强钢对坡口机刀具磨损较大,综合成本偏高。当然,坡口加工前的划线及检查一定要仔细,坡口开设角度要符合工艺要求。

3、钢板卷制

钢板卷制是压力钢管制造的重点,其卷制好坏直接影响到压力钢管的制造质量,因此,此处将进行详细叙述。

钢板卷制主要包括钢板预弯压头、钢板卷制及钢板的成型检查。具体如下:

(1)钢板的预弯压头

通常普通卷板机无法滚压到钢板端部,造成钢板卷制过程中端部总是存在一定长度的直边量,该直边量不但影响到钢板卷制的外观质量、难以组圆,而且易造成其端部的焊接结合应力过大,甚至造成严重的应力裂纹等事故,为此我们在钢板卷制过程中,通常要先进行预弯压头。

钢板的预弯压头通常采用压力机加模板进行,即事先根据所卷压力钢管材质、宽度、壁厚及管径大小定制相应的压力机和模具,配置钢板进出的托架系统,在钢板卷制前,利用钢板托架系统将钢板端部输送到压力机下的模具上,利用压力机的高强压力逐步将钢板端部压制成所需管径弧度,其具体预弯压头方法如下:预弯压头长度应大于卷板机下辊中心距的1/2,现在钢板端部150mm范围内施压一次,然后在300mm范围内重压2次,压制时需保证过压5-10mm,以防止其后期反弹及焊接变形,压制后用样板检查符合要求。当然预弯压头也可已采用其他办法,如制作胎膜直接在卷板机上压头滚制,钢板端部预留余量卷制切割,钢板端部拼接钢板卷制切割,采用上辊可调式卷板机或下辊可调式卷板机进行偏心压头卷制,后两种卷制方法仍有少量的直边,具体应用还应根据压力钢管的直径大小进行综合考虑。从上面的介绍可以看出,压力机加模具的预弯压头方式投入设备多、占地大、工序复杂、成本高,但其适应性强,在场地充足、进度要求较快的工程项目中经常使用;而制作胎膜的卷板方式,增加了胎膜投入、要注意胎膜的变形,增大了卷板机负荷,进度相对较慢,其主要适用于管径种类少,有胎膜制造条件的工程项目;而钢板端部预留余量卷制切割及钢板端部拼接钢板卷制切割由于其浪费材料、人工已很少使用;而后两种方案,其压头时卷板机负荷较大,投入卷板机选型要偏大,存在一定直边,主要适应较大管径钢管,但随着机械设备的发展,直边量已越来越小,其适应能力也越来越大。在这里主要介绍上辊万能式(可调式)卷板机的卷制过程及工艺控制要点。

(2)上辊万能式卷板机卷制钢板的主要过程及工艺控制要点

采用上辊万能式(可调式)卷板机卷制钢管,首先要对钢板进行划线,分别划出加工母线和四等分线,过程中通过加工母线调整钢板进料方向和速度。卷管前,操作人员要熟悉相关技术要求,卷板时逐级加力,多次卷制成型,控制好接口处内凹尺寸,避免出现凸头现象。

①卷制前,按图样、工艺卡片及技术文件对来料的牌号、标记、规格、下料尺寸、零件编号进行核查,并根据要求检查、确定板料的坡口方向,尤其是双面不对称坡口,核实各标记点是否是在圆筒的外侧面上,清理卷板机辊轴及板面上的杂物,按操作规程及程序进行作业。

②预弯压头,采用上辊万能式卷板机进行预弯压头,可以在一开始进行,也可以在钢板卷制过程中进行。其操作原理是:将钢板卷制到端部时,调整上辊,使其偏心并正对着钢板端部,并直接加压预弯,使端部成型,详细如下图一所示。

预弯压头时关键是要控制端部位置,预留太少容易脱棍,太长易造成直边量偏长影响卷板拼装质量,通常将其端部至于下棍内侧与水平成约60°夹角的位置,具体还要根据卷板机进行调整操作。

采用此方法预弯压头通常会预留2-3倍板厚的直边量,但对管径较大的钢管来说,其不影响钢管质量;如以直径4m、壁厚30mm的钢管为例,按其直边为板厚的3倍,则通过绘图放样发现其卷制成型的钢板端部弦高差约2mm,而按照规范要求圆度检查3D‰即直径4米钢管直径差最大可为12mm、瓦片弧度检查即直径4米钢管用1米样板检查瓦片与样板间极限间隙为2mm,刚好满足规范要求,而板厚不变,管径越大其弦高越小,因此采用此类卷板机预弯压头时,最好管径要偏大一些。本项目压力钢管主要为内径6.6m、壁厚30mm的钢管,因此采用此种压头卷制方法完全满足工况使用要求。

③为防止卷圆时产生扭曲,卷板开始时,工件送进务必对中,以使得工件母线与辊轴线平行,防止错口和大小口现象,板、辊之间不得打滑,不得超过辊的允许压力和设备的最大功率。一次进给不能满足时,可以多次进给完成卷圆,按经验板厚≤16mm时,可以一次进给,>16mm时,可以多次进给,本项目为30mm钢板,因此采用了多次进给方法。

④卷圆时,要注意钢板具有回弹性,因此要有一定的过卷量,以使回弹后工件的直径为加工图要求的直径,具体过卷量通过试验确定,本项目内径6.6米、壁厚30mm的钢板卷制,由于管径较大,因此钢管卷制时,分为两块钢板卷制成瓦片形状再进行组圆,因此单个瓦片卷制时预留10-15mm过卷量刚好满足要求。

⑤钢板卷制成型后,使用弧形样板进行检查,按规范直径6.6米钢管采用1.5米长样板检查,样板与瓦片间的极限间隙控制在2.5mm以内。

4、组圆校正

钢板卷制验收后还要进行组圆,形成最终的筒体。在组圆过程中,要最终控制钢管的圆度、端部平面度,对接缝的错位量及检查钢管周长。此处作为焊接前的拼装工作,对焊接质量及钢管的最终外观质量尤为重要,在此以项目实例为准进行介绍。

(1)做好组圆校正前的准备工作,包括:组圆平台搭设、组圆校正装置的制作与就位、组圆吊装的工索具研发、制作或采购,组圆人员准备等。

(2)组圆平台基本要求

组圆平台首先要能够承受钢管的重压,适于相应钢管直径、可以方便进行水平调整、便于校正设备的布置安装、便于钢管的吊装及人员进出操作、满足工期进度要求。本项目考虑管径基本一致、最大月产量为2个3米管节、单节3米管节重约18吨,因此布置固定型混凝土基础组圆平台,平台上预埋钢板用以调平及管节校正架设千斤顶之用,平台高出地面约700mm,以方便施工人员进出,环形平台中部设置回转式调圆架,最后做好平台接地工作。其布置参见图二所示。

(3)瓦片组圆

本项目钢管直径较大,因此采用的是双瓦片组圆。首先检查平台水度,参照管口不平度要求控制在2mm以内,之后在平台上按钢管直径划好钢管直径轮廓线并设置好挡板,再陆续吊装两块瓦片到平台上,并靠近挡板,然后再通过内部的调圆器及外部临时架顶顶压逐步将钢管管壁调圆,与平台所划轮廓线重合,同时调整对接接口间隙及错位量满足规范要求,再按工艺要求点焊牢固。吊装时注意尽量将瓦片对接缝位置布置在两水泥支墩之间,以免影响后期焊接操作。瓦片组圆重点是圆度控制,因为本项目采用的钢板为高强钢板,规范明确要求禁止在钢板上点焊马板,为此在项目实施过程中,本项目设计采用了一款可拆卸、具有回转功能的调圆器,其结构布置如下图图二所示。

5、焊接

本项目焊接主要包括:组圆纵缝焊接、加劲环对接缝焊接、加劲环与管壁间的角焊缝焊接、大节组装的环缝焊接及灌浆孔背板的焊接。其中组圆纵缝、加劲环对接缝采用的手工焊条电弧焊,加劲环与管壁间的角焊缝采用滚焊台车、自制焊接门架及埋弧焊机进行平角埋弧焊接,大节组装环缝采用滚焊台车、自制焊接门架及埋弧焊机进行水平埋弧焊接,灌浆孔背板与钢管间角焊缝采用CO2气体保护焊。本项目的焊接关键是预热、平角焊的焊接控制及相应焊接门架工装制作。对于焊接预热、平角焊的焊接控制,此处不再详细描述。

6、大节组对

本项目大节组对采用卧式组装,分为3米组6米和6米组12米两种,其组对方法相似,此处已3米组6米为例说明。本条重点在于滚焊台车的选取布置、管节组对压缝调圆。

(1)滚焊台车的选取布置

根据管节重量,单节约18t,组装后重量约40t(含组对圆度调整装置重量),考虑组对调整方便及后面焊接需要,本项目组对采用40t带行走的滚焊台车及20t固定可调式滚焊台车,可调式滚轮台车高度调整范围在固定式滚轮架高度的正负100mm范围,可实现对接管节间高度、间隙调整。注意滚焊台车布置时务必保证同轨,确保组对管节中心在一条直线上。

通过合理选择布置,不但能高效完成钢管的组装调整工作,而且也可以节约成本。

(2)管节组对压缝

通常压力钢管组对压缝都是采用马板、加热敲击、顶压等手段实现管节对接及接缝调整工作,但由于本项目为高强钢板,严禁在钢板上点焊、敲击,因此,本项目设计采用了一款专用的组队调圆装置。该装置主要由带回转装置的调圆压缝装置、一个操作焊接平台及一组行走机构组成。通过改装置对接接头进行压调,可较容易实现管节组装的无错边对接,而且其效率相较传统的马板马缝速度更快、效率更高,同时节省了大量的材料及人工成本。该装置详图如下图图四所示。

高强钢板在国内外各个领域应用已经越来越广,尤其是最近几年随着国内高强钢的研发,高强钢已经大量应用于压力管道行业,本文对高强压力钢管的制作技术进行了简要概述,希望在这里可以给广大从事压力钢管道制作安装的人员提供一些经验,也希望大家能够共同努力去完善改进各项施工技术,提高行业综合竞争力。

论文作者:马刚,刘九红

论文发表刊物:《防护工程》2017年第3期

论文发表时间:2017/6/30

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