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关于结构用厚壁钢管合理选材选型的建议
(1)在大型管结构工程设计中,需选用厚壁钢管时,设计人员应了解厚壁钢管的成型方法类别与其技术经济性能特点,并合理选材。
(2)综合比较力学性能、焊接性能、加工性能、截面尺寸精度及材料价格等因素,钢结构工程用厚壁钢管宜选用冷压或冷卷成型钢管。在此类钢管比选中,若考虑钢管力学性能、加工效率、焊缝数量与打磨要求等因素,则宜 冷压成型(U(E)厚壁钢管,但在加工费用上冷压工艺要高于冷卷工艺约20%以上。
(3)当选用冷压或冷卷厚壁钢管时应注意以下技术性能或参数的要求
1)径厚比一一冷卷与冷压制管时,钢板内、外纤维分别受压受拉,产生塑性变形和冷加工硬化与残余应力等不利影响,而径厚比(管内径与厚壁之比)愈小,此影响愈严重,并会直接降低钢管的使用性能。我国电力行业标准《压力钢管制造与安装验收规范》L5017-93要求冷卷钢管的径厚比不应小于33(Q235与Q345钢)或40(Q390与Q420钢)。根据建筑钢结构工程的国内外经验,此限值可适当以放宽,在目前钢材性能水平和工艺条件下,暂以不小于20为宜。
2)钢材的强度级别一《钢结构设计规范》对钢管架结构规定所用钢材强度不应超过345MPa,届强比不应大于0.8,主要原因是现有研究、设计计算方法公式等都是以此类级钢材为主要对象进行的。厚壁钢管可能用于桁架或支柱结构,当钢板厚度、径厚比均相同而强度更高时,会产生更不利的冷加工硬化影响与残余应力,降低钢管的承载性能与焊接性能,故冷成型厚壁钢管的钢材强度以不大于345MPa为宜
3)钢材的性能要求目前冷成型型材的相关标准中对其力学性能试件的取样部位无明确规定,故厂家所提供的质量检验单数据均为其原材料的力学性能数据,并非已成型管产品的实物力学性能,这对厚壁钢管易造成延性指标要求(如伸长率)数据偏高的现象。故对主要承重构件用钢管,应在设计文件中注明其实物力学性能指标需经成品钢管上.的取样复测确认。同时对抗震设防等重要构件所用冷卷厚壁钢管,宜要求按钢板横轧制方向取样进行冲击功性能检测确认。在性能要求的项目内容上,除常规的化学成分与力学性能外,当厚壁钢管用于主要承重结构时,还应按荷载条件,使用温度、板厚、节点焊接约束度等条件,要求附加保证碳当量、屈强比、冲击功或Z向性能等作为钢管供货的保证性能指标。
4)热处理冷成型厚壁管影响性能的主要缺陷是冷加工硬化和残余应力影响,故对很重要的管构件或径厚比很小的钢管,可经过技术经济比较要求进行成品管热处理以细化晶粒,残余应力,优化钢管使用性能。
(4)热成型厚壁钢管虽无冷加工效应,但价格均较高。而热扩无缝钢管的壁厚公差可达士25%,会造成结构构件截面不对称,增加附加偏心弯矩和削弱截面承载力;而且在管构件对接接头处,可能造成对焊接头较大的错边偏差,故不宜用作钢结构承重构件。热卷成管性能较好,但加工成本高,主要适用于锅炉、压力容器、管道,般不宜用于钢结构构件中。
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“6年时间建造一个核电站，3年时间在等待锻件。”10年前说起我国对核电建设中的关键锻件大口径厚壁无缝钢管无法自主生产的窘境，曾有许多业内人士无奈地发出这句感慨。
“自主制造万吨级重型设备已不是难事，我们的目标是中国“极端制造”领跑世界。”如今再谈及这一话题，清华大学机械工程系重型装备研究团队成员的眼里已满是自信的光芒。
从2009年内蒙古3.6万吨垂直挤压机挤出 根厚壁无缝钢管打破国外垄断，到2015年青海6.8万吨挤压和模锻双功能重型压机挤出世界 长度的无缝钢管实现国际领先，短短几年技术创新突破，我国自主生产电力用高端耐热无缝钢管替代进口并跻身国际市场的夙愿正在成为现实。
“联手清华大学5年攻坚克难，世界首台6.8万吨重型压机能够完成95%以上的航空模锻件的生产，首根碳钢无缝钢管长达12.8米，直径630毫米，壁厚110毫米。”近日发布这一消息的青海康泰锻铸机械有限责任公司备受瞩目，公司技术研发部部长安杰告诉记者，6.8万吨多功能压机是目前世界上惟一具备模锻和挤压两个功能的 吨位的压机，可挤压生产核电和高参数超超临界火电机组高合金、难变形、大口径厚壁新型管材，也可锻造出航空、航天工业等领域大型和特大型钛合金、高温合金、超高强度金属等难变形锻件。
为什么要自主研发大吨位重型压机生产厚壁无缝钢管？世界 长度意味着什么？项目主要负责人清华大学机械工程系重型装备研究所教授吴任东给出了答案。
大口径厚壁无缝钢管是60万千瓦以上超临界、超超临界火力发电项目必不可少的装备，其制造依赖于重型压机，然而重型压机的制造技术却长期被国外垄断，我国一度只能高价进口。作为装备大国、电力大国，只有打破这样的尴尬处境才能真正在国际领域占有一席之地。
不仅如此，制造万吨级重型设备标志着一个 的制造能力，涉及设计、制造、运输、安装等诸多技术难题，属于“极端制造”领域，成功虽极其不易，但没人不想抢占先机。对已经积累了深厚技术经验的中国来说，打破国外垄断只是阶段性成果，领先国际水平形成 优势并掌握市场定价权才能在竞争中立于不败之地。
“更重要的，在应用领域，更长、更厚的无缝钢管是今后产品发展的方向。”吴任东说，随着电站功率增大以及海上钻油深度不断增加，对厚壁钢管的口径要求越来越大，而高合金钢管普遍存在难以焊接的问题也对厚壁钢管的长度提出更高要求。“值得一提的是，经过论证，6.8万吨重型压机已具备挤压生产长度18米、外径1.5米的难变形合金大口径厚壁钢管，这远远超过了世界同类其他设备的水平。”
据了解，截至目前，6.8万吨重型压机项目已累计完成投资11亿元，完成了压机工艺主辅设备安装及调试。在2015年的四次试制过程中，6.8万吨压机均成功挤出长度超过14米的厚壁钢管，尤其是高合金、大口径钢管的调试成功验证了压机当初设计的挤压功能和各项技术数据已达到设计指标，也证明挤压功能已经满足生产要求。
作为完全自主研发的建设项目，企业的更多突破也丰富了“世界先进水平”的内涵。安杰介绍，在挤压工艺完成过程中，一线技术人员解决了压机镦粗、穿孔前的外表面除鳞问题以及压机挤管前的外圆及内孔的玻璃润滑问题，为成功挤出世界 长度钢管奠定了坚实的基础。
张力减径工艺是在前后布，的一系列轧辊机架中对荒管进行连续轧制的过程．也是钢管生产中的 一道热变形工序。在这一过程中．采用适当的孔型系列．使荒管外径得以连续减缩，同时凭借机架系列中轧辊转速比例的调节．可以取得预定的璧厚变化。张力减径工艺具有轧制速度高、产品规格范1 大等优点，目的已得到广泛应用。在张力减径过程中．钢管周向变形不均匀．导致钢管内表面由圆形变为多边形，在轧制中厚壁钢管时．该现象尤为严， " ．。为了改善和钢管的内多边形缺陷．需要实时测张力减径过程中钢管各个部位的应力、应变及沮度等场盆，但在生产现场，侧 t 这些数据往往比较困难且费时费力．因此利用数值棋拟技术来掌握上述场 t 在张力减径过程中的变化是非常必要的。为了提高产品的壁厚精度．目前国内外许多学者已经利用有限元法针对钢管张力减径过程的壁厚变化规律进行了大证的研究工作，州．并取得了较大的进展。
导致钢管内表面由圆形变为多边形的因索主要有轧辊孔型、张力分布情况、荒管壁厚及轧制沮度等。本文采用革于 MSC . MARC 的有限元分析方法，建立了钢管张力减径过程的有限元热力藕合分析棋型．在其他参数相同的情况下．研究了不同壁厚钢管的张力减径过程．分析了钢管内多边形的形成机理．得到了荒管璧厚和张力系数对钢管内多边形程度的影响规律．可为提高产品的壁厚精度和形状精度提供理论指导。
l 设．主．价数及热力报合有限元板型的盆立
Ll 设备主要参数本文在建立张力减径有限元棋型时．设定的张力减径机组的机架个数为 20 ．轧辊的名义直径设定为 345mm ，相邻机架间的距离为 320mm ，荒管的外圆直径为 180 帕 m ．成品钢管直径为 79mm 。为了研究荒管璧厚及张力系数对钢管内多边形的影响规伸，在其他参数相同的悄况下．本文选取了 9 种不同壁厚的荒管及对应的张力系数进行有限元模拟．其具体数值如表 l 所示。
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