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近年来我国钢结构工程建设迅速发展,其中大跨度和空间钢结构等也得到了广泛应用,此类结构的用材特点是大量应用圆管管材,而且随着跨度、荷载的加大,要求更大的直径与壁厚,有时还需要更小的径厚比。如新首都机场大量采用大直径锥形、梭形厚壁管柱,主要规格为D3083×60、D2850X55与D1850X50(图1);新广州电视塔立柱钢管为D2000X50(40),并以很小斜率沿长度方向变径;北京电视塔圆管柱为D1200X60,其径厚比为18;原五棵松体育文化中心方案曾要求采用D1000X100的厚壁无缝钢管,其径厚比仅为8,世界上只有极少数厂家可生产．
厚壁钢管的类别与特点
(1)关于管材的壁厚分类尚无明确统一的标准,若按《冷弯薄壁型钢结枃技术规范》、《钢结构设计规范》规定,圆管(冷加工成型)的厚度不宜大于25mm。故钢结构用管材的壁厚类别可大致可分为:薄壁管一一壁厚＜6mm;中等壁厚管壁厚=8mm~28m;厚壁管一一厚壁t≥30mm。关于圆管的径厚比要求,按局部稳定条件,壁厚不应过小,规范规定相应径厚比限值应不大于而按冷加工(卷制、压制)条件为防止过大性变形与残余应力,壁厚又不应过大,其相应径厚比不宜小于20(按内径计算)。
(2)厚壁管按加工方法可分为以下四类
①热扩无缝钢管一一将已轧制成的厚壁无缝钢管
加热后再次挤压、扩张并拉伸成型, 规格为D720X40(径厚比D/t=16),因为热扩成型,除有冷却过程中的残余应力外,并无小径厚比的冷加工变形和残余应力。但因热扩中温度、速度的不均匀性其壁厚公差可达土25%。一般不适用于钢结构。
②热卷成型管将钢板
均匀加热到900~1000℃后,在卷管机上卷制成型,一般需经二次加热与二次卷制,其性能优于冷卷成型管,且可不受径厚比的限制,但加工成本高、效率低,主要用于锅炉、压力容器工程
如何制造高强度、高韧性的厚壁无缝钢管一直是治金工作者感兴趣的重要课题。近年来,随着治炼和无缝管穿轧技术的进步,对生产≤160mm,0,≥120kgf/mm20,≥140kgf/mm2,-40℃V形缺口试样a≥2kgf·m/cm2的厚壁无缝管,已有较成功经验,并用于兵工生产,但是制造18C~500的大口径厚壁管一直是工艺上的难题。
多年来,制造厚壁管的主要工艺路线是采用电炉(或电渣)钢锭锻造后再机械锆孔的工艺。这种工艺的主要缺点是材料消耗高,钢材利用率低,钢坯的30~40%变为切屑,特别是高强度、大截面部件,往往由于锻压比小,不能充分破坏钢锭心部的柱状晶,使锻坯的断面收缩率和冲击韧性都较低。增大钢锭直径,虽然可以增加锻压比,但是直径増加往往会导致钢锭的元素偏析增加,此举往往不能提高断面收缩率和κ值电渣熔工艺生产的空心管,虽然可以生产高冲击值的管,但是由于铸管上的横列结晶断口难以,妨碍了它的广泛应用。
为了制取高强度、高韧性的厚壁无缝管,我们结合30Cr2Ni2MoVA钢管的研制,进行了一些工艺试验。这些工艺是:1.电渣钢锭十锻造制坯十机加钻孔;2.电渣钢锭十锻造制坯十水压机热挤压成管;3,电渣钢锭十“皮尔格”轧机锻轧无缝管。现将这三种工艺生产管材的性能总结如下。适量的磨削加工,使表面耐久性能得到显著提高的主要原因,是由于充分发挥了残留奥氏体的有利作用;渗层接触疲劳性能随表层残留奥氏体量的增多而增高,其含量达60%左右时,具有 的接触疲劳性能。
3.共渗层中的残留奥氏体在循环应力作用下,均发生马氏体相变。在同一种热处理状态下,残留奥氏体的转变速率越低,其疲劳寿命越高。
4.冷处理虽然能提高共渗层的表面硬度,但是,由于残留奥氏体的有利影响被削弱而使其表面耐久性能降低。
1 应力应变和沮度分析将上述建立的有限元分析模必和设定的边界条件分别在 Marc 软件设定．获得了竺厚 17mm 的钢管轧制时的变形情况。图 2 为钢管在第 1o 机架变形区的等效应变、等效应力和沮度分布图。从图中可知．钢管产生的等效应变、等效应力以及轧制过程中的沮度分布并不均匀。在轧辊约束下．钢管外表面产生的变形小于内表面变形；辊缝处的等效应力小于辊底处的等效应力。从钢管的退度分布云图可以看出．钢管的外表面由于与处于较低沮度的轧辊的接触．沮度迅速下降较多；钢管中间部分的沮度升高，但幅度不大．主要是由于钢管变形．部分变形功转换为热债；钢管内表面沮度墓本不变．说明内表面通过对流和热辐射一与外界进行的能徽交换较少。
2 成品钢管的周向壁厚分析本文在进行钢管张力减径的有限元计算过程中发现．划分的有限单元网格产生崎变．单元节点与其径向位！偏离较大．由此会导致在 Marr 自带的后处理模块中计算成品钢管峨厚时会产生较大的误差。因此，本文将有限元计算获得的结果文件导入到 CAD 软件中进行壁厚侧．，能充分保证侧盆的准确性。钢管周向璧尽按图 3 所示位 t 进行侧盆。图 4 为本文经过计算获得的不同壁厚的钢愉减径后的璧厚沿周向分布图。可以粉出变形后的成品
钢管的壁厚并不一致．且都出现了内多边形现象．壁厚越小。出现的内多边形现象越严欢。分析产生内多边形的原因主要有如下 3 点： ( 1 ）轧辊孔型的椭阂形状导致张力减径过程中金属沿孔型圆周方向的压下峨出现趋异．辊底处的压下反较大而辊缝处压下盆较小；同时，辊底的金属和辊缝的金属变形时的流动方式不一样，辊底金属向内侧流动，而辊缝金属向外侧流动。 ( 2 ）轧辊运动时，其横截面上不同位，的线速度导致了钢管表面的牵擦力分布不均。图 5 给出了变形过程中钢管表面的雌徐力分布云图．从图中可以粉出，由于钢管的线速度小于辊缝处的线速度．而大于辊底处的线速度，由此造成了康擦力方向在辊缝位且与轧制方向相同，而在辊底位置雌擦力与轧制方向相反．并在辊缝处形成了轴向压应力 M ，而在辊底处形成轴向拉应力，并且越帐近辊缝和辊底位， . 康擦引起的附加应力越大。
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