輸水用大直徑鋼管卷制工藝參數研究

馮飛鴻

（中國中鐵集團第三工程有限公司，陜西 西安710032）

1 概述

近年來，隨著我國南水北調、西氣東輸、路橋等基礎工程建設的需求，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上進行，主要采用鋼板壓頭的筒體卷制工藝。鋼板壓頭有兩種方法：一種是采用預留直邊法在三輥卷板機上壓頭后，將直邊部分切除再成形的方法。另一種是使用壓力機或其他輔助設備進行壓頭。兩種方法壓頭后都需要切除余量并開設坡口，成本高、浪費大，且不利于坡口的自動切割[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、焊接工藝和質量控制情況，提出了超厚、特大直徑鋼管制作質量控制技術。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，大大地提高了整個工程的施工效率。肖國輝[4]發明了一種鋼管破口加工裝置，降低了鋼管坡口切割的勞動強度，提高切割效率，提高坡口加工的質量。陳海龍[5]發明了一種鋼管加工平臺，有效的保證了鋼管加工時的固定，滿足了對尺寸不同的鋼管主體進行固定的需求。陳強[6]分析了海洋鋼結構建造過程中的鋼管卷制及接長，并對質量控制過程中的重點及難點進行了梳理，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要求，為壓力鋼管瓦片同弧度卷制施工時參考和借鑒。田儒洲[8]著重介紹了直徑2200mm 、厚度55mm 的直縫焊管的預壓、卷制、焊接、檢測等施工工序，提出了新的施工工藝，切實解決了高強度厚壁管節的加工制作難題。鐘藝謀[9]針對制造過程中超長鋼板翻身、輸送、焊接、整體卷制等工序，研制了一組輔助成套設備。在無需起吊設備輔助情況下，該成套設備實現了電站大直徑鋼管從鋼板組對、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，實現機械化流水線作業。

本文針對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。

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 根內徑4.2m 壓力鋼管，建筑平面長度9777.117m，設計流量100m3/s。倒虹吸鋼管沿線共設71 個鎮墩，支墩間距均采用10m，支承環采用下支撐式，支座均采聚四氟乙烯滑動支座。為適應鋼管因溫度變化引起的軸向變形，兩個鎮墩間每個鋼管均布置一個單式波紋管伸縮節。鋼管、加勁環及支承環鋼材均采用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處理、下料、坡口加工、預彎壓頭、卷制成型、直縫焊接、校圓、檢測等過程，各工序的主要作用如下：

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

3.2 大直徑鋼管卷制建模

根據工程實際，考慮簡化計算，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，模型由兩個托輥、一個壓輥及鋼板組成。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 鋼板應力及變形云圖

3.3 不同曲率時的受力分析

根據生產實際，進行仿真計算。載荷采用98kN、147kN、196kN。計算后鋼板應力和變形結果如圖2 所示。

由圖2 可以看出，當載荷為98kN 時，鋼板卷制時受到的最大應力為187MPa，最大變形為10mm;當載荷為147kN 時，鋼板卷制時受到的最大應力為278MPa，最大變形為15mm；當載荷為196kN 時，鋼板卷制時受到的最大應力為368MPa，最大變形為20mm。由上述仿真數據可以得出：當載荷為98kN 時，鋼板的強度可以滿足卷制要求，變形量為10mm 影響卷制效率；當載荷為147kN 時，鋼板的強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；當載荷為196kN 時，已經超過了鋼板的屈服極限（345MPa），不能采用196kN 的壓力進行卷制。載荷在147kN 和196kN 之間時，考慮生產的安全系數，不建議使用。

4 結論

本文針對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，得知當載荷為147kN 時，鋼管受力小于屈服強度，能夠滿足工程需求，并且變形量為15mm，可以適當提高生產效率。