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            日本JFE公司開發建筑用高強度大直徑厚壁鋼管

            介紹了日本高層建筑最常用的支撐構件——高強度大直徑厚壁鋼管的使用概況,JFE公司生產的建筑用大直徑厚壁鋼管的研發進展以及該類鋼管在力學性能和焊接性等方面的特殊要求。通過調整鋼板的化學成分及制造工藝,以減小鋼管基體材料的屈強比;同時還要考慮制管前后鋼板力學性能的變化,通過調整制管工藝減少加工硬化,如加熱成型或制管后進行熱處理等,以保證所生產的鋼管具有低屈強比和足夠的韌性,滿足高層建筑的使用要求。

                高強度大直徑厚壁鋼管已成為高層建筑不可缺少的支撐構件。據日本JFE公司統計,高層建筑最常用的鋼管直徑為600800 mm,壁厚為2040 mm,廣泛采用UOE工藝。然而,每年都有一些工程的設計采用壁厚在40100 mm之間,直徑接近2 000 mm的大直徑厚壁鋼管。對此,日本JFE公司開發了一系列抗拉強度在490780 MPa,屈服強度在385630MPa的高強度、大直徑厚壁鋼管,工程實踐表明,這些大直徑厚壁鋼管完全能滿足高層建筑的性能要求。

            1  建筑結構用鋼管的性能要求

            1.1  力學性能

                當前日本的建筑設計廣泛采用彈靼性設計理念,其核心思想是通過構件的塑性變形及吸收功防止構件失效。彈塑性設計主要利用鋼材的高塑性變形能力。與彈性設計相比,由于彈塑性設計可以減少構件的截面積,因此更加經濟。這就要求建筑物的主要構件要具有規定的屈強比。另一方面,建筑物的設計規范正在從標準設計規范向性能設計規范轉變。因此,現代高層建筑的漫計不僅采用彈蠼性設計,而且還采用彈性設計;谝陨蟽煞N設計理念,彈塑性設計要求鋼管具有低屈強比,而彈性設計要求鋼管具有高屈強比。

                由于近年來地震時有發生,對建筑用鋼管的韌性提出了更高的要求。鋼管與制管之前的鋼板相比,由于發生了塑性變形,其韌性將會降低,而最理想的情況應該是鋼管的韌性值要保持在制管之前鋼板的水平。

            1.2焊接性

                由于涉及更高的預熱溫度及更加嚴格的層間溫度控制,所以高強鋼的焊接通常較為困難。因此,要求鋼板應具有較低的焊接預熱溫度,使其具有良好的焊接性。JFE公司大直徑厚壁鋼管用鋼板要求有較低的焊接裂紋敏感系數(Pcm)。

            1.3研發目標

                JFE公司提出的大直徑高強度厚壁鋼管目標強度分為三個級別,其抗拉強度分別為490~550MPa,570-590 MPa780 MPa;對于每個強度級別,規定了不同的屈強比;而對于抗拉強度為780MPa的鋼管,只限于高屈強比設計。同時,規定開發的鋼板要達到相同級別建筑用鋼的韌性及Pcm,研發日標的規定值見表1。

            2開發思路及工藝

            2.1  板力學性能控制

            2.1.1  屈強比

                鋼板屈服強度和屈強比的關系如圖l所示,通常厚鋼板的屈強比隨強度的增加而增加。一般情況下,抗拉強度為570610 MPa的鋼板的平均屈強比超過80%,抗拉強度為780 MPa的鋼板的屈強比超過85%。由表1可見,在要求高屈強比設計的情況下,傳統的鋼板可以直接使用,但如果要求鋼板具有低的屈強比,就要通過化學成分及制造工藝來調整。

                對于強度級別$550 MPa的鋼種,通過優化控軋控冷(TMCP)工藝可以實現鋼板屈強比≤80%的目標;對于強度級別更高的590 MPa780 MPa鋼種,不僅可以通過多級熱處理實現鋼板屈強比≤85%的目標,也可以通過在線熱處理(HOP)工藝使其屈強比達到要求?刂其摪迩鼜姳鹊纳a工藝如圖2所示。

            2.1.2冷彎成型導致的力學性能變化

                制管過程中的冷彎成型會導致在鋼管壁厚外側及內側分別產生拉伸及壓縮塑性應變,應變大小取決于鋼板厚度與鋼管直徑的比值(t/D)。由于應變會導致鋼管的力學性能惡化,因此,在制管過程中要考慮制管前后鋼板力學性能的變化。

                為使鋼管具有低屈強比,就要進一步減小鋼管基體材料的屈強比設計目標值,或者通過適當的工藝減少加工硬化,如加熱成瓔或制管后進行熱處理。用于制造厚壁鋼管的鋼板有必要優化其化學成分及生產工藝,進而提高其制管后的韌性。

            2.1.3焊接性

                JFE公司利用高精度的TMCP技術及在線加速冷卻(Super-OLAC)工藝,通過減小碳當量及Pcm值來保證高強鋼良好的焊接性。表2給出了建筑用低屈強比鋼板、高焊接性590 MPa鋼板及低屈強比780 MPa鋼板的Y形坡口焊接裂紋試驗結果?梢钥闯,強度低于590 MPa的鋼板焊接時可以不用預熱。

            2.2  制管

            2.2.1  彎曲成型

              JFE公司生產的建筑用鋼管中,高強度厚壁鋼管通過圖3所示的壓彎方法成型。采用該方法,鋼板要進行三點彎曲,然后通過擴徑機得到所要求的管徑。厚規格鋼板的塑性彎曲成型需要較高的壓力。在成型壓力超過彎板機能力的情況下,必須通過成型之前的加熱來減小變形阻力。采用這種方法時,變形阻力隨著加熱溫度的增加而減小,但是溫度增加會導致加工硬化條件的變化。因此,在確定壓彎條件時就必須考慮到鋼管力學性能的這種變化。

              此外,為保證鋼管的尺寸精度,控制制管前鋼板的精度、成型壓力及焊接變形非常重要。特別是對于厚壁鋼管,由于焊縫截面大需要進行大量的填充,所以要在考慮到以上影響因素的條件下確定焊接工藝。

            2.2.2熱處理

                對于具有較大t/D值的鋼管,冷彎成型中由塑性應變產生的加工硬化較大。在此情況下,要通過成型過程中的加熱成型或焊接后的熱處理來減少加工硬化導致的屈強比的增加。圖4給出了熱彎成型及冷彎+回火時t/D490MPa鋼管屈強比的影響。3鋼管的化學成分及性能

                抗拉強度為490780 MPa鋼管的尺寸范圍較廣,其外徑在8002 100 mm之間,壁厚在40100 mm之間,t/D0.0420.078之間。JFE公司生產的建筑用高強厚壁鋼管用鋼板的化學成分見表3。

                JFE公司生產的建筑用高強厚壁鋼管及鋼板的力學性能見表4。表中鋼管及制管前鋼板的拉伸試樣均縱向截取,且均為全壁厚試樣;夏比沖擊試樣從距鋼管表畫U4處及其鋼板的對應位置截取。

                不同鋼種的鋼管dD與屈強比的關系如圖5所示。雖然強度、厚度及管徑不同,但通過Su-per-OLAC、HOP及合適的熱處理工藝可以將屈強比控制在一定的范圍內。

            4結  語

                日本JFE公司開發的高強大直徑厚壁鋼管品種規格較多,抗拉強度在490~780 MPa之間(屈服強度在385630 MPa之間),壁厚在40100 mm之間,最大直徑達2000mm。值得一提的是,通過適當的工藝可在相同的強度下獲得不同的屈強比。目前,中國國內高層建筑采用鋼結構已成為一種趨勢,而對于作為主要支撐構件的大直徑厚壁鋼管的開發還相對滯后。JFE公司大直徑厚壁鋼管用鋼的化學成分、力學性能及制管工藝等值得相關研發單位借鑒。

            文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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