1、直缝焊管在钢结构中的应用前景 番禺珠江钢管有限公司 2019.05目 录n前言 n钢管的分类及特点n直缝焊管在钢结构中应用现状及前景n直缝焊管制造工艺n关于钢级n关于标准n结语及建议1 前言 n自然界中的许多例子显示了圆管形状在受压、受扭以及多方向受弯下的卓越的结构性能，人们受到启发，钢结构传统设计理念得到突破，将圆管结构与建筑外形相结合，形成极具魅力的钢管结构。n大空间、大跨度建筑如体育馆、展览馆、机场航站楼、地铁站、大型工业厂房等不断涌现，传统的钢筋混凝土结构、木结构、砌筑结构等很难实现这种大跨度空间结构形式。1 前言n2019年奥运会在北京召开，以鸟巢为首的大批钢结构经典之作精彩展现，极
2、大地带动国内钢结构行业的发展。n钢材产量的快速增长、国家政策导向以及钢结构设计、科研、施工队伍日益强大等诸多有利因素。n应用范围几乎涉及所有结构领域，包括房屋建筑、桥梁、堤坝、海洋平台和塔桅结构等。2 钢管的分类及特点2.1 钢管的分类n按轧制工艺分类：钢管可分为热轧钢管和冷轧钢管；n按截面形状分类：钢管可分为圆管和异型管；n按钢管是否有缝分类：钢管可分为无缝钢管和焊接钢管，其中常用焊接钢管按焊缝种类又可分为高频焊管、直缝埋弧焊管、螺旋埋弧焊管等3种。2 钢管的分类及特点2.2 钢管的特点 n无缝钢管:壁厚可以较厚，径厚比较小，这是其优点，但管径受到限制，大口径无缝钢管成本相对较高。n高频焊钢
3、管：高频焊管管形好，壁厚均匀，自动化程度很高，生产成本低廉，但壁厚相对较薄，管径相对较小，钢结构中特别适合制作管桁架结构。2 钢管的分类及特点2.2 钢管的特点n直缝埋弧焊管：采用双面埋弧焊焊接工艺，在静态条件下焊接，焊缝质量高，焊缝短，产生缺陷的几率很小，钢管通过全长扩径，管形好，尺寸精确，钢管壁厚范围和管径范围宽，自动化程度较高，相对于无缝钢管，生产成本较低，适合建筑、桥梁、堤坝、海洋平台等钢结构承载用立柱、超大跨度建筑结构以及要求抗风抗震的电杆塔桅结构。2 钢管的分类及特点2.2 钢管的特点n螺旋埋弧焊管：焊缝呈螺旋线分布，焊缝长，尤其是 处于动态条件下焊接，焊缝还来不及冷却就离开了成型
4、点，极易产生焊接热裂纹，裂纹的方向和焊缝平行，和钢管轴线成一定夹角，一般在30-70之间，这个角度刚好与剪切破坏角度相一致，因此其抗弯、抗拉、抗压和抗扭性能远不如直缝埋弧焊管，同时由于焊接位置限制，产生的马鞍形和鱼脊形焊缝，影响美观。另外施工过程中，螺旋焊母管节点处的相贯线焊缝割裂了螺旋缝，产生较大的焊接应力，因而大大削弱构件的安全性能，重要的钢结构场合不宜使用螺旋埋弧焊管。2 钢管的分类及特点2.3 钢管结构的特点n截面具有双轴对称、截面形心和剪心重合等特点，截面惯性矩对各轴相同，作为受弯和受压构件的优势突出。n截面闭合，抗扭刚度大、板件局部稳定好。尤其是圆管截面，抵抗扭转特别有效。n外观简
5、捷、平滑，杆件可直接焊接于同一点，可不用节点板，以节省钢材。n相比开口截面而言，截面具有表面平整、无死角以及外表面积小等特点，有利于节省防腐和防火涂料，也便于除尘。2 钢管的分类及特点2.3 钢管结构的特点n钢管截面的风阻力系数小，当暴露在流体（如风、水流）中时有着显著的优点。n钢管结构的内部空间可利用。钢管内填充混凝土（钢管混凝土结构）不仅能提高构件的承载力，而且还能延长构件的耐火极限（平均可达2h）；管内注水，可利用内部水循环进行防火；传输液体，如输油管线，排雨水管等；管内还可以放预应力索，施加体内预应力。n1947年第一个现代化的钢管结构海洋平台在墨西哥海湾建成,拉开了应用钢管结构的序幕
6、；n德国Stuttgart机场候机大厅采用钢管构件铸钢节点的树形支承结构，具有造型独特、简捷明快的特点；n日本大阪Kansai机场航站楼屋面结构，采用了圆管截面的曲线三角桁架；3 直缝焊管在钢结构中应用现状及前景3.1 国外应用现状3 直缝焊管在钢结构中应用现状及前景3.1 国外应用现状n英国伦敦布什来恩宫，外露式的圆管截面桁架把立面荷载传递到立柱里，管截面内注入水用于防火，正好弥补了钢结构建筑耐火性差的弱点；n加拿大多伦多Skydome的开合屋盖、法国戴高乐机场的高速铁路火车站等都是著名的钢管结构建筑 3 直缝焊管在钢结构中应用现状及前景3.2 国内应用现状我国钢管结构的发展要晚于欧美、日本
7、等国，但在最近十年，钢管结构在我国也得到了飞速发展：n以鸟巢为代表的奥运场馆落成，为2019年奥运 会树立一座独特的历史性的标志性建筑，该工 程首次采用低合金高强钢Q460；n国家大剧院大厅立柱首次采用耐火耐候埋弧焊 钢管，可在600以上的温度下，不变形不软化，在室外不作任何防腐操施的情况下，可长 期不受腐蚀；3 直缝焊管在钢结构中应用现状及前景3.2 国内应用现状n除此以外，我国先后建成了一些大型的钢管结构建筑，如长春体育馆、上海体育馆、虹口体育馆、广州体育馆、首都机场新航站楼、成都双流机场新航站楼、广州新白云机场航站楼、沈阳桃仙机场、济南遥墙国际机场等钢管结构建筑。3 直缝焊管在钢结构中应
8、用现状及前景3.3 应用前景n钢管结构作为新型的结构形式，近几年来在世界各国得到了迅速发展。最近5年，欧洲的钢管用量增加了25%。来自北美钢铁研究所的统计数字证实，随着美国钢铁工业以底层商业建筑市场为开发目标，钢管结构的需求也呈上升之势，据美国LTV钢铁公司估计，在最近5年，美国结构管材的消耗量每年以5%10%的速度增长。3 直缝焊管在钢结构中应用现状及前景3.3 应用前景n近年来，随着我国钢铁产量的不断增长，钢结构以其自身的优势，在建筑中所占的比例越来越大，钢管结构也取得较大的突破。钢管结构中的管桁架结构以它独特的优势受到人们的青睐,目前主要应用在一些大型公共建筑中；n在工业厂房柱及屋架、轻
9、钢结构和住宅钢结构中的应用潜力很大；n在桥梁、堤坝、海洋平台等钢结构承载用立柱、超大跨度建筑结构以及电杆塔桅结构等方面有广阔的前景。4 直缝焊管制造工艺4.1直缝焊接钢管制造工艺分类：n高频电阻焊制管工艺：即ERW制管工艺，适用中小口径，效率较高；n传统三辊成型制管工艺：卷制6m以下短管，大多采用单丝埋弧焊，适用于中大口径，效率低；n新型三辊成型制管工艺：从传统三辊成型工艺发展起来，成型工艺和传统方式并无两样，实质就是将成型辊加长，可成型长度12m甚至16m的大口径埋弧焊钢管，发扬和避免了传统三辊成型的优点和缺点。4 直缝焊管制造工艺4.1直缝焊接钢管制造工艺分类：nUOE制管工艺：油气直缝埋
10、弧焊管的主要生产方式之一，采用UO成型技术、多丝埋弧焊焊接技术以及全长扩径技术，管形好，尺寸精度高，残余应力低，产效率高，单管长度一般12m，甚至达18m，适合大批量供货，但设备投资大。nJCOE制管工艺：油气直缝埋弧焊管的主要生产方式之一，采用JCO成型技术、多丝埋弧焊焊接技术以及全长扩径技术，管形好，尺寸精度高，残余应力较低，产效率较高，单管长度一般12m，适合中小批量供货，设备投资较低。4 直缝焊管制造工艺4.2 成型原理：nUOE是焊管成型过程中的三个重要工序 U成型、O成型和扩径的英文缩写。即将边部预先按要求弯曲后的钢板分别在U成型机和O成型机内压成U形和O形管坯，然后再将O形管坯焊
11、接后进行扩径加工。4 直缝焊管制造工艺4.2 成型原理：n旋压式JCOE：其成型工作原理是采用多组液压马达带动约13m长的芯轴辊对钢板进行连续旋弯扭转，达到钢板的JCO弯曲成型，其成型过程分两步进行：第1步，首先将心轴辊上的纵向分布的液压控制T型键旋转至6点位置，将钢板送进T型键并夹紧，然后钢板随心轴逆时针旋转，旋至一半，松开T型键，完成第1步，这时钢板由“一”字形变成J形；第2步，将J形管坯推至心轴的另一边，重复第1步动作，完成另一半的成型，这时J形管坯变成开口较小的C 形管坯，通过下道预焊工序而将管坯变成O形。该成型方式，具有成型精度高、成型速度快、应力分布均匀、残余应力小，而且换模快捷，
12、特别适合多规格、中小批量钢管的生产。4 直缝焊管制造工艺4.2 成型原理：n旋压式JCOE：4 直缝焊管制造工艺4.2 成型原理：n折弯式JCOE：成型方式为步进式压力折弯成型，折弯模为带弧度的倒“T”形模具，成型过程分三步进行：第1步，将预先弯好板边的钢板送进压力机底座，从钢板的一边往钢板中心开始分步进行压力折弯，压力和步间距均由计算机精确控制，折弯至钢板的一半时，完成第1步，折弯刀数为N，这时钢板由“一”字形变成J形；第2步，将J形管坯推至压力机底座的另一边，重复第1步动作，完成另一半的成型，折弯刀数也是N，这时管形由J形变为C形；第3步，将C形管坯从中间位置最后再折弯1刀，将C形管坯变成
13、O形管坯，至此完成JCO成型，共用2N+1刀。此成型方式对成型厚壁管具有优势，例如珠江钢管公司的5200吨折弯成型机，对16Mn（Q345）成型壁厚可达到50mm。4 直缝焊管制造工艺4.2 成型原理：n折弯式JCOE：4 直缝焊管制造工艺4.3 焊接技术n UOE、JCOE采用高效的纵列多丝埋弧焊焊接技术，每根焊丝由单独的焊接电源供电，焊丝呈纵向排列，焊接过程中形成一个共同的焊接熔池，该技术由最初的两丝焊已发展到现在的四丝和五丝焊。4 直缝焊管制造工艺4.3 焊接技术n该技术具有单丝无可比拟的优点：1）生产效率可成倍增加，一台四丝焊接机组，相当于3台到4台单丝焊机组；2）焊接质量可大幅提高；
14、3）焊接线能量可进一步降低，提高焊接接头的力学性能；4）可更合理的匹配焊丝，达到焊缝与母材最佳匹配；5）可降低单位焊缝长度的焊材消耗。4 直缝焊管制造工艺4.4 扩径：n扩径是直缝埋弧焊管的必不可少的重要制管工序，扩径有两种工艺方式，一种是水压扩径，另一种是机械扩径。扩径的作用可以归纳成以下三点：1）矫正由焊接造成的钢管变形，使钢管的椭圆 度和平直达到要求的尺寸精度；2）减少或消除在制管过程中引起的包辛格效 应，提高钢管的屈服强度。3）消除钢管成型和焊接部位的残余应力。4 直缝焊管制造工艺4.3 扩径：05 关于钢级n从某种程度上讲，油气管线的发展史就是钢级不断提高的历史，使用高钢级、大口径、
15、提高管线输送压力可以大幅度的节省钢材，降低工程成本，目前管线钢主流钢级已达到X80（屈服555MPa），X100（屈服690MPa）、X120（屈服840MPa）也陆续研发成功并见诸报道，正待进入商用阶段，国内的冶金、轧钢技术的进步和蓬勃发展，正是以管线钢的飞速发展为标志。5 关于钢级n目前国内结构钢钢级仍然停留在Q235和Q345两个牌号上，奥运会场馆鸟巢工程首次使用低合金高强度钢Q460，大大节省了钢材，对钢结构行业向前迈进具有开创性意义，对进一步推广使用高级别高强钢具有重要示范意义。n管线钢制造技术已经非常成熟、可靠，管线钢属于低碳微合金控轧钢，采用Mn和微合金强化，具有优异的焊接性能和
16、力学性能，在100以下使用强度不会损失，相信在钢结构行业同样大有用武之地。6 关于标准n钢管结构虽然具有众多优异性能，应用前景广阔，但在目前的推广应用中仍存在诸多不利因素，标准因素就是其中之一，主要表现在设计规范缺乏，标准不尽完善，基础标准不齐等方面，长期出现无标可依的局面，跟不上行业发展的需要。n可喜的是，经过行业各方面多年的共同努力，行业标准钢管结构技术规程已完成送审稿的审查，结束无标可依的局面指日可待。6 关于标准n标准的不尽完善和基础标准不齐主要体现在以下几个方面:1)现行钢结构标准、规程仍将钢级限制在Q345以下，给设计和使用更高级别钢材带来限制，制约了钢结构行业技术的发展。2）结构
17、用钢管标准体系中缺乏结构用直缝埋弧焊钢管的国家标准，虽然在GB3091低压流体输送用焊接钢管的范围中提到了“也适用于结构用直缝焊接钢管”，但在钢结构规范、规程中并没有采用GB3091标准，造成直缝埋弧焊钢管选型无标可依。7 结语及建议n钢管结构作为新型的结构形式，直缝焊管管形优异，壁厚均匀，性能优良，价格低廉，具有广阔的应用前景，为钢结构行业和制管企业的发展带来新的机遇，但在目前的推广应用中仍然有诸多的不利因素，需要用户、设计单位、行业协会与生产厂家多方共同推动；n需要进一步完善节点研究，加强高强钢节点研究力度，为高强钢的广泛使用开辟道路；7 结语及建议n需要尽快完善结构钢管标准体系，尽快制定结构用直缝埋弧焊钢管的国家标准；n螺旋焊管本身存在安全隐患，在重要的钢管结构场合中应谨慎采用；n研究采用级别更高的低合金高强钢或高钢级管线钢的可行性，以降低工程造价。报告完毕，谢谢大家！直缝焊管在钢结构中的应用前景
