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日本JFE公司开发建筑用高强度大直径厚壁钢管

介绍了日本高层建筑最常用的支撑构件——高强度大直径厚壁钢管的使用概况,JFE公司生产的建筑用大直径厚壁钢管的研发进展以及该类钢管在力学性能和焊接性等方面的特殊要求。通过调整钢板的化学成分及制造工艺,以减小钢管基体材料的屈强比;同时还要考虑制管前后钢板力学性能的变化,通过调整制管工艺减少加工硬化,如加热成型或制管后进行热处理等,以保证所生产的钢管具有低屈强比和足够的韧性,满足高层建筑的使用要求。

    高强度大直径厚壁钢管已成为高层建筑不可缺少的支撑构件。据日本JFE公司统计,高层建筑最常用的钢管直径为600800 mm,壁厚为2040 mm,广泛采用UOE工艺。然而,每年都有一些工程的设计采用壁厚在40100 mm之间,直径接近2 000 mm的大直径厚壁钢管。对此,日本JFE公司开发了一系列抗拉强度在490780 MPa,屈服强度在385630MPa的高强度、大直径厚壁钢管,工程实践表明,这些大直径厚壁钢管完全能满足高层建筑的性能要求。

1  建筑结构用钢管的性能要求

1.1  力学性能

    当前日本的建筑设计广泛采用弹靼性设计理念,其核心思想是通过构件的塑性变形及吸收功防止构件失效。弹塑性设计主要利用钢材的高塑性变形能力。与弹性设计相比,由于弹塑性设计可以减少构件的截面积,因此更加经济。这就要求建筑物的主要构件要具有规定的屈强比。另一方面,建筑物的设计规范正在从标准设计规范向性能设计规范转变。因此,现代高层建筑的漫计不仅采用弹蠼性设计,而且还采用弹性设计。基于以上两种设计理念,弹塑性设计要求钢管具有低屈强比,而弹性设计要求钢管具有高屈强比。

    由于近年来地震时有发生,对建筑用钢管的韧性提出了更高的要求。钢管与制管之前的钢板相比,由于发生了塑性变形,其韧性将会降低,而最理想的情况应该是钢管的韧性值要保持在制管之前钢板的水平。

1.2焊接性

    由于涉及更高的预热温度及更加严格的层间温度控制,所以高强钢的焊接通常较为困难。因此,要求钢板应具有较低的焊接预热温度,使其具有良好的焊接性。JFE公司大直径厚壁钢管用钢板要求有较低的焊接裂纹敏感系数(Pcm)

1.3研发目标

    JFE公司提出的大直径高强度厚壁钢管目标强度分为三个级别,其抗拉强度分别为490~550MPa570-590 MPa780 MPa;对于每个强度级别,规定了不同的屈强比;而对于抗拉强度为780MPa的钢管,只限于高屈强比设计。同时,规定开发的钢板要达到相同级别建筑用钢的韧性及Pcm,研发日标的规定值见表1

2开发思路及工艺

2.1  板力学性能控制

2.1.1  屈强比

    钢板屈服强度和屈强比的关系如图l所示,通常厚钢板的屈强比随强度的增加而增加。一般情况下,抗拉强度为570610 MPa的钢板的平均屈强比超过80%,抗拉强度为780 MPa的钢板的屈强比超过85%。由表1可见,在要求高屈强比设计的情况下,传统的钢板可以直接使用,但如果要求钢板具有低的屈强比,就要通过化学成分及制造工艺来调整。

    对于强度级别$550 MPa的钢种,通过优化控轧控冷(TMCP)工艺可以实现钢板屈强比≤80%的目标;对于强度级别更高的590 MPa780 MPa钢种,不仅可以通过多级热处理实现钢板屈强比≤85%的目标,也可以通过在线热处理(HOP)工艺使其屈强比达到要求。控制钢板屈强比的生产工艺如图2所示。

2.1.2冷弯成型导致的力学性能变化

    制管过程中的冷弯成型会导致在钢管壁厚外侧及内侧分别产生拉伸及压缩塑性应变,应变大小取决于钢板厚度与钢管直径的比值(t/D)。由于应变会导致钢管的力学性能恶化,因此,在制管过程中要考虑制管前后钢板力学性能的变化。

    为使钢管具有低屈强比,就要进一步减小钢管基体材料的屈强比设计目标值,或者通过适当的工艺减少加工硬化,如加热成璎或制管后进行热处理。用于制造厚壁钢管的钢板有必要优化其化学成分及生产工艺,进而提高其制管后的韧性。

2.1.3焊接性

    JFE公司利用高精度的TMCP技术及在线加速冷却(Super-OLAC)工艺,通过减小碳当量及Pcm值来保证高强钢良好的焊接性。表2给出了建筑用低屈强比钢板、高焊接性590 MPa钢板及低屈强比780 MPa钢板的Y形坡口焊接裂纹试验结果。可以看出,强度低于590 MPa的钢板焊接时可以不用预热。

2.2  制管

2.2.1  弯曲成型

  JFE公司生产的建筑用钢管中,高强度厚壁钢管通过图3所示的压弯方法成型。采用该方法,钢板要进行三点弯曲,然后通过扩径机得到所要求的管径。厚规格钢板的塑性弯曲成型需要较高的压力。在成型压力超过弯板机能力的情况下,必须通过成型之前的加热来减小变形阻力。采用这种方法时,变形阻力随着加热温度的增加而减小,但是温度增加会导致加工硬化条件的变化。因此,在确定压弯条件时就必须考虑到钢管力学性能的这种变化。

  此外,为保证钢管的尺寸精度,控制制管前钢板的精度、成型压力及焊接变形非常重要。特别是对于厚壁钢管,由于焊缝截面大需要进行大量的填充,所以要在考虑到以上影响因素的条件下确定焊接工艺。

2.2.2热处理

    对于具有较大t/D值的钢管,冷弯成型中由塑性应变产生的加工硬化较大。在此情况下,要通过成型过程中的加热成型或焊接后的热处理来减少加工硬化导致的屈强比的增加。图4给出了热弯成型及冷弯+回火时t/D490MPa钢管屈强比的影响。3钢管的化学成分及性能

    抗拉强度为490780 MPa钢管的尺寸范围较广,其外径在8002 100 mm之间,壁厚在40100 mm之间,t/D0.0420.078之间。JFE公司生产的建筑用高强厚壁钢管用钢板的化学成分见表3

    JFE公司生产的建筑用高强厚壁钢管及钢板的力学性能见表4。表中钢管及制管前钢板的拉伸试样均纵向截取,且均为全壁厚试样;夏比冲击试样从距钢管表画U4处及其钢板的对应位置截取。

    不同钢种的钢管dD与屈强比的关系如图5所示。虽然强度、厚度及管径不同,但通过Su-per-OLACHOP及合适的热处理工艺可以将屈强比控制在一定的范围内。

4结  语

    日本JFE公司开发的高强大直径厚壁钢管品种规格较多,抗拉强度在490~780 MPa之间(屈服强度在385630 MPa之间),壁厚在40100 mm之间,最大直径达2000mm。值得一提的是,通过适当的工艺可在相同的强度下获得不同的屈强比。目前,中国国内高层建筑采用钢结构已成为一种趋势,而对于作为主要支撑构件的大直径厚壁钢管的开发还相对滞后。JFE公司大直径厚壁钢管用钢的化学成分、力学性能及制管工艺等值得相关研发单位借鉴。

文章作者:不锈钢管|大口径不锈钢管|不锈钢厚壁管|大口径厚壁钢管|厚壁不锈钢管

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