陳 鴻,王東明
(1.天水鍛壓機(jī)床(集團(tuán))有限公司,甘肅 天水 741020;2.甘肅省制管裝備自動化及信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 天水 741020;3.甘肅省風(fēng)電塔筒技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟,甘肅 天水 741020)
縱向變厚度鋼板(Longitudinally Profiled steel plate,簡稱LP 鋼板)是指厚度沿軋制方向連續(xù)變化的具有特殊縱向形狀的鋼板,由于可以根據(jù)結(jié)構(gòu)服役時(shí)的承載狀況來定制鋼板形狀及厚度尺寸,從而具有節(jié)省鋼材、減輕結(jié)構(gòu)重量,以及減少焊縫、提高抗震性能等優(yōu)點(diǎn)[1]。LP 鋼板被稱為節(jié)約型綠色鋼板,其特殊截面可滿足船舶、橋梁、建筑等鋼結(jié)構(gòu)中不同的減量化設(shè)計(jì)要求,還可減少焊接工作量、降低制造成本和提高結(jié)構(gòu)安全性等多方面的效果,因此具有很好的應(yīng)用前景,得到國內(nèi)外鋼鐵生產(chǎn)廠家和建筑工程行業(yè)的青睞,有廣闊的應(yīng)用前景。
法國于1983 年軋制出LP 鋼板,1993 年起日本JFE(日本鋼鐵工程控股公司)開始生產(chǎn)單向變厚度鋼板,作為船舶用鋼首次得到應(yīng)用。國內(nèi)首鋼、鞍鋼、寶鋼、邯鋼等企業(yè)進(jìn)行了變厚度軋制理論的研究與鋼板軋制,邯鋼公司在2009 年10 月軋制了我國首塊LP 鋼板。首秦4300mm 寬厚板軋機(jī)試軋LP 鋼板后,對其進(jìn)行組織、性能和尺寸檢測,結(jié)果顯示性能滿足Q345C 鋼標(biāo)準(zhǔn)要求,表明首鋼具備了LP 鋼板的開發(fā)和生產(chǎn)能力[2]。鞍鋼能生產(chǎn)公稱寬度900mm~5200mm 的LP 鋼板。
LP 鋼板可以減少鋼材數(shù)量、降低結(jié)構(gòu)自重、減少焊縫、提高橋梁橋墩的抗震性能等優(yōu)點(diǎn),在國外的船舶、橋梁等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。目前LP 鋼板已廣泛應(yīng)用于歐洲、日本及韓國的橋梁工程,國內(nèi)對這種鋼板的研究較少,主要是對其軋制工藝、材料力學(xué)性能及變形性能進(jìn)行了一系列研究[3]。據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)司2020 年1 月15 日《熱軋縱向變厚度鋼板國家標(biāo)準(zhǔn)解讀》一文介紹,一條17 萬t 級的貨輪,建造中使用2500t LP 鋼板,焊縫長度可能減少700m,節(jié)省鋼材能達(dá)到218t,占總重量的8.72%。在橋梁建設(shè)和建筑結(jié)構(gòu)中采用LP 鋼板,最大可節(jié)約鋼材用量20%,具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會價(jià)值。
清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用國產(chǎn)橋梁設(shè)計(jì)軟件,建立含有LP 鋼板的鋼箱梁模型并進(jìn)行分析,研究結(jié)論認(rèn)為,采用LP 鋼板可以降低翼緣板件鋼材最高達(dá)27.15%,而結(jié)構(gòu)的撓度僅增加約7%;與焊接變截面的連續(xù)梁橋相比,采用LP 鋼板的鋼橋可減少鋼材24%,同時(shí)降低6 道焊縫數(shù)量,焊縫數(shù)量減少50%,而撓度僅增加12%[4]。塔桿結(jié)構(gòu)類構(gòu)建,如風(fēng)力發(fā)電機(jī)柱、輸電塔、煙囪等,可利用縱向變厚度鋼板的厚度變化特性,將原先變截面桿件,直接成型為外徑相同桿件,加工制造更簡單[5]。
2019 年8 月30 日發(fā)布的《熱軋縱向變厚度鋼板標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 37800-2019),于2020 年7 月1 日實(shí)施。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,LP 板有十種縱向變厚度的不同形狀類型,公稱厚度范圍為10mm~400mm;公稱寬度范圍為900mm~5200mm;公稱長度范圍為2000 mm~25000mm;最大厚度變化率為8mm/m(相當(dāng)于斜率0.004);一般厚度變化率為0.0005~0.004 之間。最小厚度變化率為1mm/m。圖1 所示為縱向變厚度鋼板示意圖。
圖1 縱向變厚度鋼板(LP 鋼板)
據(jù)2020 年5 月《我的鋼鐵網(wǎng)》報(bào)道,預(yù)計(jì)在2021年由鞍鋼股份有限公司擬制定《船舶用熱軋縱向變厚度鋼板》、《橋梁用熱軋縱向變厚度鋼板》、《建筑結(jié)構(gòu)用熱軋縱向變厚度鋼板》等三個(gè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。
國內(nèi)多數(shù)風(fēng)電塔筒制造企業(yè),采用等厚鋼板橫向卷制成型工藝生產(chǎn)塔筒,塔筒每節(jié)長度3m,多節(jié)塔筒通過環(huán)焊縫焊接成24m 長的塔筒,在風(fēng)電安裝現(xiàn)場將24m 長的塔筒,采用法蘭連接方式組成完整的塔筒。典型生產(chǎn)工藝為:數(shù)控切割機(jī)下料—厚板開坡口—卷板機(jī)卷板成型—縱焊縫焊接—塔筒整圓—塔筒組對及環(huán)焊縫焊接—質(zhì)量檢驗(yàn)—噴砂防腐等流程。
當(dāng)風(fēng)力發(fā)電塔塔體高度達(dá)到100m 以上時(shí),普通的焊接塔筒由于直徑增大、重量增大,使得塔筒的生產(chǎn)制造過程中鋼板的卷曲、防腐處理等工藝難度增大,運(yùn)輸、安裝成本相應(yīng)增加。2017 年4 月,天水鍛壓機(jī)床(集團(tuán))有限公司公開了《一種組合式風(fēng)力發(fā)電塔塔體》發(fā)明專利。塔體由多節(jié)塔筒縱向連接而成,每節(jié)塔筒由數(shù)個(gè)異型型材組裝而成,異型型材易于生產(chǎn)成型,普通運(yùn)輸工具即可完成運(yùn)輸,在風(fēng)力發(fā)電場現(xiàn)場對異型型材用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行組裝,無需焊接,即可完成風(fēng)力發(fā)電塔塔體的安裝,能節(jié)約生產(chǎn)、運(yùn)輸成本。
國內(nèi)較早研究LP 鋼板應(yīng)用到風(fēng)電塔筒的是北京建筑大學(xué)丁宇楠團(tuán)隊(duì),他們以83m 高風(fēng)電機(jī)組塔筒為基礎(chǔ),用LP 鋼板替代傳統(tǒng)等厚度鋼板制作風(fēng)電塔筒,運(yùn)用 ANSYS Workbench 平臺,對LP 鋼板塔筒和傳統(tǒng)等厚塔筒的靜力性能進(jìn)行了比較。第一是塔筒模態(tài)分析,對比兩種塔筒的模態(tài)分析結(jié)果,二者前5 階模態(tài)振型相同,頻率相差在4.2%之內(nèi)。第二是塔筒靜力分析,在極端陣風(fēng)工況下的塔筒頂部極限荷載,LP 鋼板塔筒頂端位移1147mm,最大應(yīng)力174.95MPa。等厚度塔筒頂端位移1113.3mm,最大應(yīng)力182.51MPa,兩者位移極值相差3%,應(yīng)力極值相差4.1%。第三是等厚度塔筒一共用鋼22.416m3,所用鋼材總重175.97t;LP 鋼板塔筒一共用鋼21.708m3,所用鋼材總重170.41t,采用LP 鋼板塔筒相比于等厚度塔筒,可節(jié)約3.16%的用鋼量,即節(jié)約鋼材5t。說明采用LP 鋼板制作風(fēng)電機(jī)塔筒可以充分利用材料,改善塔筒受力性能,具有良好的應(yīng)用前景[7]。
LP 鋼板在造船、橋梁建設(shè)、裝配式建筑等領(lǐng)域有一些研究與應(yīng)用案例,主要涉及LP 鋼板材下料、焊接、受力分析等方面的研究。但是從加工路線、工藝參數(shù)、裝備選擇、生產(chǎn)過程控制等方面進(jìn)行系統(tǒng)性研究,無論是理論還是工程試驗(yàn)方面均未見報(bào)道。
圖3 國內(nèi)第一根LP 鋼板錐形樣管
2020 年11 月,天水鍛壓機(jī)床(集團(tuán))有限公司、天水天力特種制管公司聯(lián)合試制了LP 鋼板錐形樣管。采用制管成型機(jī)折彎成型兩半圓的方法,在國內(nèi)首次生產(chǎn)出了LP 鋼板錐形樣管(圖2、3)。樣管技術(shù)參數(shù):大端管徑?1424mm、壁厚29mm,小端管徑?1172mm、厚度23mm,鋼管錐度1.2°,長度12m。
圖2 國內(nèi)第一根LP 鋼板錐形樣管尺寸
2021 年7 月,天水鍛壓機(jī)床(集團(tuán))有限公司與天水天力特種制管公司,再次試制了兩節(jié)LP 鋼板風(fēng)電塔筒(表1)。工藝流程是:將LP 鋼板下料為扇形板—銑邊—預(yù)彎—成型機(jī)成型1/4 圓弧板—1/4 圓弧板拼焊成1/2 半圓弧板—1/2 半圓弧板拼焊成整圓(圖4、5)。關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備是數(shù)控銑邊機(jī)、數(shù)控預(yù)彎機(jī)、數(shù)控成型機(jī)等。
圖4 管塔拼焊方案圖
表1 兩節(jié)塔筒參數(shù)
直縫埋弧焊管生產(chǎn)線在國內(nèi)已經(jīng)有二十幾年的歷史,從最初的生產(chǎn)工藝及裝備全部依賴進(jìn)口,到全面國產(chǎn)化,無論從生產(chǎn)線理論研究、全線生產(chǎn)工藝及裝備研發(fā)、制造、全線自動控制系統(tǒng)集成、用戶使用、維修等方面技術(shù),均達(dá)到了比較高的水平。直縫埋弧焊管生產(chǎn)線按功能劃分為六大區(qū)域,實(shí)現(xiàn)鋼板到合格鋼管生產(chǎn)全流程。六大區(qū)域包括:成型工段區(qū)(設(shè)備有平板探傷機(jī)、銑邊機(jī)、預(yù)彎機(jī)、成型機(jī)、預(yù)焊機(jī));內(nèi)焊工段區(qū);外焊工段區(qū);焊縫檢驗(yàn)、補(bǔ)焊工段區(qū);倒棱、水壓試驗(yàn)工段區(qū);成品檢驗(yàn)等工段區(qū)[8]。LP 鋼板風(fēng)電塔筒工藝試驗(yàn),借鑒了直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線成型工段區(qū)工藝流程。
圖5 國內(nèi)第一節(jié)LP 鋼板風(fēng)電塔筒
與等厚、等寬鋼板銑邊工藝相比,加工LP 鋼板有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):①縱向變厚度問題,解決辦法為通過調(diào)整銑邊機(jī)送料車工作臺高度差,使LP 鋼板縱向板厚中性層與銑邊機(jī)刀盤坡口中心線重合,銑邊完成后,坡口鈍邊高度不變,斜邊高度隨LP 鋼板厚發(fā)生變化,是鋼板厚度變化量的1/2(圖6);②LP 鋼板扇形斜邊加工問題,解決辦法是通過將銑頭單元進(jìn)給軸點(diǎn)位控制模式,改造為數(shù)控連續(xù)控制模式,銑邊時(shí)送料車控制軸與銑頭進(jìn)給軸進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算控制,實(shí)現(xiàn)LP 鋼板扇形斜邊加工。
圖6 LP 鋼板銑邊后坡口
預(yù)彎機(jī)解決成型過程中鋼板縱向板邊直邊無法成型問題,能有效解決合縫與圓弧拼焊錯(cuò)邊問題。與等厚、等寬鋼板預(yù)彎工藝相比,加工LP 鋼板有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):①縱向變厚度問題。數(shù)控預(yù)彎機(jī)采用縱向步進(jìn)送料,分段預(yù)彎方式工作,預(yù)彎機(jī)主機(jī)為下模下動式雙油缸驅(qū)動,電液比例控制,兩油缸分別由兩個(gè)數(shù)控軸(Y1、Y2)控制,在步進(jìn)式預(yù)彎過程中,隨LP 鋼板縱向厚度的變化,自動調(diào)整Y1、Y2 目標(biāo)值,就能實(shí)現(xiàn)對LP 鋼板縱向變厚度的控制,實(shí)現(xiàn)預(yù)彎;②LP 鋼板扇形斜邊預(yù)彎問題,預(yù)彎過程是左、右兩臺預(yù)彎主機(jī)同步運(yùn)行完成預(yù)彎,兩臺預(yù)彎機(jī)下模與鋼板長度方向中心線平行,將預(yù)彎機(jī)下模移動機(jī)構(gòu),升級改造為能自動調(diào)整斜度機(jī)構(gòu),工作時(shí)將下模的斜度調(diào)整到與LP 鋼板扇形斜邊平行,就能實(shí)現(xiàn)LP 鋼板全自動預(yù)彎。LP 鋼板預(yù)彎后形狀如圖7 所示。
圖7 LP 鋼板預(yù)彎后的形狀
近年來液壓板料折彎機(jī)向大噸位、多缸、超長度方向發(fā)展,由大型折彎機(jī)派生出一種專門生產(chǎn)各種管道的重型數(shù)控制管成形機(jī),其公稱壓力從10000kN~100000kN,加工長度從8m~18m,能加工縱向單焊縫?1626mm、厚度60mm 的鋼管。與等厚、等寬鋼板成型過程相比,加工LP 鋼板有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):①縱向變厚度問題,數(shù)控制管成型機(jī)滑塊分別由左、右油缸驅(qū)動,兩油缸為數(shù)控控制(Y1、Y2),能實(shí)現(xiàn)速度、位置、壓力控制。成型時(shí)只要根據(jù)LP 板縱向厚度的變化量,調(diào)整Y1、Y2 目標(biāo)值,就能實(shí)現(xiàn)成型;②LP鋼板塔筒錐度成型問題,根據(jù)折彎理論折彎角度的大小由下模開口和滑塊下壓位置兩個(gè)參數(shù)決定,其一是將下模開口調(diào)節(jié)成與塔筒相同的錐度實(shí)現(xiàn),其二是通過調(diào)整Y1、Y2 目標(biāo)值實(shí)現(xiàn);③LP 鋼板扇形斜邊自動送料問題,制管成型機(jī)采用前、后各兩個(gè)伺服軸送料(X1~X4 軸),能實(shí)現(xiàn)斜邊定位送料。在制管成型機(jī)上加工LP 鋼板圓弧板,現(xiàn)有設(shè)備的功能完全能夠滿足需求。如圖8、9 所示。
圖8 LP 鋼板成型1/4 圓弧板
圖9 LP 鋼板1/4 圓弧成品
如果需要進(jìn)一步提高LP 鋼板的成型質(zhì)量,從成型設(shè)備技術(shù)改造升級著手,其中包括下模自動開口和自動多點(diǎn)撓度補(bǔ)償技術(shù)研究、結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)以及自動控制技術(shù)應(yīng)用。讓下模開口自動調(diào)節(jié)到更接近理論成形圓管的曲率理論值。多點(diǎn)補(bǔ)償使鋼管管坯直線度更接近理論圓管的直線度理論值,目前國內(nèi)、外同類高端裝備已經(jīng)應(yīng)用了這些功能。
風(fēng)電塔筒為圓柱、圓錐、結(jié)構(gòu)特點(diǎn),主要焊縫包括單節(jié)筒體縱向?qū)拥目v縫、相鄰?fù)搀w間圓周方向?qū)拥沫h(huán)縫、法蘭與筒體間圓周方向?qū)雍缚p等[10]。與直縫埋弧焊管生產(chǎn)線對整根鋼管預(yù)焊、內(nèi)焊、外焊相比,LP 鋼板拼焊無法完全借鑒直縫埋弧焊管生產(chǎn)線焊接工段區(qū)的裝備與工藝方法。
由于LP 鋼板縱向變厚度,以及錐形風(fēng)電塔筒直徑大的特點(diǎn),根據(jù)LP 板最大寬度5200mm 的實(shí)際,先將LP 鋼板進(jìn)行縱向成型為半圓弧板、1/3 圓弧板或1/4 圓弧板,再拼焊成塔筒是優(yōu)選工藝方案。有兩種工藝途徑:①采用傳統(tǒng)簡單工裝,配合天車起吊的方式完成塔筒拼焊工序,這種方法投資少,工藝成熟,但效率低,質(zhì)量控制難度大,目前國內(nèi)風(fēng)電塔筒生產(chǎn)廠家廣泛采用這種工藝方法;②借鑒直縫埋弧焊管生產(chǎn)線內(nèi)、外焊工段區(qū)思路,從提高生產(chǎn)效率,提高生產(chǎn)線自動化程度的角度思考,研發(fā)新型塔筒拼焊設(shè)備(圖10)。
圖10 新型LP 鋼板塔筒拼焊設(shè)備
這次驗(yàn)證重點(diǎn)在LP 鋼板風(fēng)電塔筒成型工藝方面,無論LP 鋼板、圓弧板、塔筒成品的轉(zhuǎn)運(yùn)完全依靠天車。要實(shí)現(xiàn)LP 鋼板塔筒生產(chǎn)線批量化生產(chǎn),LP 圓弧鋼板與塔筒的輔連輸送設(shè)備、旋轉(zhuǎn)設(shè)備是組成生產(chǎn)線的必備設(shè)備。用輔連設(shè)備(圖11)將各主機(jī)裝備連接成線,用輔連設(shè)備將成型工段區(qū)與拼焊工段區(qū)連線,為LP 鋼板風(fēng)電塔筒生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動化,信息化乃至智能化提供設(shè)備級基礎(chǔ)保證。
圖11 新型LP 鋼板塔筒輔連設(shè)備
采用船用卷板機(jī)進(jìn)行LP 鋼板卷制成型是另一種成型工藝方法。
我國船用卷板機(jī)技術(shù)比較成熟,現(xiàn)已形成多系列多規(guī)格產(chǎn)品,厚度范圍從18mm~40mm,寬度范圍從8000mm~21000mm,為造船業(yè)提供了良好的技術(shù)裝備。數(shù)控船用卷板機(jī)與普通三輥或四輥卷板機(jī)相比,主要是上輥撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu),上輥撓度在線檢測、自動補(bǔ)償是大型數(shù)控船用卷板機(jī)精度保證的關(guān)鍵[11]。由于船體外板大多為變曲率板件,對變曲率的板材,進(jìn)行分段定曲率加工。板材的成形曲率半徑從一邊開始由大到小變化,或者兩邊較大中間較小兩種。板料滾彎加工時(shí),第一次將整塊板加工到最大成形半徑,第二次再輥彎還未達(dá)到曲率的部分,依此類推。上輥下降值d 和成形曲率半徑之間的關(guān)系為d=aRb來計(jì)算,其中a、b 為與卷板機(jī)幾何尺寸、板材規(guī)格、材質(zhì)等有關(guān)的系數(shù)[12]。
隨著海上風(fēng)電機(jī)組級別增大,塔筒鋼板厚度設(shè)計(jì)也在增大,尤其是在塔筒基礎(chǔ)環(huán)和筒體下段部位,鋼板厚度多為30mm~40mm 之間,材質(zhì)一般根據(jù)風(fēng)場環(huán)境不同,分別選擇Q345C、Q345D 和Q345E13。高度一般為60m~90m,底部直徑約4m~6.2m。目前國內(nèi)采用船用卷板機(jī)生產(chǎn)等厚塔筒,其圓度一般為8mm,生產(chǎn)效率一般為90min 生產(chǎn)一節(jié)塔筒,卷制筒體錯(cuò)邊嚴(yán)重,卷制精度最好的水平才達(dá)到±8mm,工件一次成型率不足30%。國外采用船用卷板機(jī)生產(chǎn)塔筒,其圓度能達(dá)到±4mm,生產(chǎn)效率達(dá)到50min一節(jié)塔筒[13]。如圖12 所示。
圖12 船用卷板機(jī)卷制的船板
由于風(fēng)電塔筒無論是通過半圓弧、1/3 圓弧或1/4 圓弧拼接成塔筒,其曲率是一致,比加工船體外板的工藝相對簡單。LP 鋼板的縱向變厚度,和錐形塔筒自身的斜率變化,與等厚、等寬鋼板卷制過程相比,卷制LP 鋼板有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):①LP 縱向厚度的變化,可以通過調(diào)整上輥(Y1、Y2 軸)下壓高差與壓下量來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)卷制的工件在全長范圍內(nèi)出現(xiàn)曲率不一致時(shí),根據(jù)曲率變化量,通過電液推桿調(diào)整斜鐵位置,補(bǔ)償上梁和床身的變形,實(shí)現(xiàn)上輥撓度自動補(bǔ)償,使卷制工件曲率一致;②錐體兩端的展開長度不同且坯料成扇形,故各端的軸向彎曲程度和曲率半徑將依次由大到小變化,在滾彎圓錐形圓弧板時(shí),實(shí)行分段滾彎,使兩端的彎曲長度差減小,可以近似于圓筒的滾彎[14]。第三是理論上采用與管塔錐度一致的錐形輥也是一種方案,但是在工程應(yīng)用中由于成本,規(guī)格更換等原因,作為通用設(shè)備使用,有一定的局限性。
在工程實(shí)踐上船用卷板機(jī)直邊長度是3.5 倍的被加工鋼板的厚度。LP 鋼板直邊問題可以通過兩種途徑解決,第一種途徑是采用預(yù)彎機(jī)預(yù)彎方式,這種方式在石油輸氣鋼管制造行業(yè)是一種典型工藝,生產(chǎn)效率高,自動化程度高,在線生產(chǎn)。另一種是在船用卷板機(jī)上下輥之間加裝分段預(yù)彎模具,需要的預(yù)彎力會增大,可預(yù)彎厚度降檔,適合投資少,對生產(chǎn)效率要求不高的應(yīng)用場合。
一套完整的卷板機(jī)送料系統(tǒng)包括機(jī)械部分的進(jìn)料、送料、托料、卸料機(jī)構(gòu),液壓與氣動系統(tǒng),自動控制系統(tǒng)等,配合主機(jī)滾彎成型。從卷板機(jī)自動送料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看,目前國內(nèi)大部分研究均是關(guān)于卷板機(jī)單機(jī),極少牽涉到整線設(shè)備。在卷板機(jī)自動送料的關(guān)鍵技術(shù)方面,中國與日本以及歐美等發(fā)達(dá)國家還是存在一定的差距[15]。國外的卷板機(jī)也是通過將卷板機(jī)與自動送料設(shè)備結(jié)合在一起組成自動加工單元,通過送料平臺水平送料,并設(shè)有自動裝卸系統(tǒng)[16]。國內(nèi)卷板機(jī)自動送料技術(shù)還需要用戶、生產(chǎn)企業(yè)、科研院所的共同努力。
對制管成型機(jī)與船用卷板機(jī)性能進(jìn)行比較。如表2 所示。
表2 制管成型機(jī)與船用卷板機(jī)性能比較