廣州某電視塔φ×半圓鋼球加工制作技術

PAGE廣州**電視塔Φ1000×50半圓鋼球試驗研究通過新塔Φ1000×50半圓鋼球的試驗研究，掌握半球熱壓加工前后性能變化和壁厚減薄的規(guī)律，為今后制作大型鋼結(jié)構(gòu)用球提供技術支撐。前言伴隨著國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的騰飛，滬寧鋼機近幾年得到長足發(fā)展，我們先后承建北京2008奧運工程“鳥巢”和上海2010世博工程“世博中心”等標志性工程，與此同時又承建了廣州**電視塔（簡稱新塔）等一大批經(jīng)典建筑。一切源自于誠信與品質(zhì)的鋼結(jié)構(gòu)精品比翼齊飛，共同鑄造了滬寧鋼機的輝煌。新塔高610m，由一座高達454m的主塔體和一個高156m的天線桅桿組成，建成后成為世界上最高的鋼塔結(jié)構(gòu)之一。結(jié)構(gòu)設計新穎獨特，造型優(yōu)美線條流暢。它是匯集實用性、觀賞性和時代性于一身的高科技含量的建筑，高聳入云昂立在廣州市新中軸線上。廣州**電視塔凝聚眾多設計者和建設者的聰明才智，鋼結(jié)構(gòu)加工制作難度實屬罕見。其中Φ1000×50的大型半圓鋼球的試驗研究,就是新塔鋼結(jié)構(gòu)工程千千萬萬構(gòu)件加工制作的一個重要環(huán)節(jié)。二、半圓鋼球熱壓加工（一）半球放樣下料新塔半球使用的鋼材是湘潭鋼鐵公司生產(chǎn)的Q390GJC-Z15厚度為50mm的鋼板，正火狀態(tài)交貨，經(jīng)進貨檢驗其技術指標符合GB/T19879-2005《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》要求，詳見表1和表2。如果忽略半球毛坯板厚t1在熱壓加工過程中的變化，根據(jù)面積不變的原理，下料板坯直徑D計算公式為D=d=1.414d,其中d為中和軸直徑（d=1000-50=950）。實際放樣下料考慮到半球端口，由于模具間隙不均、板厚變化及定位不準等因素影響，使熱壓后半球端面不齊，必須進行修邊，所以最后放樣下料的板坯直徑由1343.3mm增大到1368mm，見圖1。表1Q390GJC-Z15鋼板性能力學性能ReH(MPaa)Rm(MPa))A(%)沖擊吸收功0℃,Akv,J180°彎曲試試驗D彎心直徑a試樣厚度厚度方向性能結(jié)論標準值380～5000490～6100≥22≥34D=3a無裂紋紋Z15合格實測值40054533.5180.1977.2011無裂紋Z=51%表2Q390GJC-Z15鋼板化學成分（%）化學元素CMnSiPSVNbTiAlsCrCuNi結(jié)論標準值≤0.20≤1.60≤0.55≤0.020≤0.0100.020～00.20000.015～00.06000.010～00.0300≥0.015≤0.30≤0.30≤0.70合格實測值0.161.570.340.0080.0010.0510.0220.0100.0240.0350.0280.025（放樣后圓板坯料）（熱壓后半球）圖1放樣下料示意圖一般半球放樣下料計算公式可取D=1.414d+t1/2，這里需要指出的是，只有在中和軸直徑大于板厚（壁厚）5倍以上時，半球中和軸的位置才與壁厚t2的一半重合，否則中和軸直徑將小于球內(nèi)徑與板厚之和。（二）熱壓加工成型按GB50205《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量與驗收規(guī)范》規(guī)定，鋼板壓成半球后，表面不應有裂紋和褶皺等缺陷。為保證熱壓加工后半球質(zhì)量，在壓制前必須檢查圓板料有無麻點、裂紋和毛刺等表面缺陷，上下模應固定安裝好，使其中心線在同一垂直線上，做到間隙均勻一致，同時將模具內(nèi)氧化皮等雜質(zhì)清理干凈。上下模具見圖2，其中下模端口的圓弧R取二倍的板厚。熱壓熱彎是將鋼材加熱至（900-1100）℃，在模具上進行壓制彎曲加工，它適用于厚板及較復雜形狀構(gòu)件的制作。處在高溫下的鋼材塑性好，成型性能好，施壓的壓力也小。熱壓半球時我們首先將Φ1368×50的圓板料置于加熱爐內(nèi)，在爐內(nèi)溫度為1000℃的加熱爐中保溫20分鐘，出爐后隨即吊運至800t油壓機的下模上壓制成半球（見圖2），始壓溫度950℃，終壓溫度790℃，然后半球脫模放平后空冷。眾所周知正火是將鋼件加熱到一定溫度一般為AC3以上（30-50）℃，保溫一定時間，然后在靜止空氣中冷卻，得到珠光體組織的熱處理工藝。半球熱壓成型的過程，相當于對圓板料又進行一次正火處理，從而進一步細化晶粒均勻組織性能更優(yōu)。但由于周圍環(huán)境和空冷條件的差異，熱壓加工后的半球性能往往較原材料力學性能有所波動，但影響不會太大。熱壓成型后將半球脫離上模，曾經(jīng)是困擾我們的難題。往往由于脫模不及時，因熱脹冷縮效應，使半球緊緊裹住上模壓頭，加上半球與上模的摩擦力，使其難以下脫，且下脫時間越長難度越大。針對上述情況，我們曾經(jīng)采用（3-4）只50t油泵支牢固定上模工作臺，下口頂牢半球邊勢的方法，并采用幾把火工龍頭烘烤半球，使其熱脹，從而達到脫模的目的。經(jīng)過多次摸索總結(jié)經(jīng)驗教訓，現(xiàn)在我們采取在灼熱的圓板坯料壓至下模底完成半球成型后，迅速在半球與下模端口間插入“叉弧鉗”，800t油壓機乘熱立即提升上模壓頭。這時由于叉弧鉗阻擋半球跟著上模提升，從而實現(xiàn)半球順利脫離，起到了事半功倍的效果。（三）半球成型后的加工制作半球熱壓成型后，因壓制伸長變形，再加上下料時預留的余量，半球端口多余部分必須切割掉。我們采用專用自動回轉(zhuǎn)平臺切割完成（見圖3），然后再在半球殼體內(nèi)部焊制加強筋，半球產(chǎn)品就順利誕生了。圖2在模具中熱壓半球圖3自動回轉(zhuǎn)平臺切割半球端面三、半球解剖試驗（一）半球?qū)嵨锶痈鶕?jù)GB/T2975《鋼及鋼產(chǎn)品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》規(guī)定，應在外觀及尺寸合格的半球鋼產(chǎn)品上取樣，試料應有足夠的尺寸以保證機加工出足夠的試樣進行規(guī)定的試驗和復試。鑒于在產(chǎn)品不同位置取樣時力學性能的差異，按照標準要求，考慮到半球不同部位厚度和材質(zhì)的不均勻性，我們分別切取有代表性的四塊試料，見圖4。我們解剖試驗研究的半球是新塔第45節(jié)勁性柱頂半球（熱壓加工），弧狀試件4取自半球端部，尺寸為180×60×t2。試件1、2、3尺寸為180（弧長）×100×t2。試驗項目為圓拉伸試驗、沖擊試驗、布氏硬度試驗和化學光譜分析。圖4中試件A、B點為壁厚減薄的測量位置。（二）試樣制備為了保證試樣理化性能測試數(shù)據(jù)的可比性和代表性，我們制備理化試樣均按相關國家標準規(guī)定進行，見表3。表3試樣規(guī)格試樣名稱規(guī)格（mm）標準圓拉伸試樣Φ10短比例試樣GB/T2288沖擊試樣10×10×555，V型GB/T2299硬度試樣（兼作光譜分析析試樣）20×35×555GB/T2311及GB/TT200666、GB/TT43366這里需要對硬度試樣的制備及硬度試驗方法的選擇作一些說明，硬度是金屬材料力學性能試驗中最常用的一個性能指標，它是指金屬表面抵抗另一更硬物體壓入的能力。硬度測試方法不同，硬度值不一樣。由于硬度與強度存在一定的對應關系，因此在本試驗研究中，可以將半球解剖后制備成試樣，在試驗室內(nèi)測試，也可以采用里氏硬度等試驗方法在工程現(xiàn)場測試實物硬度，從而估算新塔半球的抗拉強度值。鑒于影響硬度測試結(jié)果的因素較多，同一試樣取樣位置不同，試樣厚薄、大小、重量和表面狀態(tài)，都會影響試驗結(jié)果。在新塔半球熱壓成型后，鋼材表面容易氧化，改變熱壓件的表面粗糙度。同時高溫下表面往往有脫碳現(xiàn)象，外表氧化層脫落，內(nèi)表氧化皮壓入等情況，都會造成硬度值偏低。對半球殼體當采用動力試驗法測試實物硬度時，由于硬度沖擊裝置與地面的夾角不一樣，還要對測試結(jié)果修正。因此無論在試驗室內(nèi)或工程現(xiàn)場，無論是制備的試樣還是實物進行硬度試驗，都必須滿足標準規(guī)定的試驗條件，否則測試的硬度值偏低或不準，造成對實物性能的誤判。（三）試驗結(jié)果1.半球壁厚圓板料經(jīng)熱壓加工后，整體發(fā)生變形。我們對半球制取的試件，分別測量壁厚。用游標卡尺測量試件壁厚的結(jié)果見表4，超聲波測厚儀測量半球?qū)嶓w壁厚的結(jié)果見表5，超聲波測厚儀現(xiàn)場測量壁厚見圖5，半球壁厚變化情況見圖6，半球壁厚減薄率隨緯度變化曲線見圖7。表4和表5的同一緯度位置壁厚基本一致，但有差異，引起誤差的因素是由于采取不同的測量工具。圖4半球取樣位置圖5超聲波測厚儀測量壁厚圖6半球壁厚變化圖7半球壁厚減薄率隨隨緯度變化曲線表4新塔第45節(jié)勁性柱頂半球減薄率（游標卡尺測量）試件號原試件板料厚度度t1(mm)熱壓后試件厚度t2(mm)減薄率（t1--t2)/tt1×100%A處B處A處B處試件150.551.0(緯度0°)50.0(約緯度20°))-0.99%0.99%試件250.549.0(約緯度40°))48.0(約緯度60°))2.97%4.95%試件350.548.0(約緯度60°))47.3(約緯度80°))4.95%6.34%試件450.551.0(端面緯度0°))50.5（內(nèi)面約緯度77°）-0.99%(端面緯度0°))0%（內(nèi)面約緯度77°）表5新塔第45節(jié)勁性柱頂半球減薄率（超聲波測厚儀測量）測試位置原板料厚度t11(mmm)本體厚度t2(mm))減薄率(t1--t2)/tt1×1000%緯度0°50.551.0-0.99%（t2約等于1.011t1）緯度10°50.550.40.20%（tt2約等于1.000t1）緯度20°50.550.10.79%（tt2約等于0.999t1）緯度30°50.549.91.19%（tt2約等于0.999t1）緯度40°50.549.12.77%（tt2約等于0.977t1）緯度50°50.548.83.37%（tt2約等于0.955t1）緯度60°50.548.04.95%（tt2約等于0.933t1）緯度70°50.547.16.73%（tt2約等于0.944t1）緯度80°50.547.36.34%（tt2約等于0.944t1）緯度90°50.547.36.34%（tt2約等于0.944t1）2.半球材質(zhì)理化性能熱壓半球空冷后截取的4塊試件，分別加工制備成圓拉伸試樣、沖擊試樣和布氏硬度試樣（兼做光譜分析）。經(jīng)萬能材料試驗機、半自動沖擊試驗機、布氏硬度計和直讀光譜儀檢測，測試結(jié)果分別見表6和表7，里氏硬度計現(xiàn)場半球?qū)嵨锢锸嫌捕葴y試結(jié)果見表8。這里需要說明的是原材料的化學成分分析值和熱壓半球后材質(zhì)化學成分分析值的差異，除因材料本身化學成分偏析因素外，其測試誤差在GB/T222-2006《鋼的成品化學成分允許偏差》允許范圍內(nèi)。實物里氏硬度值經(jīng)過兩次換算后得到的抗拉強度值，比試樣實測的抗拉強度值稍低，除因為采用不同的試驗方法外，主要是由于熱壓后半球表面氧化皮和脫碳等因素影響。因此在現(xiàn)場測試硬度時，實物表面氧化皮和脫碳層一定要清除干凈。我們對試件在清除（0.2-1）mm表面層后測試維氏硬度值，換算得到的強度值就更加接近圓拉伸試樣測試的抗拉強度值。表6熱壓半球后材質(zhì)力學性能試樣編號ReH(MPaa)Rm(MPa))A(%)沖擊吸收功0℃,Akv,J布氏硬度HB結(jié)論試樣1400580281981744188815615771577符合GB/T198879試樣2390565322482522248816016001600符合GB/T198879試樣341057534.52622500238815916001600符合GB/T198879試樣4435585312042588179917516771666符合GB/T198879表7熱壓半球后材質(zhì)化學成分（%）化學元素CSiMnSPNiCrVAlsTiNbCu結(jié)論試樣10.160.351.580.0010.0070.0230.0360.0480.0230.0100.0220.029符合GB/T198879試樣20.140.351.580.0010.0080.0210.0350.0520.0240.0090.0220.028符合GB/T198879試樣30.150.341.570.0010.0080.0280.0350.0520.0240.0090.0220.028符合GB/T198879試樣40.150.361.580.0010.0090.0220.0350.0520.0240.0090.0230.029符合GB/T198879表8熱壓半球后實物里氏硬度值里氏硬度值HLLD430421428432425427.2(平均值)換算成HB165158163166161162.6(平均值)相當于Rm（MMPa）529551570582563569(平均值)四、設計完善由于半球熱壓成型，實際最大減薄量為3.4mm，原預估減薄量為4mm左右。在設計時已考慮這些因素，將此部分材質(zhì)由Q345GJC-Z15改為Q390GJC-Z15，提高了一個強度等級。國內(nèi)建造船舶鋼結(jié)構(gòu)，在遇到缺材代材等問題時，曾采用擇優(yōu)選材的方法解決這個問題，即材料牌號不一定選用強度等級高一個級別的牌號，而是在原牌號的材料中挑選替代品，Q345改為Q390屈服強度提高了13%，而抗拉強度相差不大，前者（490-610）MPa，后者（490-650）MPa，因此我們可以在工廠庫存的Q345GJC-Z15中逐張鋼板篩選，從中選取實測強度較高的鋼板，作為半球用材，實現(xiàn)擇優(yōu)選材。既解決了工廠缺材問題，也產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。這里特別強調(diào)一點，我們在擇優(yōu)選材過程中，必須得到驗船師或監(jiān)理現(xiàn)場見證。在半球結(jié)構(gòu)設計過程中，設計部門充分考慮到因半球壁厚減薄，帶來承載力下降和局部需要加強的問題，為保證局部的強度和穩(wěn)定性，在半球殼體內(nèi)增設縱向和橫向加筋板，且加筋板的形式，由起初的“工”字型修改為“Ⅱ”字型，最終定為“井”字型（見圖8），并要求加筋板磨平頂緊，從而達到局部加強的效果，提高了半球承載力，實現(xiàn)“球頂千斤”。圖8半球加強筋五、試驗分析與啟迪1．半球鋼板用料不僅要保證材質(zhì)性能，而且表面質(zhì)量也十分重要，它是保證半球質(zhì)量的前提，因此要嚴格按照標準加強對鋼板的進貨檢驗，既要檢驗鋼板的力學性能、工藝性能和化學成分，也要檢驗鋼板的外觀質(zhì)量。2．圓板坯料直徑取D=1.414d+t1/2是可行的，熱壓后半球幾何尺寸基本符合要求，本次試驗半球端部需切割的加工余量約25mm。3．半球熱壓過程相當于對鋼板進行正火處理，除其化學成分不會變化外，從試驗結(jié)果來看，半球材質(zhì)力學性能基本穩(wěn)定波動不大，強度略有升高，沖擊韌性平均值有所提升，這是符合熱處理規(guī)律的。4．為了保證熱壓質(zhì)量，必須控制開始壓制溫度和結(jié)束壓制溫度，開始的壓制溫度決定于加熱溫度，其高低由材料的成分和板厚決定，對厚度15mm至50mm的低碳鋼板為（1000-1050）℃；對較薄或較厚的低碳鋼板為1100℃左右；對低合金鋼板為（900-1000）℃。加熱溫度過高容易將材料燒壞，溫度過低不能起到加熱作用。一般低碳鋼、碳鋼和低合金鋼加熱至（250-300）℃時，將使強度極限和屈服點升高，而塑性顯著下降，這種現(xiàn)象稱為藍脆，所以應避免在藍脆溫度下壓制。碳鋼（低碳鋼）結(jié)束壓制的溫度一般不低于750℃，低合金鋼一般不低于800℃，溫度過低會使鋼板發(fā)生冷作硬化，出現(xiàn)裂紋。本次試驗我們均用紅外線測溫儀測試和控制溫度。5．熱壓成型后半球壁厚較原材料板厚呈下降趨勢，其中半球端部壁厚不但沒有減薄反而略有增加，端部附近壁厚減薄不明顯。在緯度30°以后，壁厚明顯減薄，減薄率隨緯度的增加成“正比”的增加，超過緯