广州某电视塔φ×半圆钢球加工制作技术

PAGE广州**电视塔Φ1000×50半圆钢球试验研究通过新塔Φ1000×50半圆钢球的试验研究，掌握半球热压加工前后性能变化和壁厚减薄的规律，为今后制作大型钢结构用球提供技术支撑。前言伴随着国内钢结构行业的腾飞，沪宁钢机近几年得到长足发展，我们先后承建北京2008奥运工程“鸟巢”和上海2010世博工程“世博中心”等标志性工程，与此同时又承建了广州**电视塔（简称新塔）等一大批经典建筑。一切源自于诚信与品质的钢结构精品比翼齐飞，共同铸造了沪宁钢机的辉煌。新塔高610m，由一座高达454m的主塔体和一个高156m的天线桅杆组成，建成后成为世界上最高的钢塔结构之一。结构设计新颖独特，造型优美线条流畅。它是汇集实用性、观赏性和时代性于一身的高科技含量的建筑，高耸入云昂立在广州市新中轴线上。广州**电视塔凝聚众多设计者和建设者的聪明才智，钢结构加工制作难度实属罕见。其中Φ1000×50的大型半圆钢球的试验研究,就是新塔钢结构工程千千万万构件加工制作的一个重要环节。二、半圆钢球热压加工（一）半球放样下料新塔半球使用的钢材是湘潭钢铁公司生产的Q390GJC-Z15厚度为50mm的钢板，正火状态交货，经进货检验其技术指标符合GB/T19879-2005《建筑结构用钢板》要求，详见表1和表2。如果忽略半球毛坯板厚t1在热压加工过程中的变化，根据面积不变的原理，下料板坯直径D计算公式为D=d=1.414d,其中d为中和轴直径（d=1000-50=950）。实际放样下料考虑到半球端口，由于模具间隙不均、板厚变化及定位不准等因素影响，使热压后半球端面不齐，必须进行修边，所以最后放样下料的板坯直径由1343.3mm增大到1368mm，见图1。表1Q390GJC-Z15钢板性能力学性能ReH(MPaa)Rm(MPa))A(%)冲击吸收功0℃,Akv,J180°弯曲试试验D弯心直径a试样厚度厚度方向性能结论标准值380～5000490～6100≥22≥34D=3a无裂纹纹Z15合格实测值40054533.5180.1977.2011无裂纹Z=51%表2Q390GJC-Z15钢板化学成分（%）化学元素CMnSiPSVNbTiAlsCrCuNi结论标准值≤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合格实测值0.161.570.340.0080.0010.0510.0220.0100.0240.0350.0280.025（放样后圆板坯料）（热压后半球）图1放样下料示意图一般半球放样下料计算公式可取D=1.414d+t1/2，这里需要指出的是，只有在中和轴直径大于板厚（壁厚）5倍以上时，半球中和轴的位置才与壁厚t2的一半重合，否则中和轴直径将小于球内径与板厚之和。（二）热压加工成型按GB50205《钢结构工程施工质量与验收规范》规定，钢板压成半球后，表面不应有裂纹和褶皱等缺陷。为保证热压加工后半球质量，在压制前必须检查圆板料有无麻点、裂纹和毛刺等表面缺陷，上下模应固定安装好，使其中心线在同一垂直线上，做到间隙均匀一致，同时将模具内氧化皮等杂质清理干净。上下模具见图2，其中下模端口的圆弧R取二倍的板厚。热压热弯是将钢材加热至（900-1100）℃，在模具上进行压制弯曲加工，它适用于厚板及较复杂形状构件的制作。处在高温下的钢材塑性好，成型性能好，施压的压力也小。热压半球时我们首先将Φ1368×50的圆板料置于加热炉内，在炉内温度为1000℃的加热炉中保温20分钟，出炉后随即吊运至800t油压机的下模上压制成半球（见图2），始压温度950℃，终压温度790℃，然后半球脱模放平后空冷。众所周知正火是将钢件加热到一定温度一般为AC3以上（30-50）℃，保温一定时间，然后在静止空气中冷却，得到珠光体组织的热处理工艺。半球热压成型的过程，相当于对圆板料又进行一次正火处理，从而进一步细化晶粒均匀组织性能更优。但由于周围环境和空冷条件的差异，热压加工后的半球性能往往较原材料力学性能有所波动，但影响不会太大。热压成型后将半球脱离上模，曾经是困扰我们的难题。往往由于脱模不及时，因热胀冷缩效应，使半球紧紧裹住上模压头，加上半球与上模的摩擦力，使其难以下脱，且下脱时间越长难度越大。针对上述情况，我们曾经采用（3-4）只50t油泵支牢固定上模工作台，下口顶牢半球边势的方法，并采用几把火工龙头烘烤半球，使其热胀，从而达到脱模的目的。经过多次摸索总结经验教训，现在我们采取在灼热的圆板坯料压至下模底完成半球成型后，迅速在半球与下模端口间插入“叉弧钳”，800t油压机乘热立即提升上模压头。这时由于叉弧钳阻挡半球跟着上模提升，从而实现半球顺利脱离，起到了事半功倍的效果。（三）半球成型后的加工制作半球热压成型后，因压制伸长变形，再加上下料时预留的余量，半球端口多余部分必须切割掉。我们采用专用自动回转平台切割完成（见图3），然后再在半球壳体内部焊制加强筋，半球产品就顺利诞生了。图2在模具中热压半球图3自动回转平台切割半球端面三、半球解剖试验（一）半球实物取样根据GB/T2975《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》规定，应在外观及尺寸合格的半球钢产品上取样，试料应有足够的尺寸以保证机加工出足够的试样进行规定的试验和复试。鉴于在产品不同位置取样时力学性能的差异，按照标准要求，考虑到半球不同部位厚度和材质的不均匀性，我们分别切取有代表性的四块试料，见图4。我们解剖试验研究的半球是新塔第45节劲性柱顶半球（热压加工），弧状试件4取自半球端部，尺寸为180×60×t2。试件1、2、3尺寸为180（弧长）×100×t2。试验项目为圆拉伸试验、冲击试验、布氏硬度试验和化学光谱分析。图4中试件A、B点为壁厚减薄的测量位置。（二）试样制备为了保证试样理化性能测试数据的可比性和代表性，我们制备理化试样均按相关国家标准规定进行，见表3。表3试样规格试样名称规格（mm）标准圆拉伸试样Φ10短比例试样GB/T2288冲击试样10×10×555，V型GB/T2299硬度试样（兼作光谱分析析试样）20×35×555GB/T2311及GB/TT200666、GB/TT43366这里需要对硬度试样的制备及硬度试验方法的选择作一些说明，硬度是金属材料力学性能试验中最常用的一个性能指标，它是指金属表面抵抗另一更硬物体压入的能力。硬度测试方法不同，硬度值不一样。由于硬度与强度存在一定的对应关系，因此在本试验研究中，可以将半球解剖后制备成试样，在试验室内测试，也可以采用里氏硬度等试验方法在工程现场测试实物硬度，从而估算新塔半球的抗拉强度值。鉴于影响硬度测试结果的因素较多，同一试样取样位置不同，试样厚薄、大小、重量和表面状态，都会影响试验结果。在新塔半球热压成型后，钢材表面容易氧化，改变热压件的表面粗糙度。同时高温下表面往往有脱碳现象，外表氧化层脱落，内表氧化皮压入等情况，都会造成硬度值偏低。对半球壳体当采用动力试验法测试实物硬度时，由于硬度冲击装置与地面的夹角不一样，还要对测试结果修正。因此无论在试验室内或工程现场，无论是制备的试样还是实物进行硬度试验，都必须满足标准规定的试验条件，否则测试的硬度值偏低或不准，造成对实物性能的误判。（三）试验结果1.半球壁厚圆板料经热压加工后，整体发生变形。我们对半球制取的试件，分别测量壁厚。用游标卡尺测量试件壁厚的结果见表4，超声波测厚仪测量半球实体壁厚的结果见表5，超声波测厚仪现场测量壁厚见图5，半球壁厚变化情况见图6，半球壁厚减薄率随纬度变化曲线见图7。表4和表5的同一纬度位置壁厚基本一致，但有差异，引起误差的因素是由于采取不同的测量工具。图4半球取样位置图5超声波测厚仪测量壁厚图6半球壁厚变化图7半球壁厚减薄率随随纬度变化曲线表4新塔第45节劲性柱顶半球减薄率（游标卡尺测量）试件号原试件板料厚度度t1(mm)热压后试件厚度t2(mm)减薄率（t1--t2)/tt1×100%A处B处A处B处试件150.551.0(纬度0°)50.0(约纬度20°))-0.99%0.99%试件250.549.0(约纬度40°))48.0(约纬度60°))2.97%4.95%试件350.548.0(约纬度60°))47.3(约纬度80°))4.95%6.34%试件450.551.0(端面纬度0°))50.5（内面约纬度77°）-0.99%(端面纬度0°))0%（内面约纬度77°）表5新塔第45节劲性柱顶半球减薄率（超声波测厚仪测量）测试位置原板料厚度t11(mmm)本体厚度t2(mm))减薄率(t1--t2)/tt1×1000%纬度0°50.551.0-0.99%（t2约等于1.011t1）纬度10°50.550.40.20%（tt2约等于1.000t1）纬度20°50.550.10.79%（tt2约等于0.999t1）纬度30°50.549.91.19%（tt2约等于0.999t1）纬度40°50.549.12.77%（tt2约等于0.977t1）纬度50°50.548.83.37%（tt2约等于0.955t1）纬度60°50.548.04.95%（tt2约等于0.933t1）纬度70°50.547.16.73%（tt2约等于0.944t1）纬度80°50.547.36.34%（tt2约等于0.944t1）纬度90°50.547.36.34%（tt2约等于0.944t1）2.半球材质理化性能热压半球空冷后截取的4块试件，分别加工制备成圆拉伸试样、冲击试样和布氏硬度试样（兼做光谱分析）。经万能材料试验机、半自动冲击试验机、布氏硬度计和直读光谱仪检测，测试结果分别见表6和表7，里氏硬度计现场半球实物里氏硬度测试结果见表8。这里需要说明的是原材料的化学成分分析值和热压半球后材质化学成分分析值的差异，除因材料本身化学成分偏析因素外，其测试误差在GB/T222-2006《钢的成品化学成分允许偏差》允许范围内。实物里氏硬度值经过两次换算后得到的抗拉强度值，比试样实测的抗拉强度值稍低，除因为采用不同的试验方法外，主要是由于热压后半球表面氧化皮和脱碳等因素影响。因此在现场测试硬度时，实物表面氧化皮和脱碳层一定要清除干净。我们对试件在清除（0.2-1）mm表面层后测试维氏硬度值，换算得到的强度值就更加接近圆拉伸试样测试的抗拉强度值。表6热压半球后材质力学性能试样编号ReH(MPaa)Rm(MPa))A(%)冲击吸收功0℃,Akv,J布氏硬度HB结论试样1400580281981744188815615771577符合GB/T198879试样2390565322482522248816016001600符合GB/T198879试样341057534.52622500238815916001600符合GB/T198879试样4435585312042588179917516771666符合GB/T198879表7热压半球后材质化学成分（%）化学元素CSiMnSPNiCrVAlsTiNbCu结论试样10.160.351.580.0010.0070.0230.0360.0480.0230.0100.0220.029符合GB/T198879试样20.140.351.580.0010.0080.0210.0350.0520.0240.0090.0220.028符合GB/T198879试样30.150.341.570.0010.0080.0280.0350.0520.0240.0090.0220.028符合GB/T198879试样40.150.361.580.0010.0090.0220.0350.0520.0240.0090.0230.029符合GB/T198879表8热压半球后实物里氏硬度值里氏硬度值HLLD430421428432425427.2(平均值)换算成HB165158163166161162.6(平均值)相当于Rm（MMPa）529551570582563569(平均值)四、设计完善由于半球热压成型，实际最大减薄量为3.4mm，原预估减薄量为4mm左右。在设计时已考虑这些因素，将此部分材质由Q345GJC-Z15改为Q390GJC-Z15，提高了一个强度等级。国内建造船舶钢结构，在遇到缺材代材等问题时，曾采用择优选材的方法解决这个问题，即材料牌号不一定选用强度等级高一个级别的牌号，而是在原牌号的材料中挑选替代品，Q345改为Q390屈服强度提高了13%，而抗拉强度相差不大，前者（490-610）MPa，后者（490-650）MPa，因此我们可以在工厂库存的Q345GJC-Z15中逐张钢板筛选，从中选取实测强度较高的钢板，作为半球用材，实现择优选材。既解决了工厂缺材问题，也产生较好的经济效益。这里特别强调一点，我们在择优选材过程中，必须得到验船师或监理现场见证。在半球结构设计过程中，设计部门充分考虑到因半球壁厚减薄，带来承载力下降和局部需要加强的问题，为保证局部的强度和稳定性，在半球壳体内增设纵向和横向加筋板，且加筋板的形式，由起初的“工”字型修改为“Ⅱ”字型，最终定为“井”字型（见图8），并要求加筋板磨平顶紧，从而达到局部加强的效果，提高了半球承载力，实现“球顶千斤”。图8半球加强筋五、试验分析与启迪1．半球钢板用料不仅要保证材质性能，而且表面质量也十分重要，它是保证半球质量的前提，因此要严格按照标准加强对钢板的进货检验，既要检验钢板的力学性能、工艺性能和化学成分，也要检验钢板的外观质量。2．圆板坯料直径取D=1.414d+t1/2是可行的，热压后半球几何尺寸基本符合要求，本次试验半球端部需切割的加工余量约25mm。3．半球热压过程相当于对钢板进行正火处理，除其化学成分不会变化外，从试验结果来看，半球材质力学性能基本稳定波动不大，强度略有升高，冲击韧性平均值有所提升，这是符合热处理规律的。4．为了保证热压质量，必须控制开始压制温度和结束压制温度，开始的压制温度决定于加热温度，其高低由材料的成分和板厚决定，对厚度15mm至50mm的低碳钢板为（1000-1050）℃；对较薄或较厚的低碳钢板为1100℃左右；对低合金钢板为（900-1000）℃。加热温度过高容易将材料烧坏，温度过低不能起到加热作用。一般低碳钢、碳钢和低合金钢加热至（250-300）℃时，将使强度极限和屈服点升高，而塑性显著下降，这种现象称为蓝脆，所以应避免在蓝脆温度下压制。碳钢（低碳钢）结束压制的温度一般不低于750℃，低合金钢一般不低于800℃，温度过低会使钢板发生冷作硬化，出现裂纹。本次试验我们均用红外线测温仪测试和控制温度。5．热压成型后半球壁厚较原材料板厚呈下降趋势，其中半球端部壁厚不但没有减薄反而略有增加，端部附近壁厚减薄不明显。在纬度30°以后，壁厚明显减薄，减薄率随纬度的增加成“正比”的增加，超过纬