王玉福 許惠良 鄭敬黨

遼寧建設(shè)安裝集團(tuán)有限公司，沈陽 110027

石油儲罐罐底施工焊接工藝探討

王玉福1許惠良2鄭敬黨3

遼寧建設(shè)安裝集團(tuán)有限公司，沈陽 110027

罐底板是整個(gè)儲罐的關(guān)鍵部位，防止和減少罐底板變形關(guān)系到整個(gè)儲罐制作安裝的成敗，罐底板的焊接變形會降低儲罐的承載能力及穩(wěn)定性，甚至使罐底底板報(bào)廢。因此將以下的控制措施引入到工程實(shí)際，很好的解決了罐底板的焊接變形。

油罐施工；焊接變形；罐底施工

引言

隨著石油化工及石油儲運(yùn)工程的不斷發(fā)展，大型油罐得到越來越廣泛的應(yīng)用。罐底的焊接變形是影響油罐制造質(zhì)量的一項(xiàng)重要因素，過量的焊接其變形部位會在罐內(nèi)油位上升和下降的過程中不斷地彎折罐底板焊縫及熱影響區(qū)，極易造成這些部位的疲勞斷裂從而引發(fā)事故，故而GB 50128—2005要求：罐底焊接后，其局部凸凹變形的深度，不應(yīng)大于變形長度的2%，且不應(yīng)大于50 mm。在某工程的10000m3油罐施工中，工程技術(shù)人員采取了一系列合理的技術(shù)措施，有效控制了罐底板的焊接變形。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

10000m!立式圓筒形拱頂鋼制焊接儲罐，罐體直徑30m，罐壁總高14.2m。

罐底邊緣板材質(zhì)為12MnNiVR，厚16 mm； 中幅板材質(zhì)Q235B，厚10mm。各層壁板厚度8mm至20mm，頂板厚度為6mm，罐體總重量250t。工程任務(wù)：罐體各層壁板及罐頂?shù)陌惭b，采用氣壓頂升倒裝工藝進(jìn)行施工。焊接工藝采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊打底，手工電弧焊蓋面。

1.2 施工準(zhǔn)備

1.2.1 工程用料和措施用料

(1) 工程主要用料有：罐底中幅板δ=10mm，36t；邊板δ=16mm，14t；罐壁板δ=8～20mm，160t；罐頂板δ=6mm，40t。

(2) 措施用料主要為：頂板與壁板胎具用料、脹圈用料、支撐管和弧形卡具等用料。即鋼板、管材和道木等材料。

1.2.2 主要機(jī)具主要施工機(jī)具為：汽車起重機(jī)、3萬立方米/小時(shí)離心風(fēng)機(jī)、平衡裝置、電焊機(jī)、真空泵、氣焊機(jī)具等。

1.2.3 現(xiàn)場作業(yè)準(zhǔn)備及條件

(1) 儲罐基礎(chǔ)的標(biāo)高、坡度、直徑進(jìn)行復(fù)測驗(yàn)收，并辦理中間交接的驗(yàn)收工作。

(2) 對儲罐半成品和型鋼構(gòu)件進(jìn)行幾何尺寸復(fù)測，核查材料的質(zhì)量證明書，并同時(shí)辦理中間交接的驗(yàn)收工作。

(3)施工現(xiàn)場的吊車道路暢通，各種胎具和措施。

1.3 罐底板的鋪設(shè)和組對

儲罐底板是由多塊條型中幅板和多塊弓型邊緣板拼接而成，是整個(gè)儲罐受力最大的部位。其焊接特點(diǎn)為：直徑大、板薄、鋼板厚度與儲罐底的寬度之比很小，剛度差，焊縫數(shù)量多，焊接應(yīng)力大，易產(chǎn)生焊接變形且變形量大，控制難度大。因此分析焊接變形的機(jī)理及各種影響因素，掌握其變化規(guī)律，采取有效的減少變形措施，控制罐底的焊接變形，確保儲罐罐底的制作質(zhì)量，是整個(gè)儲罐制作的重要環(huán)節(jié)。

底板的邊緣板之間、中幅板之間以及邊緣板與中幅板之間均采用了帶坡口的對接焊結(jié)構(gòu)，對接坡口采用了55°～60°的坡口，有效減少了焊接過程中的熱輸入。邊緣板組對采用了不等距的楔形間隙，從邊緣到中心間隙為6～11 mm，以避免邊緣板與壁板大角焊縫焊接收縮對邊緣板對接短焊縫產(chǎn)生擠壓及變形。中幅板采用了中心對稱向兩邊鋪設(shè)的辦法，為將來采用對稱焊接提供了保證，最后與邊緣板連接的龜甲板下料時(shí)應(yīng)搭在邊緣板面上30～50 mm作為預(yù)留收縮量，在所有中幅板焊接完畢后再加工龜甲板與邊緣板連接處對接坡口。中幅板對接焊縫底部鋪設(shè)有墊板，相鄰兩塊墊板的對接焊縫下面還設(shè)有二次墊板。在組對過程中，墊板與中幅板之間用電焊進(jìn)行固定，要注意的是，墊板只能與一側(cè)的中幅板進(jìn)行點(diǎn)焊，而使另一側(cè)的中幅板保持自由。

1.4 制定合理的排版設(shè)計(jì)方案

(1)罐底板的排版直徑按其設(shè)計(jì)圖紙直徑放大0.15～0.2%，以補(bǔ)償焊縫的縱向和橫向焊接變形收縮量。

(2)盡量選擇大規(guī)格鋼板。由于焊縫的縱向收縮量與焊縫長度成正比，采用大規(guī)格鋼板后，罐底板的焊縫長度大量減少，縱向收縮變形也相應(yīng)地減少，同時(shí)減少焊接工作量，降低材料消耗，節(jié)約人力和物力，縮短工期，提高效益。

(3)采用帶墊板的對接焊縫或者Z形搭接焊縫，相當(dāng)于鋼板在焊接位置增加了加強(qiáng)筋，增強(qiáng)了底板的結(jié)構(gòu)剛度，抵抗失穩(wěn)變形的能力得到加強(qiáng)，使橫向收縮變形與角變形變小，同時(shí)避免因?yàn)樘岣邉偠榷黾庸薜装逭w厚度而造成施工成本的浪費(fèi)。

(4)罐底板排版時(shí)，長焊縫應(yīng)沿著罐底中心線排列對稱，弓形邊緣板以罐底的圓心為中心對稱布置，這可以相互抵消大部分焊接變形，也為防止變形工藝措施的有效控制創(chuàng)造有利條件。

1.5 罐底板的焊接

1.5.1 罐底板焊接變形形成的機(jī)理

（1）焊接局部的、不均勻加熱和構(gòu)件的剛性約束

焊接過程是對焊件進(jìn)行局部、不均勻的加熱過程，焊接時(shí)，高溫區(qū)域（焊縫及焊縫的焊接側(cè)）受熱膨脹，受周邊低溫區(qū)域的剛性阻礙而不能自由伸長，產(chǎn)生熱塑性變形，冷卻時(shí)，高溫區(qū)域因熱塑性變形而產(chǎn)生收縮量大，低溫區(qū)域產(chǎn)生收縮量小，這種不平衡的內(nèi)部收縮導(dǎo)致底板產(chǎn)生凝縮應(yīng)力和凝縮變形。

（2）金相組織的轉(zhuǎn)變

焊接時(shí)，高溫區(qū)域的組織由珠光體變成奧氏體，冷卻后，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌象w，如珠光體加索氏體、索氏體加屈氏體等，甚至轉(zhuǎn)變馬氏體，且焊接的加熱與冷卻速度都較快，焊后組織極不均勻，因此，焊縫及熱影響區(qū)的硬度和脆性隨之增大，延伸率和斷面收縮率也隨之加大，底板產(chǎn)生組織應(yīng)力和組織變形。

凝縮變形和組織變形的共同作用，使底板產(chǎn)生縱向收縮變形和橫向收縮變形，通過這兩種變形引起底板的各種變形，如收縮變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形、波浪變形等，而罐底的焊接變形主要是收縮變形、角變形、波浪變形。

1.5.2 邊緣板組對完畢后，先焊接外側(cè)300 mm 部分，該部分焊縫與墊板點(diǎn)焊定位后，在下部用墊鐵墊起30～35 mm 高做反變形，在這段焊縫焊接完成后，進(jìn)行射線無損檢測，合格后撤去墊鐵； 其余部分的對接焊縫作為收縮縫，待邊緣板與第一圈罐壁板大角焊縫焊接完畢后再焊接此作為收縮縫的焊縫，邊緣板的焊接還應(yīng)采用多名焊工均勻分布的對稱焊接法。在中幅板焊接過程中，為防止焊接變形，通常的做法是在通長焊縫及單張板長焊縫一側(cè)使用安裝龍門板加背杠進(jìn)行加固。這種做法雖然能在一定程度上控制變形，但是也會同時(shí)在焊縫部位形成較大的殘余應(yīng)力，會對儲罐的安全使用產(chǎn)生一定影響。在撤掉背杠后，部分變形還會釋放出來，還需要采取措施進(jìn)一步進(jìn)行處理。本工程在中幅板焊接過程中，沒有采用背杠來強(qiáng)行控制變形，而使通過合理的焊接順序和焊接工藝使變形得以良好控制。

中幅板的焊接原則應(yīng)按照先短縫，再中長縫，最后通長縫的焊接順序，焊接方向應(yīng)從中心向邊緣施焊，中幅板的焊接也應(yīng)采用多名焊工均勻分布的對稱焊接法。在短縫和中長縫焊接時(shí)，應(yīng)跨通長縫在丁字接頭兩側(cè)點(diǎn)焊固定塊，并且靠近通長縫的150mm短縫和中長縫先不焊，以免對通長縫的組對間隙產(chǎn)生影響，這段焊縫在通長縫底層焊道完成后再進(jìn)行焊接。

在短縫和中長縫焊接完成后，盡管看不出明顯的收縮變形，但由于約束作用已經(jīng)在罐底板中產(chǎn)生了較大殘余應(yīng)力。在通長縫焊接前從中心開始先將6～8 m 范圍內(nèi)的固定塊打掉，這時(shí)殘余應(yīng)力得以釋放，產(chǎn)生的小變形可以用楔鐵壓下去，這時(shí)就可以焊接通長縫了。此后按照同樣的辦法從中心向外每次按6～8 m分段將整個(gè)中長縫焊完。通長縫初層焊接完成后，才能進(jìn)行短縫和中長縫丁字口剩余150mm 焊縫焊接。

1.5.3 邊緣板與底圈罐壁板大角焊縫的焊接

邊緣板與底圈罐壁板大角焊縫的焊接一般在底圈壁板與第二圈壁板焊接完成后進(jìn)行。大角縫焊接時(shí)應(yīng)在第一圈壁板和邊緣板間設(shè)置斜撐，斜撐一般由角鋼制成，必須在罐底板全部焊接完成后方可拆除，其作用主要是：

(1) 控制第一圈壁板的橢圓度；

(2) 防止焊接大角縫時(shí)邊緣板產(chǎn)生焊接變形。

斜撐間的距離為1.8～2.0m，上一點(diǎn)在第一圈壁板上，離環(huán)縫500mm 處，下一點(diǎn)在距離龜甲縫400 mm 處為最佳。大角縫焊接全部完成后，才能進(jìn)行邊緣板剩余部分的對接焊縫的焊接，待此焊縫全部焊接完畢后，才能組對并焊接龜甲縫。一定按照此焊接順序進(jìn)行，否則如果邊緣板剩余部分的焊縫和龜甲縫同時(shí)進(jìn)行焊接，就會產(chǎn)生嚴(yán)重變形。

2 結(jié)語

油罐罐底焊接變形的有效控制措施，成功的應(yīng)用到罐底板的焊接過程，從而保證罐底板的焊接質(zhì)量，提高了制作安裝速度，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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[2]孔祥章. 防止大型油罐底板焊接的變形[J]. 化工設(shè)備與管道，2001，38( 5) ，39-40.

[3]汪輝，王洪剛，徐鵬程. 儲罐用07MnNiVR鋼焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)[J].石油化工設(shè)備，2007， 36( 1) ，8-12.

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.096

王玉福，男,出生日期：1962年5月15日，工作單位： 遼寧建設(shè)安裝集團(tuán)有限公司 ，學(xué)歷：本科，職稱： 工程師，研究方向： 機(jī)械設(shè)備安裝；

許惠良，男，出生日期： 1959年11月20日，工作單位：遼寧建設(shè)安裝集團(tuán)有限公司，學(xué)歷：本科，職稱：工程師，研究方向： 機(jī)械設(shè)備安裝；

鄭敬黨，女，出生日期：1963年1月18日，工作單位：遼寧建設(shè)安裝集團(tuán)有限公司，學(xué)歷：本科，職稱：工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)備制造與安裝。