鄭 凱

（甘肅一安建設(shè)科技集團(tuán)有限公司， 甘肅 蘭州 730000）

引言

大型儲(chǔ)罐被廣泛應(yīng)用于石油化工等領(lǐng)域的液態(tài)原料及成品儲(chǔ)存環(huán)節(jié)之中，尤其是在石油行業(yè)內(nèi)，受我國(guó)石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫(kù)發(fā)展以及國(guó)際油價(jià)變動(dòng)形勢(shì)影響，儲(chǔ)罐開始逐步進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段。作為石油化工領(lǐng)域儲(chǔ)運(yùn)調(diào)度的重要載體，行業(yè)對(duì)大型立式圓筒形儲(chǔ)罐質(zhì)量提出了更高的要求。強(qiáng)化焊接變形控制以實(shí)現(xiàn)提升儲(chǔ)罐安裝水平成為當(dāng)前行業(yè)技術(shù)人員研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

1 大型儲(chǔ)罐焊接變形種類以及影響因素

1.1 變形種類

施工人員在實(shí)際進(jìn)行焊接作業(yè)過(guò)程中，儲(chǔ)罐部件在焊接作用下會(huì)在不同方向產(chǎn)生不同幅度的收縮變形情況，在水平方向產(chǎn)生的收縮邊變形為橫向變形，垂直方向產(chǎn)生的收縮變形為縱向變形，在兩種收縮變形情況下引發(fā)的部件平面角度變化即為角變形。在縱向以及橫向方向收縮變形量較大的情況下，部件平面變形幅度也會(huì)隨之大幅增長(zhǎng)，此情況被稱之為彎曲變形[1]。薄板焊接作業(yè)過(guò)程中，在應(yīng)力受力不均的情況影響下會(huì)導(dǎo)致薄板出現(xiàn)翹曲情況，進(jìn)而導(dǎo)致其外形尺寸與實(shí)際安裝要求不符，此情況被稱之為波浪變形。

1.2 影響因素概述

從技術(shù)應(yīng)用實(shí)際角度分析，導(dǎo)致焊接變形的主要因素主要包括以下幾種。

第一，焊縫面積因素。技術(shù)人員將熔合線范圍內(nèi)金屬面積定義為焊縫截面積，從工藝實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)層面分析，焊接變形量會(huì)隨著焊縫截面積增加而增加。在實(shí)際開展焊接工序過(guò)程中，焊縫截面積對(duì)縱向、橫向以及角變形的影響同等。因此，在板材厚度恒定的情況下，儲(chǔ)罐焊縫形變程度會(huì)隨著焊縫截面積坡口提升而提升[2]。

第二，焊接方式因素。通過(guò)工藝實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)可知，在工作環(huán)境不發(fā)生變化的情況下，焊接產(chǎn)生的收縮值會(huì)隨著不同焊接方式熱輸入變化而變化[3]?，F(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛地集中焊接工藝中，埋弧自動(dòng)焊熱輸入量最大，其導(dǎo)致的收縮變形量也最大；而二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊熱輸入量最小，造成的收縮變形也最小。

第三，接頭形式因素?，F(xiàn)階段，應(yīng)用頻率最高的焊接方式有堆焊、對(duì)焊和角焊。在工作時(shí)候保證熱輸入、焊接方法和焊縫橫截面不變的基礎(chǔ)上，不同的焊接接頭形式也對(duì)橫向、縱向和角變形造成焊接變形的影響不同。

2 案例概述

為詳細(xì)分析立式儲(chǔ)罐焊接變形控制要點(diǎn)，本文選取實(shí)際案例進(jìn)行具體說(shuō)明。案例工程為中石油在某地開展的1×104m3儲(chǔ)罐安裝工程。該儲(chǔ)罐規(guī)格設(shè)計(jì)為內(nèi)徑14 000 mm，設(shè)置9 圈壁板，具體參數(shù)如表1 所示；底部設(shè)置厚度規(guī)格為7 mm 的中幅板26 張；邊緣板厚度規(guī)格為10 mm，共設(shè)置20 張；頂板厚度規(guī)格設(shè)計(jì)為6 mm，瓜皮板共設(shè)置30 張。施工技術(shù)人員在總結(jié)大量工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合施工實(shí)際進(jìn)行綜合考量后，針對(duì)儲(chǔ)罐底板以及壁板設(shè)計(jì)相應(yīng)的變形控制措施。

表1 儲(chǔ)罐壁板設(shè)計(jì)參數(shù)

3 立式儲(chǔ)罐焊接變形控制

3.1 排板設(shè)計(jì)

從實(shí)際應(yīng)用角度分析，儲(chǔ)罐底板部分是儲(chǔ)罐受力最大部位，通過(guò)進(jìn)行合理排板設(shè)計(jì)可以有效實(shí)現(xiàn)控制罐底焊接變形幅度的目的，進(jìn)而提升罐底焊接質(zhì)量。

案例工程在實(shí)際進(jìn)行此工序作業(yè)過(guò)程中，技術(shù)人員首先依照設(shè)計(jì)圖尺寸將底板直徑放大約0.15%～0.2%，以滿足焊縫縱向以及橫向焊接變形收縮量要求。隨后技術(shù)人員考慮縱向焊縫收縮量會(huì)隨著焊縫長(zhǎng)度變化而變化，因此，技術(shù)人員在選材過(guò)程中盡可能地選擇大規(guī)格鋼板，通過(guò)降低罐底板焊縫長(zhǎng)度的方式實(shí)現(xiàn)控制縱向收縮量目的。技術(shù)人員在針對(duì)中幅板設(shè)計(jì)過(guò)程中決定將其長(zhǎng)焊縫沿罐底中心線進(jìn)行對(duì)稱排列，邊緣板則圍繞罐底圓心進(jìn)行中心對(duì)稱排列。通過(guò)上述不僅實(shí)現(xiàn)相互抵消大部分焊接變形的目的，為控制焊接變形奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.2 罐底板焊接變形控制要點(diǎn)

案例工程在實(shí)際進(jìn)行中幅板焊接作業(yè)過(guò)程中，技術(shù)人員制定了先短焊縫、后長(zhǎng)焊縫、預(yù)留收縮縫、大角縫焊接完成后進(jìn)行收縮縫焊接作業(yè)的方案，依據(jù)實(shí)際情況選擇分段退焊法或是分段跳焊法進(jìn)行均勻焊接，具體工藝如圖1 所示。在實(shí)際進(jìn)行焊接作業(yè)過(guò)程中依照自內(nèi)向外、由中心向四周擴(kuò)散的順序進(jìn)行對(duì)稱同步焊接作業(yè)，降低焊接部分及未焊接部分的溫差，規(guī)避因母材溫度不均問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)消除應(yīng)力，控制變形的目的。

施工人員在實(shí)際進(jìn)行中幅板進(jìn)行焊接作業(yè)過(guò)程中，采用分段跳焊工藝對(duì)對(duì)接焊縫初層焊道進(jìn)行作業(yè)，面層部分則采用分段退焊工藝進(jìn)行施工。焊接作業(yè)開展過(guò)程中，施工人員將層間接頭進(jìn)行錯(cuò)開處理，并使其控制在500 mm 以上。T 型焊縫作業(yè)過(guò)程中施工人員預(yù)留200 mm 左右的收縮縫，自縱向長(zhǎng)縫施工焊接完成后在進(jìn)行作業(yè)。

技術(shù)人員在實(shí)際工作中對(duì)焊接經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，得出焊縫收縮變形會(huì)隨著焊縫截面積、輸入線能量等因素增加而增加。同時(shí)底層焊縫會(huì)對(duì)面層焊接變形程度造成影響，變形收縮小，采用多層焊，具有線能量小、應(yīng)力和變形比單層焊小等特點(diǎn)。

短焊縫焊接作業(yè)過(guò)程中，施工人員首先對(duì)組對(duì)板材周圍固焊點(diǎn)進(jìn)行清除處理，為焊縫提供自由的作業(yè)環(huán)境，最大限度滴降低焊接應(yīng)力以及波浪變形；在進(jìn)行長(zhǎng)焊縫作業(yè)過(guò)程中，施工人員利用間斷焊工藝，依照由內(nèi)向外的順序開展焊接作業(yè)，并對(duì)焊縫兩側(cè)進(jìn)心剛性固定，焊縫冷卻完成后將固定去除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)羌胡焊縫剛度，控制橫向變形以及角變形。但是應(yīng)認(rèn)識(shí)到的一點(diǎn)是，該方式會(huì)導(dǎo)致焊接應(yīng)力提升。

案例工程中，施工人員在針對(duì)邊緣板進(jìn)行焊接作業(yè)過(guò)程中，依照由內(nèi)向外順序，從靠近外緣300 mm距離的徑向焊縫作為焊接作業(yè)起始點(diǎn)，并在大角焊縫焊接完成后，在依照自外向內(nèi)的順序?qū)κＳ嗖糠诌M(jìn)行焊接。通過(guò)這種方式預(yù)留一定空間承擔(dān)大角縫以及邊緣板外側(cè)焊縫變形情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制內(nèi)側(cè)板變形情況。

施工人員在實(shí)際進(jìn)行邊緣板對(duì)接焊縫焊接作業(yè)過(guò)程中利用如圖2 所示的反變形法補(bǔ)償焊縫角向收縮，確保焊接完成后邊緣平整，為邊緣板以及壁板安裝提供便利條件。

從焊接作業(yè)實(shí)際情況分析，儲(chǔ)罐整體中，大角焊縫是其受力最不利區(qū)域，因此，相關(guān)部分也是儲(chǔ)罐最薄弱的部分。在實(shí)際進(jìn)行大角焊縫焊接作業(yè)過(guò)程中，其收縮變形量相對(duì)較大，因此，技術(shù)人員設(shè)計(jì)方案，依照?qǐng)A周對(duì)焊接作業(yè)區(qū)域進(jìn)行劃分，平均分為多個(gè)部分，并針對(duì)每區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行均分，組織多名焊工依照區(qū)域劃分情況進(jìn)行同步焊接作業(yè)，實(shí)際進(jìn)行焊接過(guò)程中應(yīng)注意采用分段跳焊工藝進(jìn)行，首先對(duì)內(nèi)側(cè)以及外側(cè)角焊縫進(jìn)行打底焊，隨后在針對(duì)填充部分以及面層進(jìn)行焊接作業(yè)，最大限度地保證邊緣板外側(cè)翹起角度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

在罐體內(nèi)部區(qū)域，技術(shù)人員沿圓周依照1～2 m 間距對(duì)其進(jìn)行45 等分，并將89 mm 鋼管依照夾角45°要求與壁板及邊緣板進(jìn)行焊接，使之成為垂直剛性固定，以實(shí)現(xiàn)控制底板翹起變形以及降低角焊縫角變形目的。

3.3 壁板變形控制

案例工程在進(jìn)行壁板焊接過(guò)程中，依照相關(guān)要求對(duì)其進(jìn)行組對(duì)，并確保內(nèi)部脹圈完全貼緊罐壁，以達(dá)成控制變形的目的。同時(shí)利用刀板等工具對(duì)錯(cuò)邊量、垂直度等進(jìn)行嚴(yán)格控制，為提升焊接質(zhì)量提供有利條件支持。施工人員在實(shí)際進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，依照線縱向后環(huán)向的順序進(jìn)行焊接作業(yè)。技術(shù)人員人員依照實(shí)際要求將外側(cè)縱縫自下而上均勻分為6 段并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)號(hào)，實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，施工人員依照編號(hào)順序由小至大進(jìn)行斷續(xù)焊?？v縫外側(cè)面層焊接時(shí)由下至上連續(xù)焊接，完畢后在縱縫外側(cè)設(shè)置5 道龍門板，插入方銷子在焊道上加以固定，以防止內(nèi)側(cè)焊接時(shí)產(chǎn)生向外變形；內(nèi)側(cè)焊接時(shí)要根據(jù)弧板位置進(jìn)行清根，由下至上分段焊接完畢。

4 結(jié)論

1）焊接作業(yè)過(guò)程中不可避免地會(huì)在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形情況，但是通過(guò)對(duì)其規(guī)律進(jìn)行分析并結(jié)合實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，可以采用有效措施對(duì)焊接變形量進(jìn)行控制；

2）通過(guò)對(duì)排板方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)有效實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償焊接變形收縮量的目的，通過(guò)確保焊接應(yīng)力均勻分布促使大部分焊接變形相互抵消，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制焊接變形的目的。