大型儲罐底板焊接變形的控制

1、 大型儲罐底板焊接變形的控制摘要：大型儲罐底板焊接質(zhì)量及焊接變形控制是保證儲罐整體施工質(zhì)量的關(guān)鍵點。本文從罐底板焊接變形的形成，焊工管理，焊接工藝評定，合理設(shè)計底板排板圖，罐底中幅板、邊緣板、大角焊縫、收縮縫的組對與焊接及其變形控制，合理布置焊接順序，合理設(shè)置防變形工裝等方面，論述了大型儲罐罐底板焊接質(zhì)量和焊接變形的控制措施，有效地控制了底板焊接變形。關(guān)鍵詞：大型儲罐 罐底板 排板形式 中幅板 長焊縫 邊緣板 焊接 變形引言在大型儲罐現(xiàn)場制造過程中，焊接變形的控制始終是無法回避的難點，尤其是大型儲罐底板的焊接，在焊接過程中，焊縫在加熱和冷卻過程中的縱向與橫向收縮很容易引起底板變形并且變形往往很

2、大。焊后引起底板最大變形的還有就是焊接壁板與底板連接的雙面角焊縫，其焊后周邊縮短，如不能自由收縮，就很容易造成底板較大的變形。底板的焊接質(zhì)量在很大程度上決定了儲罐的使用壽命及在用狀態(tài)。同時，罐底板與罐基礎(chǔ)是緊密連接的，因此對罐底板日后的維修是非常困難的。所以，大型儲罐底板現(xiàn)場焊接及變形控制是保證儲罐整體施工質(zhì)量的關(guān)鍵點。我公司2011年承接的廣州發(fā)展碧辟油品有限公司南沙油庫二期項目，總庫容 306500 m3的油庫，共計油罐43臺，其中：30000 m3儲罐4臺（內(nèi)浮頂油罐，儲罐直徑42m）、10000 m3儲罐12臺（內(nèi)浮頂油罐），其余是5000m3及以下的儲罐。我司通過采用合理的排板、合理

3、的焊接方法、焊接順序及行之有效的防變形控制措施，實行全過程的質(zhì)量控制，使人、機、料、法各因素均處于良好的受控狀態(tài)，使罐底板的焊接變形得到了有效控制，從而保證罐底的焊接質(zhì)量，圓滿地完成了施工任務(wù)，并得到了建設(shè)單位的好評。1 罐底板焊接變形的形成1.1 焊接變形產(chǎn)生機理焊接是一個不均勻的局部加熱過程，電弧在焊縫上的最高溫度可達材料的沸點，而焊縫區(qū)以外的金屬溫度則急劇下降。這就使得構(gòu)件上的溫度分布極不均勻，造成高溫區(qū)域冷卻后產(chǎn)生收縮量大，低溫區(qū)域收縮量小，這種不平衡的收縮導(dǎo)致了構(gòu)件形狀的改變。在某一時間內(nèi)，焊后被焊金屬的變形主要表現(xiàn)在三個方向上：即沿焊縫長度方向的縱向收縮和垂直于焊縫長度方向的橫向收

4、縮，沿厚度方向上的不同厚度處不等收縮，也就是圍繞焊縫軸線的角度變化。正是由于這三個方向的收縮，造成焊接的各種變形。變形量的大小取決于材料的機械性能和熱物理性能、焊縫長度和厚度、接頭在空間的位置、焊接方法以及施焊條件，還有焊后的冷卻條件等。1.2 罐底板主要變形形式1.2.1 波浪變形 ：波浪變形的產(chǎn)生原因有兩種，一種是板的焊縫在厚度方向上產(chǎn)生不均勻橫向收縮帶來的，即角變形帶來的，另一種是由于焊接過程給鋼板帶來的壓應(yīng)力造成了板的局部失穩(wěn)屈曲。前者可以用控制角變形的方法來解決，而后者則必須設(shè)法降低焊接內(nèi)應(yīng)力或改變其分布規(guī)律。1.2.2角變形 角變形的產(chǎn)生是由于接頭處沿板厚方向溫度不均勻分布造成橫向

5、收縮不一致引起的。因而角變形的大小取決于鋼板接頭的剛度和溫度不均勻分布的程度，具體說即取決于坡口的形狀尺寸和焊接方法。1.3 罐底板焊接變形分析1.3.1 邊緣板對接焊縫靠外緣300 mm部位在未焊接時，邊緣板處于自由狀態(tài)，由于焊縫橫向收縮不均勻可引起角變形，使邊緣板和基礎(chǔ)表面不能完全接觸，從而影響第一圈壁板的組對。1.3.2 中幅板焊接時，由于焊縫較集中且多為長焊縫、多層焊，焊接過程中有多種焊接應(yīng)力的存在，焊接后也常有多種殘余變形(既有收縮變形和彎曲變形，同時還伴有扭曲變形、角變形和波浪變形)的同時存在，不僅影響罐底的尺寸精度和外觀，而且可能降低其承載能力。 1.3.3 邊緣板與第一圈壁板角

6、焊縫的焊接過程中，焊接橫向收縮引起的角變形和彎曲變形，使組對合格的第一圈壁板傾斜和熱影響區(qū)內(nèi)的罐底邊緣板彎曲變形，不能與基礎(chǔ)完全貼合，影響第二圈壁板的組對及剩余罐底邊緣板的焊接質(zhì)量。1.3.4 邊緣板與中幅板之間收縮縫的焊接同樣會產(chǎn)生多種殘余變形。但由于為罐底焊接的最后一道工序，此時內(nèi)浮頂與罐底已經(jīng)進行了組對，依靠內(nèi)浮頂和罐壁的自重和內(nèi)浮頂?shù)亩鄠€支撐點的加壓及罐壁的加壓起到剛性固定的作用。尤其是對抑制角變形和波浪變形更為有效。所以邊緣板與中幅板之間收縮縫的焊接一般不會產(chǎn)生較大的變形。2 焊工管理參加施焊的焊工必須按tsg z6002-2010特種設(shè)備焊接操作人員考核細則考試合格，確認焊工合格證

7、原件有相對應(yīng)的焊接合格項目。在該工程中，我們所采用的焊工，焊接經(jīng)驗豐富，焊接技術(shù)精湛，并在工程正式施焊前，進行有針對性的練兵和考核，合格后方可上崗焊接。由項目部簽發(fā)相應(yīng)的焊工上崗卡片，卡片標(biāo)記焊工持有的合格焊接項目。焊工持卡上崗，并隨時提供給各級檢查和管理人員檢查。3 焊接工藝評定施焊前需嚴格按設(shè)計文件要求的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和現(xiàn)場實際情況編制焊接施工方案，按照nb/t47014-2011承壓設(shè)備焊接工藝評定的要求進行焊接工藝評定，編制焊接工藝指導(dǎo)書，在施工現(xiàn)場還必須結(jié)合實際焊接工件，編寫現(xiàn)場接頭焊接工藝卡，其焊接施工控制內(nèi)容必須齊全。不同焊接工件的接頭焊接工藝卡必須分別編寫。焊工必須嚴格按接頭焊接工

8、藝卡所給定的焊接參數(shù)和要求施焊，焊接質(zhì)量檢查員按接頭焊接工藝卡進行檢查。只要有組對和焊接作業(yè)，質(zhì)檢員就時刻緊盯現(xiàn)場，嚴把焊接質(zhì)量關(guān)，讓焊接質(zhì)量始終受控狀態(tài)。焊接工程師要對焊工和鉚工嚴格進行焊接技術(shù)質(zhì)量交底，將接頭焊接工藝卡下發(fā)到每一個焊工和鉚工，并在焊接班組粘貼上墻。3.合理設(shè)計底板排板圖大型儲罐的底板一般由中幅板和邊緣板兩部分構(gòu)成，我們通常選擇帶有弓形邊緣板的條形排板形式。中幅板之間、中幅板與邊緣板之間一般采用搭接形式，邊緣板之間一般采用對接（外端接口加墊板）的形式。為了方便論述，本文只針對直徑為42m的30000 m3儲罐進行論述。對于42m罐罐底板，設(shè)計方提供的排板形式如圖1，這種排板形

9、式的中幅板長焊縫的數(shù)量很多，而且長度很長。而由于長焊縫在焊接過程中會產(chǎn)生大量的熱應(yīng)力，這么多的長焊縫將導(dǎo)致熱應(yīng)力得到不斷的積累，由此也將導(dǎo)致變形的疊加，焊縫越長變形疊加量就越大。所以過多的長焊縫容易導(dǎo)致焊接時發(fā)生變形過大的問題。因此，焊接時控制變形的難度也就隨之增加，焊接質(zhì)量也就難以得到很好的保證。所以，罐底板排板時應(yīng)盡量避免出現(xiàn)過多過長的焊縫。針對這樣的問題，我公司工程技術(shù)人員經(jīng)過反復(fù)討論分析，對排板形式進行了優(yōu)化，如圖2，優(yōu)化后的焊縫總長度基本相同。由于中幅板的受力在平面內(nèi)是均勻分布的，因此排板形式的修改對它的力學(xué)性能沒有產(chǎn)生影響。然而，排板形式的改變對罐底板整體焊接的影響是非常明顯的。由

10、圖1和圖2對比可以看出，通長焊縫的數(shù)量由原來的14條減少到6條，這一修改也得到了設(shè)計方的認可。優(yōu)化后的焊縫呈對稱分布，而使焊縫焊接時可能引起的應(yīng)力能相互抵消。圖1 設(shè)計提供的42m罐罐底板排板圖形式圖2 優(yōu)化后的42m罐罐底板排板圖形式下面通過實際施工中的應(yīng)用效果進行兩種排板形式的比較。由于長焊縫在焊接過程中需要大量的防變形工裝進行輔助施工，而且在焊接作業(yè)時必須從中間向兩端進行施焊方可將焊接時產(chǎn)生的應(yīng)力擴散開來。因此每條通長焊縫最多只允許兩名焊工同時作業(yè)，才能較好地控制焊接產(chǎn)生的應(yīng)力問題，防止焊接時產(chǎn)生較大變形。這樣必然導(dǎo)致事故進度受到嚴重制約，即使有充足的人力物力，也無法全部投入進行施工，因

11、此大大增加了施工所需的時間。更為重要的是，即使是按這種合理的施工方法進行施工，通長焊縫在焊接時還是很容易發(fā)生較大的變形。按照以往經(jīng)驗，焊接完成這種排板形式的42m罐罐底板，需要花費15天左右的時間。然而，排板圖經(jīng)過優(yōu)化后，大大減少了通長焊縫的數(shù)量，大部分都由短焊縫構(gòu)成。因此，焊工在焊接時則可以進行多點焊接，人力投入比較自由，施工速度有著巨大的提升空間。只要保證有足夠的人力機具投入，施工速度可以得到很大的提升。更重要的是，短焊縫焊接質(zhì)量也比較容易得到保證。焊接時，也不需要過多的防變形工具和措施。在實際施工中，平均完成一座罐底板的焊接只需花費了8天的時間，工期縮短了約一半，而且焊接時產(chǎn)生的變形相比

12、起來也要小得多。5罐底中幅板的組對、焊接及變形控制5.1中幅板的鋪設(shè)由罐底中心分成四個對稱的90扇形面由中心向外鋪設(shè)，邊鋪設(shè)邊調(diào)整對口間隙，必要時可點焊固定；5.2中幅板鋪設(shè)時，考慮到中幅板焊接的收縮，中幅板與邊緣板搭接環(huán)形收縮縫處的中幅板應(yīng)長出至少100,待邊緣板對接縫及中幅板搭接焊縫焊接完畢后再按搭接焊縫搭接量的要求切割組對環(huán)形收縮縫；5.3中幅板的焊接分四個對稱的90扇形區(qū)同時安排四個焊接小組對稱施焊；總的原則是應(yīng)從中心向四周焊接，先焊短焊縫，后焊長焊縫，預(yù)留收縮縫；5.4對中幅板施焊時，首先應(yīng)將組對時所焊的定位焊縫全部磨開，讓中幅板之間保持自由狀態(tài)，以利于在施焊過程中能自由伸縮，補償由

13、于焊接應(yīng)力所產(chǎn)生的變形。5.5三張板結(jié)合點，三層板重疊，此處在焊接時應(yīng)力比較大，很容易出現(xiàn)焊道根部裂紋，要特別引起注意。應(yīng)將最上層底板切角，長度為搭接長度的兩倍，寬度為搭接長度的2/3。在上層底板鋪設(shè)前，應(yīng)先焊接上層底板覆蓋部分的角焊縫。5.6中幅板的通長焊縫的焊接，采用分段退焊或跳焊法,分段間距為400,每條焊縫由兩名焊工從中間向兩端對稱施焊；5.7距邊緣板2000范圍內(nèi)的中幅板焊縫暫留不焊接,待中幅板焊縫焊完并與邊緣板組對好后再焊接；5.8考慮中幅板板焊接時因焊縫縱向收縮及角變形引起的波浪變形,焊接前分別在所焊焊縫兩側(cè)的帶板上布置i25工字鋼作為背杠對中幅板進行鋼性固定,布置方法如圖3(a

14、)所示。5.9通長焊縫焊接前,必須在距焊縫180200的外緣一側(cè)布置i25工字鋼作背杠進行鋼性固定,如圖3(b)。 (a)中幅板焊接防變形背杠的安裝(b)通長焊縫兩側(cè)焊接防變形背杠的安裝圖3 罐底中幅板防變形措施6 罐底邊緣板的組對、焊接及變形控制6.1罐底邊緣板下料時考慮到焊接收縮量，將邊緣板外徑適當(dāng)放大。6.2考慮到焊接收縮，邊緣板的組對采用不等間隙，外小內(nèi)大；外側(cè)相焊的部分為67mm，內(nèi)側(cè)為812mm，以便在先焊外側(cè)300 mm的過程中，由于焊縫的熱收縮使間隙歸于一致，保證焊后的平整度，防止出現(xiàn)局部突起。（如圖4）圖4 邊緣板的組對采用不等間隙6.3邊緣板的組對可采用圖5所示的鍵板夾具固

15、定和調(diào)節(jié)坡口間隙、錯邊量等；圖5 邊緣板的組對夾具6.4在鋪設(shè)邊緣板時，只進行一側(cè)的點焊，給邊緣板焊接留出收縮量；6.5邊緣板的對接縫墊板，注意點焊時保證對接的兩邊緣板與墊板緊密接觸，防止焊接時出現(xiàn)過瘤，未熔合等內(nèi)部缺陷。在外側(cè)靠近板頭處還宜打一防變形板，焊接時用銷子打緊，待焊接結(jié)束冷卻后去除。6.6首先施焊靠外緣400mm部位的焊縫，以保證在施焊罐壁板和罐底板角焊縫過程中引起弓形邊緣板向中心收縮變形時，相鄰兩塊邊緣板仍可以比較順利地進行收縮變形。6.7弓形邊緣板對接焊縫的初層焊，宜采用焊工均勻分布，全部焊工沿順時針方向在各自的起點上同時開始焊接。6.8焊接時先焊自邊緣板外側(cè)向內(nèi)400的對接縫

16、，焊工均布在罐底邊緣板外側(cè)的整個圓周上同時對稱施焊，隔一條縫焊接一條，焊接時,自邊緣板外側(cè)向內(nèi)600的坡口內(nèi)引弧，然后采用退焊法向邊緣板外側(cè)施焊，起弧位置的層間接頭應(yīng)錯開50以上,如圖6；分層焊道圖6邊緣板外側(cè)600mm對接縫的焊接6.9邊緣板剩余部分對接焊縫的焊縫應(yīng)在罐底與罐壁連接的角焊縫焊完后且在施焊前完成；6.10邊緣板剩余的對接焊縫在罐底與罐壁的大角縫焊完后且在邊緣板與中幅板之間的收縮縫焊接前施焊，焊接時仍由多名焊工均布同時采用退焊法由400焊縫接頭處向內(nèi)側(cè)施焊。7 罐壁與罐底大角焊縫的焊接7.1邊緣板與壁板的大角縫為t型，且兩側(cè)不對稱，溫度分布也不均勻，熔化金屬沿板兩側(cè)收縮量不一致，

17、易引起角變形，為了保證焊接后的邊緣板變形控制，在焊前必須對整個焊道進行防變形處理。可在罐壁內(nèi)側(cè)設(shè)置若干個斜支撐，每個相距1m為宜，用于控制內(nèi)外角縫焊接造成的角變形對垂直度的影響，如圖7。圖7在罐壁內(nèi)側(cè)設(shè)置若干個斜支撐7.2切不可將支撐撐到底板的中幅板部位，因為支撐支到底板中幅板部位則底板易變形。7.3根據(jù)儲罐的受力條件，邊緣板與壁板的大角縫采用內(nèi)大外小的焊接接頭。7.4 罐壁與罐底大角焊縫的焊接,在第一圈、第二圈壁板縱、環(huán)縫組焊完畢后進行。7.5為了減少焊道的熱輸入，采用多層多道焊法。無論是否自動焊，初層（底層）焊道都必須采用手工焊接，分段退焊。 手工焊接時，由多名焊工對稱均勻分布,沿罐內(nèi)、罐

18、外同一方向同一工藝參數(shù)同時采用分段退焊或跳焊的方法進行焊接。由于打底焊道直接影響整條焊縫的質(zhì)量，所以必須保證熔合良好，無任何缺陷，并根據(jù)要求進行無損檢驗；填充焊接時，一是注意焊道的最終成型，二是每層焊道之間熔合良好，并排列整齊。7.6邊緣板與壁板大角焊縫的焊接外口填充焊道焊接,在內(nèi)口焊接完成并檢查合格后方可進行，焊接時，焊工依周向均勻分布，每名焊工采用順焊退焊法焊接。8 邊緣板與中幅板之間收縮縫的焊接8.1邊緣板與中幅板的接口作為環(huán)向預(yù)留收縮縫在組對時不點焊固定，而采用龍門卡具和斜鐵固定。焊接時先焊邊緣板的徑向預(yù)留縫，再焊中幅板的預(yù)留縫，最后才焊環(huán)向收縮縫。在焊環(huán)向收縮縫的過程中，同樣根據(jù)焊工人數(shù)，將焊道均勻等分，且每個焊工在自己的焊接范圍內(nèi)沿同樣方向，采用同一方向?qū)ΨQ分段退焊。8.2在保證焊條熔滴與母材能很好地熔合的情況下，盡可能采用了小電流，以降低熱輸入量，從而達到控制變形的目的。9焊接操作要點9.1儲罐底板的焊接應(yīng)確保儲罐底板不變形或減