不銹鋼儲罐的焊接施工

儲罐序號材質(zhì)容積M3壁厚/mm底板厚/mm頂板厚/mm直徑/mm高度/mm主要焊材1304L500612690009505ER308L/A0022304L10006

914612776ER308L/A0023304L80008

281462800017083ER308L/A0024316L7506

8126950012556ER316L/A0225316L7506

8126950012556ER316L/A0226316L10006

9146ER316L/A0222007 7 7不銹鋼儲罐的焊接施工【摘要】

6

臺不銹鋼拱頂罐工程實(shí)踐，介紹了不銹鋼儲罐的施焊技術(shù)和施焊工藝。關(guān)鍵詞 奧氏體

不銹鋼

儲罐

焊接

變形

控制1

引言2006

年公司上海拜耳項目部承建了

6

構(gòu)，全部采用倒裝法安裝，主體采用氬弧焊打底，手工電弧焊蓋面的焊接方法。主要技術(shù)參數(shù)見下表：2

奧氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)304L

和

316L要技術(shù)參數(shù)見下表：2

奧氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)容易出現(xiàn)熱裂紋、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂以及焊接變形。(如

C，Si，S，P等)含量較高時，就可能在結(jié)晶后期以低熔點(diǎn)液膜的形式存在于奧氏體柱狀晶體之間，當(dāng)焊接熔池繼續(xù)冷卻而產(chǎn)生收縮時，被液膜分隔的晶體邊界就會被拉開而形成裂紋。又因奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大，延長了焊縫金屬在高溫區(qū)停留的時間，同時焊接區(qū)在冷卻期間焊接接頭必然承受較大的拉應(yīng)力，也會導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。奧氏體不銹鋼在

擴(kuò)散速度比

C

Cr

含量下降到耐腐蝕所要求第

1

頁

共

8

頁 7 7的極限值

％，即形成貧

Cr

區(qū)，從而導(dǎo)致晶間腐蝕。應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭在特定腐蝕環(huán)境下受拉伸應(yīng)力作用時所產(chǎn)生的延遲開由于奧氏體不銹鋼熱導(dǎo)率小和線脹系數(shù)較大的特點(diǎn)，在焊接局部加熱和冷卻的條件下，焊接接頭在冷卻過程中可形成較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫及其周圍區(qū)域產(chǎn)生較大的焊接變形。3

不銹鋼焊接的要點(diǎn)根據(jù)奧氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)，施工過程中主要就是控制焊接接頭的熱裂紋、耐蝕性和變形。因此不銹鋼焊接的工藝規(guī)范必須采用較小的熱輸入和線能量，即小電流、快焊速、短弧窄道焊，同時應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度在

10并合理的安排焊接順序。

熱裂紋的控制控制熱裂紋除了合理的選擇焊材即選擇含碳量低的金屬，并嚴(yán)格控制氫的來源，盡可能選擇優(yōu)質(zhì)低氫焊條外，最主要的是采用合理的焊接工藝。儲罐環(huán)縫焊接過程中，幾乎沒有熱裂紋出現(xiàn)，而在立焊縫焊接過程中容易出現(xiàn)熱裂紋。主要原因是：首先，由于儲罐壁板焊接時立焊縫先焊接，其組對焊接應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)焊縫受的應(yīng)力；其次，橫焊縫電弧連續(xù)，借助于電弧吹力，再加上橫焊縫熔池流淌性好于立焊保證熔池內(nèi)立焊縫采用滅引弧點(diǎn)多，點(diǎn)與點(diǎn)之間間隔難控制，容易形成弧坑熱裂紋。因此在立焊焊接時，收弧要慢，填滿弧坑，成月牙型收弧。并控制好每次引弧、滅弧時間間隔，保證上一次弧點(diǎn)變?yōu)榘导t色之前，進(jìn)行下一點(diǎn)引弧焊接?？刂坪眠\(yùn)條的角度及弧長，即采用短電弧滅弧與壁板成

9°角吹力小，再加上大的焊接角度能保證弧坑熔池內(nèi)鐵水，避免出現(xiàn)弧坑裂紋。

耐蝕性的控制不銹鋼焊接最容易產(chǎn)生的問題就是晶間腐蝕，在保證焊接質(zhì)量的前提下，宜采用小電流，快速焊和短弧窄道焊，以減少熱影響區(qū)的范圍。尤其是厚度較薄的不銹鋼板，宜采用直流反接法，以減少熔池產(chǎn)生過熱現(xiàn)象和燒穿現(xiàn)象。當(dāng)采用雙面焊接時，與介質(zhì)接觸的焊接面后焊。儲罐內(nèi)側(cè)與介質(zhì)接觸，放在最后焊接，焊后做酸洗第

2

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共

8

頁 作者：萬志紅ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ2007 7 7ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ鈍化處理，增強(qiáng)料的選擇方面，宜選用超低碳的焊條和焊絲，如牌號為

的焊條和

ER308L/ER316L

焊絲。奧氏體不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭比較嚴(yán)重的失效形式，其預(yù)防措施主要有：（1）合理制定成型加工和組裝工藝，盡可能減小冷作變形度，避免強(qiáng)制組裝，防止組裝過程中造成各種傷痕。（2）采取合適的焊接工藝，保證焊縫成型良好任何應(yīng)力集中或缺陷，例如咬邊、焊縫高度超標(biāo)、飛濺對母材造成的污染等。（3）采取合理的焊接順序，降低焊接殘余應(yīng)力水平。

焊接變形的控制不銹鋼儲罐施工最大的難點(diǎn)就是焊接變形的控制。在儲罐的施工過程中，由于預(yù)制精度、組裝誤差和焊接時的熱脹冷縮等，儲罐底板、壁板和頂板都會產(chǎn)生不同種急劇膨脹，然后冷卻引起焊接處的收縮和彎曲而產(chǎn)生的。儲罐變形若在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，則不會影響儲罐的使用，若儲罐變形超過標(biāo)準(zhǔn)許可的范圍，不僅會影響儲罐的外觀，而且還會在外載荷的作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中和附加應(yīng)力，降低儲罐的使用能力，使儲罐的安全性下降，嚴(yán)重的則會影響儲罐的使用。控制不銹鋼的焊接變形有很多措施，如采用小線能量焊接、合理的安排焊接順序、利用反變形的原理、采用夾具剛性固定以及焊后用小錘錘擊焊縫等。下面結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，介紹一下這些措施在儲罐焊接施工中的具體應(yīng)用。3.3.1

底板變形的控制底板焊接最波浪變形和角變形是最常見的變形?？刂频装宓暮附幼冃螒?yīng)注意以下幾點(diǎn)：1、邊緣板外緣

300mm

的焊接。因大型儲罐邊緣板外緣

300mm

要求

探傷，為防止焊縫兩端的缺陷對拍片的影響，一般焊接時焊

400mm

長。對于有弓形邊緣板儲罐，考慮緣板的組對應(yīng)采用外窄內(nèi)寬的不等間如圖

1）便在先焊外側(cè)焊縫的過程中，由于焊縫的熱收縮使間隙歸于一致，保證焊后邊緣板的平整經(jīng)驗(yàn)，外側(cè)先焊的間隙較小為

6~7mm側(cè)的間隙較大為

8~12mm。第

3

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8

頁 作者：萬志紅 7 7ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ1ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ2幅幅板時，先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收縮，補(bǔ)償由于焊接應(yīng)力所產(chǎn)生的變形。然后按先短后長，從中心向外分段退焊或跳焊的順序焊接。3、丁字口處的焊接。T

型接頭處，首先焊接的方向宜留約

100mm

的一段不焊，由最后一方向的焊接完成，其原因是該接頭處應(yīng)力最大，容易造成變形。這樣的焊接順序有利于應(yīng)力的抵消?？傊装宓暮附討?yīng)遵循的原則是“先短后長，先中間后四周，同步對稱焊接”。對于有弓形的邊緣板，收縮縫應(yīng)留在最下面一圈壁板與底板間的大角縫焊完之后再焊接，非弓形邊緣板則不宜留收縮縫。為了更好的控制底板的變形，可以采用反變形夾具。即在焊前，先將鋼板與焊接變形相反的方向進(jìn)行人為的變形，使反變形的量與焊接變形的量相同，這樣在焊接后，焊接變形正好吸收了焊前的反變形，使鋼板趨于平整。反變形的角度一般在°左右，反變形量依據(jù)板厚大小而有所不同，一般為

~8mm

6

臺不銹鋼罐均采用了下圖

2

中的反變形夾具，成功的將罐底的變形控制在很小的范圍之內(nèi)。2第

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頁 2007 7 73.3.2

壁板變形的控制造成罐壁變形的主要因素是罐板卷制過程中形成的直邊以及焊接過程中造成的縱向和環(huán)向的焊接角變形。這類變形主要影響到儲罐的橢圓度及垂直度。因立焊縫焊接方向?yàn)樯舷蚝福诎辶⒖p越向上收縮量越大，應(yīng)選用小直徑的焊條并采用分段焊接的方法。壁板立縫焊接時，除產(chǎn)生角變形外，還會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變形和縱向的收縮變形，為防止各種變形，在焊接立縫前，可在壁板內(nèi)側(cè)焊接龍門板和安裝對口卡（如圖

3），對口卡的主要作用是調(diào)整焊縫間隙，但它也可起到防止壁板變形的作用。而龍門板則對防止角變形和旋轉(zhuǎn)變形非常有效。立縫的焊接應(yīng)由幾名焊工沿圓周均勻分配對稱焊接，以使焊縫內(nèi)的應(yīng)力均勻，從而提高罐體的穩(wěn)定性。立縫的兩端應(yīng)各留出

200mm

不焊，等到環(huán)縫組對完成后與丁字焊縫一起焊接，因?yàn)樵诳v焊縫施焊時，極易在焊縫兩端出現(xiàn)

150mm

左右的外翹變形，給環(huán)縫組對造成困難，使丁字焊縫的應(yīng)力增加。ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ3壁板環(huán)縫的焊接變形主要靠脹圈防止龍門板加背杠的防變形夾具（如圖

4）。在焊接工藝上，應(yīng)采用多層多道焊，并注意控制層間溫度。第

5

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8

頁 7 74值得注意的是對于有條形基礎(chǔ)的儲罐，在壁板組裝焊接前，應(yīng)仔細(xì)檢查基礎(chǔ)環(huán)形梁表面的平整度。若忽略此問題，罐體到達(dá)一定高度后就會引起懸空部位下墜，使罐體產(chǎn)生無法矯正的變形。所以在在壁板組裝前，應(yīng)確認(rèn)邊緣板在自由狀態(tài)下緊貼基礎(chǔ)環(huán)梁，若懸空量超過

5mm,而且懸空長度超過

400mm，就必須采取措施予以彌補(bǔ)，例如加墊鐵找平等。3.3.3

頂板變形的控制罐頂瓜皮板之間一般為搭接形式，定位焊時用卡具使搭接處緊密接觸，外側(cè)焊完后再去除卡具。焊接頂板時應(yīng)先焊內(nèi)側(cè)徑向焊縫，再焊外側(cè)徑向焊縫，采用隔縫對稱施焊方法并由中心向外分段退焊。頂板與角鋼圈為搭接型的角焊縫，焊接時焊工要均勻分布且沿同一方向焊接。3.3.4

其它部位焊接變形的控制在儲罐施工中，除了罐底、罐壁和罐頂?shù)暮附油?，其它部位的焊接同樣可能出現(xiàn)焊接變形，如抗風(fēng)圈、加強(qiáng)圈、最下面一圈壁板與罐底的大角縫的焊接等。作為環(huán)向焊縫，其原則是采用分段退焊、同向焊接，且先進(jìn)行間斷焊，然后再進(jìn)行連續(xù)焊接，以防止翹曲。值得指出的是抗風(fēng)圈與罐壁間的上部應(yīng)確保連續(xù)焊，防止雨水由罐壁與抗風(fēng)圈間的間隙處流入保溫層。儲罐的大角縫也是受力的關(guān)鍵部位，特別是大型儲罐必須采取防變形措施。在焊接儲罐內(nèi)大角槽鋼支撐（如圖

5）樣可防止環(huán)形邊緣板因焊道的橫向收縮產(chǎn)生角變形而向上翹起。注意槽鋼應(yīng)支撐在最邊緣的底板上，切不可將支撐撐到底板的中心部分，這樣反而阻礙了環(huán)形大角縫焊后的收縮，增大了焊后的內(nèi)第

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8

頁 2007 7 7應(yīng)力，有可能導(dǎo)致底板與壁板產(chǎn)生更大的波浪變形。焊接儲罐外大角縫時，在儲罐邊緣板外側(cè)和壁板之間沿圓周焊上一些半龍門板，以此來防止外大角縫的變形。53.3.5

焊接變形的矯正鉻鎳奧氏體不銹鋼的機(jī)械強(qiáng)度較碳鋼的高，產(chǎn)生的焊接變形量又大，所以矯正變形的難度增加，但由于鉻鎳奧氏體不銹鋼常溫時的力學(xué)性能優(yōu)于碳鋼，低溫時又具有機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好的優(yōu)良特性，因此焊件焊后立即進(jìn)行快速冷卻和矯正，均不易引起焊縫開裂現(xiàn)象。前文提到過奧氏體不銹鋼在

450～850℃

的敏化溫度區(qū)間內(nèi)加熱時，有促進(jìn)碳化鉻的析出，使晶界出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象而導(dǎo)致晶問腐蝕的傾向。為此，對這類鋼的焊接變形，只能冷矯如千斤頂?shù)捻斆浀?，而不宜熱矯。需要特別指出的是，在矯正變形的同時，要防止變形區(qū)域的延伸，所以超過400mm×400mm

進(jìn)行矯正前，需進(jìn)行全封閉剛性固定。矯正過程應(yīng)避免使用錘擊，因?yàn)閮薜膭傂暂^小，彈性較大，猛烈錘擊產(chǎn)生的大部分能量都會被罐體的彈性變形所吸收，起不到以塑性變形矯正焊接變形的目的，而且還在罐體上留下較深的錘痕。另外，如果其它部位已經(jīng)存在較大焊接應(yīng)力，但該應(yīng)力與罐體的剛性保持了相對平衡，那么錘擊引起的罐體的劇烈震動，很容易使這種平衡遭到破壞，導(dǎo)致其它部位的罐壁突然塌陷而產(chǎn)生新的變形。對變形比較嚴(yán)重的部位，可將相關(guān)的焊縫割開以釋放應(yīng)力。對于更為嚴(yán)重的變形，則可以考慮更換板材。

注意事項1、焊前必須保證清除可能使焊縫金屬增碳的各種污染。焊件待焊處兩側(cè)各第

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7 720mm（包括坡口面）表面應(yīng)徹底清除干凈，不應(yīng)有任何油脂、污漬、油漆標(biāo)記、氧化皮和其它雜質(zhì)。通常采用丙酮或酒精進(jìn)行擦洗，必要時還需先進(jìn)行打磨。若清理不干凈，這些有機(jī)物質(zhì)會在高溫電弧作用下分解燃燒成氣體，引起焊縫金屬產(chǎn)生氣孔和增碳，進(jìn)而使焊接接頭的耐蝕性降低。2說明書規(guī)定的電流范圍內(nèi)選擇偏小的焊接電流于不銹鋼電阻值較大，靠近夾持端的一段焊條容易受電阻熱的作用而發(fā)紅，在焊至后半