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常压储罐罐底板焊接变形控制分析

发表时间：2021/3/16 来源：《中国科技信息》2021年1月作者：张敬国崔春梅王菲张丽丽

[导读] 储罐底板的焊接工作非常重要，同时难度相对来说也非常大，在具体的焊接过程中有非常多种不同的方法可以实现控制焊接变形的目的，但相关的焊接单位和焊接人员仍要注重对现有工艺的持续改进和对新工艺的不断探索，通过在焊接过程中运用总结不断改进提高或者创新新工艺从而达到进一步控制焊接变形产生的作用

胜利石油管理局有限公司公共事业服务中心张敬国崔春梅王菲张丽丽

摘要：储罐底板的焊接工作非常重要，同时难度相对来说也非常大，在具体的焊接过程中有非常多种不同的方法可以实现控制焊接变形的目的，但相关的焊接单位和焊接人员仍要注重对现有工艺的持续改进和对新工艺的不断探索，通过在焊接过程中运用总结不断改进提高或者创新新工艺从而达到进一步控制焊接变形产生的作用。
关键词：储罐；焊接；变形
        常压储罐罐底板焊接过程中产生焊接变形的主要原因在于焊接区域的应力作用和局部收缩,钢结构的施工进度、安装要求、尺寸精度等都会受到焊接变形的影响。本文首先对焊接变形的机理和影响因素进行了分析,并针对常压储罐罐底板焊接变形提出了具体的控制方法,并对如何减少焊接应力提供了几项具体措施。
        1、焊接变形机理及影响因素
        焊件各部分是相互制约又相互连接的关系，在焊接过程中如果构件受到不均匀的冷却或者加热的话，就容易在焊件的各部位产生不同程度的热胀冷缩的现象，使得焊件本身产生应力不均匀，不能自由的缩短和伸长。以下就造成焊接变形的主要原因进行介绍。
        焊缝分布的影响。在焊接设计时忽略了焊缝均匀分布的问题[3]，就容易造成焊缝密集区和焊缝稀疏区的变形程度不一致的问题。
        焊缝过分集中的影响。焊缝过分集中会加大焊接变形，使应力过多的叠加在一起。
        结构刚度的影响。通常情况下，结构刚度小的构件，焊后变形大，相反，结构刚度大的构件，焊后变形小。
        焊接顺序的影响。不正确的焊接顺序会在焊后产生不同的变形量。
        坡口形式的影响。焊接坡口小，焊接变形就小，反之就焊接变形越严重。
        焊接工艺的影响。在焊接过程中，不同的焊接工艺规范在相同焊件上也会产生不同的焊接变形，快速、小电流的多层和多道焊，焊条不摆动，焊后变形就小。
        2、焊接变形的种类及相关规律
        常见的焊接变形主要分为线性缩短、角变形、弯曲变形、扭曲变形。
        (1)线性缩短大致规律是线性膨胀系数大的材料焊接后焊缝收缩量也大，焊缝的纵向缩短随着焊缝长度的增加而增加，焊缝的横向收缩量随着焊缝宽度的增加而增加。
        (2)角变形大致规律是开V型坡口的对接接头焊后产生的变形为2°～3°;开X型坡口的对接接头时，虽然厚度方向上焊缝截面是对称的，但如果焊接顺序选择安排不当，也会使焊缝正反两面的横向收缩不相等而产生角变形;焊脚高度等于板厚的角接接头焊接后，角变形量也为2°～3°。
        (3)弯曲变形是纵向收缩和横向收缩综合作用的结果，其主要原因是焊缝布置不在构件截面的中轴线上，弯曲变形总是向着焊缝的方向，焊缝离截面中轴线的距离越大，则弯曲变形越严重。
        (4)扭曲变形主要是由于装配质量不好、工件搁置不当以及焊接顺序和焊接方向安排不当等原因造成的。
        3、常压储罐G20＃罐罐底板更换焊接
        实例：某储罐G20＃为内浮盘罐储，该罐容积为2000立方米，规格为15862*10960，设计温度常温，设计压力常压，介质轻质油。经储罐置换排空后进入内部检查，发现储罐罐底板减薄，且罐底板表面有多处点腐蚀现象，为保证设备的安全运行，计划对现有罐底板及第一圈局部壁板进行拆除和更换施工。

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按照相关规范，罐底板边缘板更换采用8毫米钢板，中幅板采用6毫米钢板，第一圈壁板采用8毫米钢材，材质Q235－B。该罐施工中存在底板较薄、焊接施工量大、底板的布板设计要求高、焊接顺序要求苛刻及焊接工艺参数要求高等难题。
        3.1罐底基础平整度
        罐底板在铺设之前应检查罐底沥青砂的平整度，沥青砂垫层表面应平整密实，无突出的隆起、凹陷及贯穿裂纹。基础局部缺陷处用石英砂填平、夯实，且在施工过程中调整垫板时严禁用撬杠直接支在基础上。
        3.2合理的安排组装顺序
        罐底的排板直径，宜按照设计直径放大0.1％～0.15％，宜便于焊缝的收缩变形后，仍能保证样板的直径。边缘板最小直角边尺寸大于等于700毫米。罐底板铺设按照先铺设中心板再铺设边缘板的顺序铺设，边缘板位置调整完毕后，应用龙门卡局定位并电焊固定。因焊接过程中应严格控制焊缝中的热输入，需严格控制选用合理组对间隙，同时考虑到添加焊丝组对间隙不宜过小，应控制在4~6毫米。合理的布局及组装保证罐底板变形量均匀、对称，避免焊接过程储罐底部异常变形，保证整个罐底边缘均匀承受罐体载荷，满足储罐稳定性要求。
       3.3焊接应力控制
       3.3.1焊缝尺寸的选择
       焊接区域热胀冷缩形成焊缝应力，热输入与焊接区域成正比，因此焊接区域越小，焊后变形就会越小，例如厚板、小角度坡口就要尽可能的使用双面坡口。在进行拼接焊缝时，先翻转背面，对坡口较深一侧的1/3进行焊接，再翻转焊接剩余的部分。这种方法只需翻转两次，生产效率高，而且焊接变形小。
        3.3.2合适的焊接材料和焊接参数
        为提高焊缝金属的抗裂性能、韧性和塑性，有效降低应力集中和焊缝中淬硬组织的刑场，就要选择适当的焊材。一般情况下，要使焊缝金属的含碳量低于母材，为达到与母材的同等强度，会对焊缝中的锰、硅含量进行提高。
        另外，严格控制焊接线能量。焊接变形和焊接参数中的焊接线能量之间是正比例关系，焊接线能量越大，在进行焊接时所产生的应力就越大，塑形变性也就越大。焊接热输入是影响焊接变形的一个主要因素，罐底板施焊过程中宜采用小电流、快速焊，以减小焊接线能量，从而减小罐底板总体焊接变形；所以应当严格控制焊接电流，CO2气体保护焊时焊接电流应控制在300A以内，埋弧自动焊时焊接电流不应大于600A。
        3.3.3合理的焊接工艺
        在拼接多块钢板时，要先对横焊缝进行焊接，再对纵焊缝进行焊接，避免单道长焊缝单方向连续长距离施焊，初层焊道应采用分段退焊或跳焊法。目前G20＃罐施工底板的长焊缝焊接，采取分段焊接的方法，分段段距离宜为500mm。罐底中幅板焊接施工遵循由中心向外侧，由短焊缝到长焊缝的组装顺序进行焊接施工。中幅板焊缝组对点焊时应隔缝点焊，焊接时以两块为一个单元，从罐底中心向两侧隔一道焊缝焊一道；最后，以同样方法将每四块中幅板进行组装、焊接。在进行分段焊接时要注意避免两端焊材的接头对齐，保证两个焊材的接头处相互交错覆盖住对方的接头。另外用分段焊接代替连续焊接时，还要避免焊接变形，当温度过高时，要及时进行敲击并且停下来等温度降低。在进行三面焊接时，可以先从中间焊起，再向两侧蔓延，适当的改变焊接方向也有利于减少焊后变形。
        对称焊接施工主要应用于对称构件、焊缝分布均匀、截面形状对称等情况。罐底与罐壁连接的角焊缝，在底圈壁板纵焊缝焊完后施焊，由数对焊工从罐内、外沿同一方向进行分段焊接，初层焊道采用分段跳焊或跳焊法，使焊后的壁板垂直于底板。
参考文献：
[1]罗震,武钰栋,马成勇,齐彦昌,张禹.低温镍基焊条焊接的LNG储罐用9Ni钢接头的力学性能[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版),2020,53(08):771-776.
[2]李鹏.大型LNG储罐用9%Ni钢及焊接技术综述[J].油气田地面工程,2019,38(S1):166-169+188.
[3]王冰,陈学东,王国平.大型低温LNG储罐设计与建造技术的新进展[J].天然气工业,2010,30(05):108-112+149.