大型儲(chǔ)罐底板焊接防變形研究

徐輝輝 郭秀紅

河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，中國·河南 新鄉(xiāng) 453700

近年來，隨著國家環(huán)境保護(hù)政策的積極推進(jìn)，促使新型煤化工等清潔能源的開發(fā)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)新型煤化工的需求量也逐漸增加。同時(shí)，原來的產(chǎn)品儲(chǔ)罐在容量方面已經(jīng)不能滿足要求，許多新型煤化工儲(chǔ)存和運(yùn)輸設(shè)施已經(jīng)向大型化方向發(fā)展。大型儲(chǔ)運(yùn)罐在焊接過程中容易發(fā)生變形，是當(dāng)前油氣行業(yè)面臨的主要技術(shù)問題。論文基于大型儲(chǔ)罐底板焊接防變形研究展開論述。

大型儲(chǔ)罐；底板焊接；防變形研究

1 引言

儲(chǔ)罐是石油化工生產(chǎn)普遍應(yīng)用的設(shè)備之一，其穩(wěn)定運(yùn)行是化肥廠安全生產(chǎn)的保證。儲(chǔ)罐底板是整個(gè)儲(chǔ)罐的關(guān)鍵部位，罐底板通常鋪在瀝青砂基礎(chǔ)上，由數(shù)塊薄鋼板焊接而成。如果罐底的焊接變形過大，不僅影響罐底外觀，還會(huì)出現(xiàn)罐內(nèi)介質(zhì)液位不斷變動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力集中和附加應(yīng)力所造成的底板斷裂，使儲(chǔ)存介質(zhì)泄漏。其中，其變形部位是影響儲(chǔ)罐質(zhì)量的重要因素。

2 引起儲(chǔ)罐罐底焊接變形的主要原因

2.1 在焊接過程中形成徑向收縮

焊接石油儲(chǔ)罐時(shí)，如果外力或應(yīng)力不平衡，就會(huì)發(fā)生焊接變形現(xiàn)象，在這種情況下會(huì)發(fā)生徑向收縮，收縮會(huì)導(dǎo)致油罐底部的中板產(chǎn)生應(yīng)力，或者水箱底部的板邊變形，在這兩種情況下，焊接變形都會(huì)增大。

2.2 焊接后發(fā)生側(cè)收縮現(xiàn)象

油罐底部有較多的焊縫，如果焊接操作中接縫部分出現(xiàn)焊接后形成側(cè)收縮的問題，則石油罐的側(cè)管壁會(huì)形成較大的應(yīng)力，并可能發(fā)生焊接變形。

2.3 焊接中加熱不均引起的油罐底部焊接變形

焊接石油罐底部時(shí)，焊接工藝很多，所以焊接工作時(shí)，焊接部很容易在本地位置產(chǎn)生不均勻的熱量。例如，如果焊縫在高溫區(qū)域，則溫度高會(huì)導(dǎo)致焊縫熱量膨脹，如果焊縫附近未進(jìn)行熱處理，則可能會(huì)限制焊縫延長，因?yàn)樗挥诘蜏貐^(qū)域。焊接操作完成后，水箱在自然冷卻過程中，在冷熱區(qū)域不同部分的收縮量有很大的變化，位于高溫區(qū)域的水箱底部的熱塑性變形引起的收縮量比較大。低溫度下，底板收縮率低，收縮率不平衡，導(dǎo)致底板中產(chǎn)生的應(yīng)力發(fā)生了很大變化，從而導(dǎo)致油罐底部的焊接變形。

3 影響變形的其它因素

3.1 線能量的增大

隨著焊接電流不斷增大，熱影響區(qū)、熔深等都會(huì)不斷增大，從而導(dǎo)致收縮量增大，變形更加明顯。因此，在焊接過程中要選擇較小的焊接電流及較快的焊接速度，選擇合宜的線能量。

3.2 焊接方法

在進(jìn)行焊接時(shí)，工作人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇焊接順序，采用分段跳焊或分段退焊法。在控制單層焊縫厚度的同時(shí)盡可能增加分段間隔，減少焊縫應(yīng)力集中，只有這樣變形傾向和收縮量才能更小。此外，卷板質(zhì)量高質(zhì)量的制作材料、在很大程度上決定了罐體變形程度，所以在卷材的選擇上也要格外注意特別是壁板，如果壁板局部凹凸度超出標(biāo)準(zhǔn)，就必須重新選擇卷材進(jìn)行制作或矯正，徹底將應(yīng)力消除，避免出現(xiàn)變形的情況[1]。

4 大型罐底板焊接變形的控制措施

4.1 合理的焊接順序

為了控制大型儲(chǔ)罐底板焊接變形，可以使用合理的焊接順序。首先從邊板組裝開始，然后組裝中間板，保持100mm的間距，使組裝的多個(gè)中間板跨在邊板上，然后開始焊接，焊接中間板，焊接中間板時(shí)從里向外焊接，焊接多個(gè)中間板。其中，由于焊縫長度長、收縮力大，焊接時(shí)要注意保持自由焊縫收縮，確保焊接收縮量不被邊板干擾，從而使大型油罐底部的整體結(jié)構(gòu)不變形。此外，邊內(nèi)部不焊接，直接焊接外部，開始焊接邊板，直到邊板和壁板之間的焊接收縮。等角板焊接完成后，切割縮小的中間板，焊接這部分焊接，焊接縮小后，角板受到強(qiáng)烈干擾，整個(gè)中間板拉伸，不發(fā)生波變形[2]。

4.2 焊接結(jié)構(gòu)

罐底環(huán)形邊緣板的對(duì)接接頭宜采用不等間隙，采用焊條電弧焊時(shí)，外側(cè)間隙宜為6～7mm，內(nèi)側(cè)間隙宜為8～12mm；采用氣體保護(hù)焊時(shí)，外側(cè)間隙宜為3～5mm，內(nèi)側(cè)間隙宜為6～8mm。厚度不大于6mm的罐底邊緣板對(duì)接時(shí)焊縫可不開坡口；厚度大于6mm的罐底邊緣板對(duì)接時(shí)，焊縫應(yīng)采用V型坡口。邊緣板與底圈壁板焊接的部位應(yīng)做成平滑支撐面。采用對(duì)接接頭時(shí)，焊縫下面應(yīng)設(shè)置厚度不小于4mm的墊板，墊板應(yīng)與罐底板貼緊并定位。底圈罐壁板與底板之間的焊縫非常重要，角焊縫的尺寸過大過小都不好，尺寸過小焊縫接頭強(qiáng)度不夠，尺寸過大會(huì)造成接頭剛性過大，接頭處所受的應(yīng)力會(huì)加大。應(yīng)力分析和應(yīng)力測(cè)試證明內(nèi)側(cè)應(yīng)力較大，適當(dāng)加大焊腳尺寸是有利的，但焊縫太大也不好，焊接工作量大，容易出現(xiàn)變形。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，底圈罐壁板與邊緣板之間的T形接頭應(yīng)采用連續(xù)焊。罐壁外側(cè)焊腳尺寸及罐壁內(nèi)側(cè)豎向焊腳尺寸應(yīng)等于底圈壁板和邊緣板兩者中較薄件的厚度，且不應(yīng)大于13mm。罐壁內(nèi)側(cè)的焊縫沿徑向的尺寸宜取1.0～1.35倍的邊緣板厚度。當(dāng)邊緣板厚度大于13mm時(shí)，罐壁內(nèi)側(cè)可開坡口[3]。

4.3 分段焊接法

分段焊接方法，即封底焊接方法。每段的焊接順序，以便每段的端點(diǎn)與段的起點(diǎn)重合。如果每個(gè)段的長度較短，則焊接結(jié)束并到達(dá)上一段的起點(diǎn)，兩端的溫差不大，如果每個(gè)段的長度較長，則兩端的溫差較大，或者當(dāng)線束段末端焊接到上一線束段的起點(diǎn)時(shí)，起點(diǎn)處的溫度會(huì)完全冷卻，從而導(dǎo)致較大的溫差變化。因此，為了避免在大型油罐底部焊接過程中出現(xiàn)大面積變形現(xiàn)象，各段長度不要太長，長度不要超過一個(gè)焊接所能完成的長度[4]。

5 焊接工藝的進(jìn)一步改進(jìn)

在大型儲(chǔ)油罐底板制作安裝前應(yīng)注意分析底板的結(jié)構(gòu)、焊接接頭的形式和分布情況，充分考慮焊縫的收縮量、焊接應(yīng)力的分布狀況，運(yùn)用合理的焊接工藝措施。例如，合理的焊接規(guī)范參數(shù)，合理的焊接順序，采用分段退焊和跳焊法、反變形法等綜合措施，并對(duì)焊接過程進(jìn)行有效的控制，完全能有效地控制大型儲(chǔ)油罐底板的焊接變形，取得很好的效果。目前，一些專家提出了將焊接工藝改進(jìn)為二氧化碳?xì)怏w保護(hù)自動(dòng)焊接內(nèi)件的方法，通過實(shí)驗(yàn)表面的這種方法，可以減少焊接中容易發(fā)生的彎曲變形、收縮變形、角度變形等焊接變形。

第一，收縮變形是金屬局部加熱和冷卻過程中，在金屬內(nèi)部引起不均勻的膨脹和收縮，導(dǎo)致焊接變形和應(yīng)力的現(xiàn)象。但是，如果在焊接過程中降低焊接金屬的整體質(zhì)量，收縮量會(huì)減少，建議在第一次焊接中使用自動(dòng)焊接，而不是手動(dòng)焊接。

第二，消除角變形的最佳方法是使用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，形成具有大熔化和小熔體寬度的焊縫，從而減少角變形。在罐底焊接過程中，應(yīng)遵循短焊、長焊后長焊、長焊、收縮接縫預(yù)訂、收縮接縫焊接后槽底大邊接縫焊接中的收縮接縫焊接原則。在底板焊接中，采用剛性固定方法和合理的焊接順序，防止變形。油罐底部的焊接要從中心向四面對(duì)稱焊接，分段焊接，焊工均勻分布，多個(gè)焊工同時(shí)焊接[5]。

6 結(jié)語

總之，管理焊工的焊接質(zhì)量，確保焊接材料的烘烤和正確使用，采用合理的焊接工藝，做好焊接過程控制和質(zhì)量檢查等各項(xiàng)工藝，對(duì)焊接質(zhì)量的形成非常重要。處理不當(dāng)不僅不會(huì)中斷維修，影響項(xiàng)目進(jìn)度，而且會(huì)增加檢查費(fèi)用，這要求施工隊(duì)在焊接前認(rèn)真準(zhǔn)備，制定合理的焊接工藝。在焊接過程中，控制好焊接材料的使用，認(rèn)真執(zhí)行焊接工藝，進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。焊接完成后，應(yīng)進(jìn)一步具體分析和總結(jié)焊接工藝，以便在下一個(gè)項(xiàng)目中更好地控制焊接質(zhì)量。