石油储罐罐底施工焊接工艺探讨

2012-01-27王玉福许惠良郑敬党

中国科技信息 2012年8期

关键词：垫板壁板储罐

王玉福许惠良郑敬党

辽宁建设安装集团有限公司，沈阳 110027

石油储罐罐底施工焊接工艺探讨

王玉福1许惠良2郑敬党3

辽宁建设安装集团有限公司，沈阳 110027

罐底板是整个储罐的关键部位，防止和减少罐底板变形关系到整个储罐制作安装的成败，罐底板的焊接变形会降低储罐的承载能力及稳定性，甚至使罐底底板报废。因此将以下的控制措施引入到工程实际，很好的解决了罐底板的焊接变形。

油罐施工；焊接变形；罐底施工

引言

随着石油化工及石油储运工程的不断发展，大型油罐得到越来越广泛的应用。罐底的焊接变形是影响油罐制造质量的一项重要因素，过量的焊接其变形部位会在罐内油位上升和下降的过程中不断地弯折罐底板焊缝及热影响区，极易造成这些部位的疲劳断裂从而引发事故，故而GB 50128—2005要求：罐底焊接后，其局部凸凹变形的深度，不应大于变形长度的2%，且不应大于50 mm。在某工程的10000m3油罐施工中，工程技术人员采取了一系列合理的技术措施，有效控制了罐底板的焊接变形。

1 工程实例

1.1 工程概况

10000m!立式圆筒形拱顶钢制焊接储罐，罐体直径30m，罐壁总高14.2m。

罐底边缘板材质为12MnNiVR，厚16 mm；中幅板材质Q235B，厚10mm。各层壁板厚度8mm至20mm，顶板厚度为6mm，罐体总重量250t。工程任务：罐体各层壁板及罐顶的安装，采用气压顶升倒装工艺进行施工。焊接工艺采用二氧化碳气体保护焊打底，手工电弧焊盖面。

1.2 施工准备

1.2.1 工程用料和措施用料

(1) 工程主要用料有：罐底中幅板δ=10mm，36t；边板δ=16mm，14t；罐壁板δ=8～20mm，160t；罐顶板δ=6mm，40t。

(2) 措施用料主要为：顶板与壁板胎具用料、胀圈用料、支撑管和弧形卡具等用料。即钢板、管材和道木等材料。

1.2.2 主要机具主要施工机具为：汽车起重机、3万立方米/小时离心风机、平衡装置、电焊机、真空泵、气焊机具等。

1.2.3 现场作业准备及条件

(1) 储罐基础的标高、坡度、直径进行复测验收，并办理中间交接的验收工作。

(2) 对储罐半成品和型钢构件进行几何尺寸复测，核查材料的质量证明书，并同时办理中间交接的验收工作。

(3)施工现场的吊车道路畅通，各种胎具和措施。

1.3 罐底板的铺设和组对

储罐底板是由多块条型中幅板和多块弓型边缘板拼接而成，是整个储罐受力最大的部位。其焊接特点为：直径大、板薄、钢板厚度与储罐底的宽度之比很小，刚度差，焊缝数量多，焊接应力大，易产生焊接变形且变形量大，控制难度大。因此分析焊接变形的机理及各种影响因素，掌握其变化规律，采取有效的减少变形措施，控制罐底的焊接变形，确保储罐罐底的制作质量，是整个储罐制作的重要环节。

底板的边缘板之间、中幅板之间以及边缘板与中幅板之间均采用了带坡口的对接焊结构，对接坡口采用了55°～60°的坡口，有效减少了焊接过程中的热输入。边缘板组对采用了不等距的楔形间隙，从边缘到中心间隙为6～11 mm，以避免边缘板与壁板大角焊缝焊接收缩对边缘板对接短焊缝产生挤压及变形。中幅板采用了中心对称向两边铺设的办法，为将来采用对称焊接提供了保证，最后与边缘板连接的龟甲板下料时应搭在边缘板面上30～50 mm作为预留收缩量，在所有中幅板焊接完毕后再加工龟甲板与边缘板连接处对接坡口。中幅板对接焊缝底部铺设有垫板，相邻两块垫板的对接焊缝下面还设有二次垫板。在组对过程中，垫板与中幅板之间用电焊进行固定，要注意的是，垫板只能与一侧的中幅板进行点焊，而使另一侧的中幅板保持自由。

1.4 制定合理的排版设计方案

(1)罐底板的排版直径按其设计图纸直径放大0.15～0.2%，以补偿焊缝的纵向和横向焊接变形收缩量。

(2)尽量选择大规格钢板。由于焊缝的纵向收缩量与焊缝长度成正比，采用大规格钢板后，罐底板的焊缝长度大量减少，纵向收缩变形也相应地减少，同时减少焊接工作量，降低材料消耗，节约人力和物力，缩短工期，提高效益。

(3)采用带垫板的对接焊缝或者Z形搭接焊缝，相当于钢板在焊接位置增加了加强筋，增强了底板的结构刚度，抵抗失稳变形的能力得到加强，使横向收缩变形与角变形变小，同时避免因为提高刚度而增加罐底板整体厚度而造成施工成本的浪费。

(4)罐底板排版时，长焊缝应沿着罐底中心线排列对称，弓形边缘板以罐底的圆心为中心对称布置，这可以相互抵消大部分焊接变形，也为防止变形工艺措施的有效控制创造有利条件。

1.5 罐底板的焊接

1.5.1 罐底板焊接变形形成的机理

（1）焊接局部的、不均匀加热和构件的刚性约束

焊接过程是对焊件进行局部、不均匀的加热过程，焊接时，高温区域（焊缝及焊缝的焊接侧）受热膨胀，受周边低温区域的刚性阻碍而不能自由伸长，产生热塑性变形，冷却时，高温区域因热塑性变形而产生收缩量大，低温区域产生收缩量小，这种不平衡的内部收缩导致底板产生凝缩应力和凝缩变形。

（2）金相组织的转变

焊接时，高温区域的组织由珠光体变成奥氏体，冷却后，奥氏体转变为混合体，如珠光体加索氏体、索氏体加屈氏体等，甚至转变马氏体，且焊接的加热与冷却速度都较快，焊后组织极不均匀，因此，焊缝及热影响区的硬度和脆性随之增大，延伸率和断面收缩率也随之加大，底板产生组织应力和组织变形。

凝缩变形和组织变形的共同作用，使底板产生纵向收缩变形和横向收缩变形，通过这两种变形引起底板的各种变形，如收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等，而罐底的焊接变形主要是收缩变形、角变形、波浪变形。

1.5.2 边缘板组对完毕后，先焊接外侧300 mm 部分，该部分焊缝与垫板点焊定位后，在下部用垫铁垫起30～35 mm 高做反变形，在这段焊缝焊接完成后，进行射线无损检测，合格后撤去垫铁；其余部分的对接焊缝作为收缩缝，待边缘板与第一圈罐壁板大角焊缝焊接完毕后再焊接此作为收缩缝的焊缝，边缘板的焊接还应采用多名焊工均匀分布的对称焊接法。在中幅板焊接过程中，为防止焊接变形，通常的做法是在通长焊缝及单张板长焊缝一侧使用安装龙门板加背杠进行加固。这种做法虽然能在一定程度上控制变形，但是也会同时在焊缝部位形成较大的残余应力，会对储罐的安全使用产生一定影响。在撤掉背杠后，部分变形还会释放出来，还需要采取措施进一步进行处理。本工程在中幅板焊接过程中，没有采用背杠来强行控制变形，而使通过合理的焊接顺序和焊接工艺使变形得以良好控制。

中幅板的焊接原则应按照先短缝，再中长缝，最后通长缝的焊接顺序，焊接方向应从中心向边缘施焊，中幅板的焊接也应采用多名焊工均匀分布的对称焊接法。在短缝和中长缝焊接时，应跨通长缝在丁字接头两侧点焊固定块，并且靠近通长缝的150mm短缝和中长缝先不焊，以免对通长缝的组对间隙产生影响，这段焊缝在通长缝底层焊道完成后再进行焊接。

在短缝和中长缝焊接完成后，尽管看不出明显的收缩变形，但由于约束作用已经在罐底板中产生了较大残余应力。在通长缝焊接前从中心开始先将6～8 m 范围内的固定块打掉，这时残余应力得以释放，产生的小变形可以用楔铁压下去，这时就可以焊接通长缝了。此后按照同样的办法从中心向外每次按6～8 m分段将整个中长缝焊完。通长缝初层焊接完成后，才能进行短缝和中长缝丁字口剩余150mm 焊缝焊接。

1.5.3 边缘板与底圈罐壁板大角焊缝的焊接

边缘板与底圈罐壁板大角焊缝的焊接一般在底圈壁板与第二圈壁板焊接完成后进行。大角缝焊接时应在第一圈壁板和边缘板间设置斜撑，斜撑一般由角钢制成，必须在罐底板全部焊接完成后方可拆除，其作用主要是：

(1) 控制第一圈壁板的椭圆度；

(2) 防止焊接大角缝时边缘板产生焊接变形。

斜撑间的距离为1.8～2.0m，上一点在第一圈壁板上，离环缝500mm 处，下一点在距离龟甲缝400 mm 处为最佳。大角缝焊接全部完成后，才能进行边缘板剩余部分的对接焊缝的焊接，待此焊缝全部焊接完毕后，才能组对并焊接龟甲缝。一定按照此焊接顺序进行，否则如果边缘板剩余部分的焊缝和龟甲缝同时进行焊接，就会产生严重变形。