立式钢制储油罐焊接变形分析及控制

邢飞（中国航空油料有限责任公司贵州分公司，贵州 贵阳 550012）

立式钢制储油罐是石油化工生产中的重要设备，由于石油属于易燃易爆物质，因此对存储容器的密闭性有着极高的要求。因此，在立式钢制储油罐的制造过程中，需要对其几何尺寸进行严格控制。但是，由于其焊缝相对密集，且应力的复杂性较强，在当前普遍使用现场焊接组装的模式，提升焊接变形的发生概率，需要重点分析与控制。

1 立式钢制储油罐焊接变形的常见原因分析

第一，底板焊接的影响。当立式钢制储油罐的罐底使用搭接接头设计时，罐底与基础接触底面搭接处的焊接难度随之增大，缺口效应较为明显，且应力极为集中。在这样的情况下，为了避免立式钢制储油罐出现焊缝撕裂或断裂的情况，必须要落实底板变形量的严格控制。

第二，焊接顺序的影响。焊接顺序也关系着立式钢制储油罐焊接变形的产生概率。例如，在T型环焊缝的焊接中先展开了中幅板的焊接，或是未预留合理的伸缩缝，会促使圆面积减小，最终引发立式钢制储油罐的罐底拱起变形。

2 立式钢制储油罐常见的焊接变形问题与控制策略分析

2.1 罐底板变形及其控制

在焊接过程中，完成了中幅板一侧的焊接、产生单面收缩后，中幅板的中部以及末端收缩未产生，造成立式钢制储油罐底板的向上拱起。此时，若是不落实一定处理措施，而进行继续焊接，则会导致焊接变形的发生。为了避免上述问题的发生，可以使用刚性固定法展开焊接。针对小型、中型立式钢制储油罐，可使用现场材料压紧罐底；针对大型立式钢制储油罐，要将材料压紧罐壁底板。在展开大面积中幅板的焊接操作时，应当沿着纵向方向在接近焊缝的区域增设临时构件，以此达到其刚性的增强，有效避免焊缝、焊缝附近区域发生收缩，实现对焊接变形的控制。

为了更好实现对罐底变形的控制，必须合理安排焊接顺序，具体为：先展开收缩量大的焊缝焊接；其次落实收缩量小的焊缝焊接。通过这样的方式，能够促使焊接中承受的阻力、焊后应力减少[1]。

2.2焊缝收缩引起的角变形及其控制

在立式钢制储油罐的壁板厚度大于6 毫米的情况下，为了确保焊接效果，必须要在壁板位置开设坡口。焊接中，温度上升，由于热胀冷缩效应，在压力的作用下热影响区、焊缝金属常会发生收缩[2]。同时，在热影响区、焊缝金属冷却时，在拉力的作用下，横向收缩的均匀性下降，最终导致角变形、局部凹凸度超标等问题的发生。

在由于焊缝收缩引起的角变形控制中，需要在完成立焊缝组对后引入弧形卡板，以此达到增强局部刚性的效果。此时，应当落实的操作如下：在展开实际的焊接操作前，在每道立焊缝上焊接2-3个弧形卡板；保证卡板与立式钢制储油罐壁板之间的紧密性，并设置至少4处点固焊；在立焊缝冷却后，即可取下卡板。

2.3 包边角铁引起的角变形及其控制

为了避免包边角铁引起的角变形问题发生，应当在立式钢制储油罐壁板的吊装操作前，在距离底板10毫米处的壁板上安装膨胀圈，通过调节膨胀圈的直径将其与壁板保持在紧贴状态；使用分段跳焊法展开焊接；在环焊缝冷却后，即可松弛膨胀圈。

2.4 焊缝收缩与失稳引起的变形及其控制

立式钢制储油罐壁板层数与失稳倾向之间呈现出正比例的关系，在失稳倾向提升的条件下，立焊缝极容易出现纵向外翘或是内凹，最终形成变形[3]。为了避免由于焊缝收缩、失稳所引发的焊接变形，需要展开的操作如下：对焊接顺序进行合理安排，降低焊缝收缩变形的发生概率；在实际的焊接操作前，将两块尺寸为500×600毫米的钢板分别固定于立焊缝两端的对角线方向，使用厚度为4-6毫米的点焊固定即可。

另外，若是环缝焊接的操作不当，也会导致上述焊接变形问题的发生。此时，要结合焊缝长度完成点固焊，并尽可能保证点固焊的密集性，以此达到控制立式钢制储油罐韩焊接变形问题发生的效果。在立焊缝冷却后，即可取下加固钢板。

3 立式钢制储油罐焊接变形的控制实例探究

3.1 立式钢制储油罐组件主要焊接工艺分析

3.1.1 实际情况

某立式钢制储油罐为整体焊接结构，内直径在300毫米、壁厚为3.8毫米、长度为700毫米，斜接管使用了20钢。在该储油罐的中间位置，设置了接管与筒体45o相交的接头，焊接复杂，且对焊接焊缝的强度等有着较高要求。

3.1.2 焊接接头的结构特点

斜接管与筒体之间主要使用了单面焊的方式进行连接，此时，坡口设置在接管区域。受到端面形状不规则的因素影响，坡口的加工难度较大，必须使用专业设备完成。

3.1.3 焊接工艺

结合实际情况能够发现，该立式钢制储油罐斜接管与筒体之间的焊接复杂性较强，因此不宜使用机械化焊接。在本次焊接操作中，主要使用了手工电弧焊接的方法，焊接工艺参数控制如下：在定位焊中，极性为反极、焊材牌号与规格为J427Ф 3.2、焊接电流为100-115A、焊接电压为22-24V；在第一层次的焊接中，极性为反极、焊材牌号与规格为J427Ф3.2、焊接电流为100-115A、焊接电压为22-24V、焊接速度为每分钟120-130毫米；在第二层次的焊接中，极性为反极、焊材牌号与规格为J427Ф4、焊接电流为150-170A、焊接电压为24-27V、焊接速度为每分钟140-150毫米。

为了保证斜接管与筒体之间的角度控制高度精准，本次焊接中使用了专门的焊接定位夹；为了降低焊点弧坑裂纹的发生概率，在定位焊中使用了小电流。

3.2 立式钢制储油罐焊接变形的控制措施

在本次焊接中，焊接变形的控制措施主要有两种：第一，依托焊接夹具完成定位与固定，以此达到降低焊接变形的效果。第二，在装配过程中落实反变形措施，适当下调斜接管与筒体之间的轴线夹角大小，实现对焊接变形一定程度的抵消。

在使用焊接夹具展开立式钢制储油罐斜接管与筒体的焊接时，使用的焊接参数仍可以使用上文中提及的参数。为了确定焊接夹具的具体设计方案，笔者主要提出了12种用于控制立式钢制储油罐焊接变形的模拟方案，即有：方案一的板厚为10毫米、对流系数为40；方案二的板厚为10毫米、对流系数为45；方案三的板厚为10毫米、对流系数为50；方案四的板厚为12毫米、对流系数为40；方案五的板厚为12毫米、对流系数为45；方案六的板厚为12 毫米、对流系数为50；方案七的板厚为15 毫米、对流系数为40；方案八的板厚为15毫米、对流系数为45；方案九的板厚为15 毫米、对流系数为50；方案十的板厚为18 毫米、对流系数为40；方案十一的板厚为18毫米、对流系数为45；方案十二的板厚为18毫米、对流系数为50。同时，对这些方案均进行了模拟焊接，控制热传导模拟时间在0-12秒。

此时，得到的焊接变形结果具体有：方案一的最大变形量为0.25毫米；方案二的最大变形量为0.2毫米；方案三的最大变形量为0.24 毫米；方案四的最大变形量为0.24 毫米；方案五的最大变形量为0.19 毫米；方案六的最大变形量为0.24 毫米；方案七的最大变形量为0.24毫米；方案八的最大变形量为0.19毫米；方案九的最大变形量为0.19 毫米；方案十的最大变形量为0.23 毫米；方案十一的最大变形量为0.23 毫米；方案十二的最大变形量为0.23 毫米。能够看出，在定位板厚度、热对流传导系数发生变化时，最大变形量也有所改变，使用合适的焊接夹具能够减少焊接变形。综合多种因素，在进行该夹具的设计时，需要将定位板的厚度稳定在18毫米，以此达到更好的焊接变形控制效果。

4 结语

综上所述，立式钢制储油罐的焊缝相对密集，且应力的复杂性较强，焊接变形的发生概率较大，需要重点分析与控制。在明确焊接变形常见原因的基础上，通过对罐底板变形、包边角铁引起的角变形、焊缝收缩引起的角变形等常见焊接变形问题的控制，结合焊接夹具的合理设置与使用，达到了有效控制立式钢制储油罐焊接变形的效果，提升了石油的存储质量与安全性。