大型拱顶贮罐的倒装施工工艺

2022-06-18姜新功

石油化工建设 2022年4期

白涛姜新功

中国化学工程第十一建设有限公司河南开封 475002

中国化学工程第十一建设有限公司承建的某甲醇项目，罐区共有8 台贮罐，其中3 台最大的拱顶贮罐为甲醇贮罐（带内浮盘），容积为11663m3。此拱顶贮罐的制作工艺较为复杂，技术要求严格，焊接收缩量大，变形不易控制。在施工过程中采用科学、合理的施工方法和正确的焊接工艺，使贮罐的安装质量得到了有效控制。

1 贮罐的基本参数及结构特点

该甲醇贮罐为拱形固定顶结构，由罐底、罐壁、结构式蒙皮罐顶、盘梯、消防系统及内浮盘组成。其基本设计参数如表1 所示。

表1 贮罐基本设计参数

2 倒装法施工方法

贮罐施工方法有正装法和倒装法，大型贮罐多采用倒装方法施工。该贮罐直接在基础上采用电动葫芦倒装法进行安装。提升的重量为除去罐底和最后一带壁板的重量，共计190t。在已经安装好的罐底上，靠近罐壁内侧按圆周均匀布设24 个提升装置，电动葫芦采用额定载荷10t；操作提升装置提升罐壁后，再围焊下带壁板，如此依次组装贮罐。

3 施工程序

3.1 施工工序

施工工序：基础复测→壁板下料→罐顶加强筋，包边角钢，加强圈角钢的滚圆、调校，胀圈的滚圆及底板边缘板、壁板、单块顶板的预制（按排版图焊接成单块顶板，然后以拱顶的弧度作胎具，将单块顶板放在胎具上，已经调好弧度的加强筋扁钢按图纸要求与顶板进行焊接）→底板边缘板的铺设→边缘板外沿300mm 加垫板对焊→底板中幅板的铺设→中幅板组焊成长条带板→各长条带板之间组焊成整体中幅板→在底板上找出圆心，按半径15m 划圆作为罐壁内径，圆周均匀分布焊接“凹”形卡板，约1m 一个，使各个卡板凹槽标高相同→围焊第一带板→安装焊接包边角钢→安装环形临时支撑罐顶结构→安装罐顶板→组焊罐顶板→安装提升机构及内部涨圈、并拆除罐顶临时支撑结构→围焊第二带板→提升第一带板→组焊第一、二带板→罐内壁焊缝磨平→提升罐体，在罐壁下等圆周分布I45 的支撑凳，重新安装“凹”形卡板并找平（I45 主要用于进出罐方便）→拆除内部涨圈→依次安装各带壁板直至第7 带板→拆除I45 的支撑马凳，在罐底板上围焊第8 带板→提升罐并与第8 带板进行组焊→底圈壁板与边缘板之间的角焊缝焊接→剩余边缘板之间的对接焊缝进行焊接→边缘板与中幅板之间的搭接缝进行焊接→拆除提升机构和内部涨圈→盘梯安装→完成罐体上的开孔→罐体检验合格充水并做正、负试验及基础沉降观测→内浮盘及附件安装。

3.2 贮罐的焊接方法

罐底边缘板采用对接焊；罐底中幅板采用搭接焊；罐顶组对时，瓜瓣形单块顶板之间采用搭接焊；每带壁板之间的环焊缝采用内壁齐平外V 型坡口的对接焊。

4 贮罐预制

4.1 底板预制

（1）在罐底铺设前，根据基础上纵横中心坐标，在已验收的基础上划出十字线；以十字线为中心，以罐底放大后的直径为基准，划出边缘板外圆及边缘板位置线。

（2）在预制边缘板时，考虑到以后焊接底板收缩缝时底板产生收缩，应注意将罐底的直径放大0.1%～0.15%。所以在制作边缘板样板时，应将边缘板的弧度进行放大。边缘板的对接接头，在放样过程中应注意采用不等间隙，即内沿大、外沿小，一般内沿间隙为8～12mm，外沿间隙为6～7mm。这样在焊接底圈壁板与罐底边缘板时，可防止罐体的整体收缩使边缘板之间因对接焊缝间隙过小而出现边缘板上翘变形。边缘板下料完毕以后，要进行长度、宽度、对角线的测量，保证其在允许偏差范围之内。

4.2 壁板预制

（1）该贮罐壁板为8 带板，罐壁板从下至上板厚度：第1 带，δ=20mm；第2 带，δ=18mm；第3 带，δ=16mm；第4 带，δ=14mm；第5 带，δ=12mm；第6—8 带，δ=10mm。壁板在下料后，应测量宽度、长度、对角线和直线度，特别是直线度一定要保证，因为每块壁板上下口如果出现不直度，以后在环缝组对时会产生不等间隙，给组对和焊接造成困难。所以在下料前，应保证下料平台的平整，防止半自动切割机在工作时轨道的偏移。如果在下料后局部出现不直，要用角向磨光机进行修整。

（2）在壁板卷板中，应先将每块壁板两头部位起弧，然后进行整板的卷弧。卷板完毕还要用弧形样板进行检查。对于在卷板后两头位置出现约250mm 左右的直头现象。由于贮罐直径30m，只要每块壁板卷板后其弯曲半径不大于15m，在以后组对壁板时，就不会产生棱角现象。卷后的壁板，应放在专用的胎具上，防止变型。

4.3 瓜瓣形顶板预制

（1）罐顶板厚度为6mm，内部带加强筋。由于罐顶是由36 块瓜瓣形单块顶板组成，瓜瓣的拼焊环缝采用对接焊，相临瓜瓣纵缝为搭接角焊缝。图1 为瓜瓣型单块顶板示意图。

图1 瓜瓣型单块顶板

根据罐顶的弧度（L）和曲率半径（R），按公式α=L/ R，计算出单块顶板的弧长，然后计算出单块瓜瓣形顶板的外圆弧长（即罐顶俯视投影圆的周长/ 瓜瓣形顶板的数量+ 相临瓜瓣形顶板的搭接长度），以该弧长作为顶板展开后的弦长。根据以上得出的数据，可作出单块瓜瓣形顶板的样式；然后根据现场实际到货钢板的板幅，绘制出单块顶板组对方式。单块组对方式按图2 进行。

图2 单块组对方式示意图

（2）根据现场板幅，绘制单块顶板排版图。排版时主要注意相邻瓜瓣形单块顶板之间的环向焊缝应错开，最小距离为300mm。图3 为单块瓜瓣形顶板的一种排版样式，以现场板幅8m×2m 的钢板来进行排版。

图3 单块瓜瓣形顶板排版样式

（3）罐顶板的预制，单块瓜瓣形顶板需要进行拼接。拼接时，应在平台上进行组对。组对焊接时，应采取防变形措施，将焊缝两侧打上卡具，防止焊后出现角变形。在拼接完毕以后，应对长度、宽度和对角线进行复查。在制作顶板加强筋时，要对加强筋进行矫正，用弧形样板检查其圆弧度，满足要求后，在胎具上进行单块顶板与加强筋组对焊接，胎具应根据球形罐顶的半径制作。焊接时，在顶板径向两侧打上卡具，使顶板与胎具贴紧，加强筋与顶板要充分贴近；焊接时两侧采用双面间断焊，焊接成型完毕后，应让焊缝冷却后才能送开卡具，放置在备用胎具上。4.4 罐体型钢加工

罐体型钢的加工质量也是保证贮罐整体成型的重要条件，如罐体上的包边角钢、抗风圈、罐顶的加强筋等。特别是包边角钢，因为在组装时，角钢上沿要保证水平，为以后组装顶板创造条件。在加工型钢时，可使用卷板机使其弧度基本成型，然后转为平台上用火焰加热的方法再次调整其弧度和翘曲变形。

5 提升机构安装

甲醇贮罐采用电动葫芦提升，总提升重量为190t。电动葫芦的最大起重量为10t，须设24 个提升架，提升架高度应能满足最大宽幅壁板的围板条件。提升架按圆周均匀布置在罐壁内侧尽量靠近壁板处，提升时应保证倒链、电动葫芦的驱动机构能顺利地通过罐顶的抱杆吊装孔，不出现卡阻现象，以不碰包边角钢为宜，根据实情调整提升架与壁板的间距。抱杆背后应焊两根斜拉撑，各相对抱杆（如B1 对B13、B2 对B14）可在顶部用钢丝绳进行连接，用以平衡提升罐时产生的水平拉力，抱杆分布如图4 所示。

图4 提升机构抱杆布置图

6 贮罐组对安装

6.1 底板铺设及中幅板焊接

（1）在铺设底板前，应绘制出底板的排版图。由于贮罐的边缘板之间采用对接焊，中幅板之间采用搭接焊法，所以在绘制底板排版图时根据现场情况、相临底板之间的焊缝距离和中幅板之间的压边量来进行。其中边沿的不规则中幅板的确定应在中间幅板编排以后进行，原则是节约用料和保证相临焊缝的间距符合规范要求。在铺设时，先铺设边缘板，后铺设中幅板。第一块边缘板铺设位置宜选择在0°、90°、180°、270°位置，且从单块边缘板的纵向中心线开始；将此边缘板按中心线铺设后，分别从该板两侧铺设其他边缘板，铺设时外侧间隙宜为6～7mm，内侧间隙宜为8～12mm；当铺设到整个圆周的一半位置时，再进行另一半边缘板的铺设，铺设方法和顺序相同；边缘板铺设完毕后，进行外沿300mm 焊缝的加垫板焊接。

（2）中幅板铺设时应先铺设中间条状带板，然后进行两侧带板的铺设。铺设时应注意中幅板之间的搭接量，整个底板铺设顺序如图5 所示。

图5 底板铺设顺序示意图

（3）中幅板的焊接采用二氧化碳保护焊，主要利用其焊接速度均匀、焊后变形小的特点。在焊接中幅板时应注意，先焊接纵向短焊缝，使单块板拼接成条状带板；再进行条状带板之间长焊缝的焊接，组对条状带板时应从中心向两边隔缝进行焊接。为防止在组对相临条状带板时出现波浪变形，可采取沿焊缝长度方向进行刚性固定，以及在所有焊缝两端加防翘曲的垫板等措施。无论焊接短焊缝还是长焊缝，都要先分段焊、隔缝焊接，且要求焊工均匀分布，同向、同速、同步进行施焊。特别要注意的是，焊接底板三层钢板搭接处（底板“T”字焊缝）的焊缝前，应事先将最上层钢板敲成“Z”形折角，如图6 所示。

图6 底板三层钢板搭接处焊接

上下层之间的钢板应压实，防止该位置焊后起包变形。焊接时应先焊中层钢板与底层钢板搭接方向上的焊缝，因为该处如果焊接质量不好，最易造成渗漏。

6.2 顶板组对

（1）在第一带壁板组对焊接完毕以后才能进行顶板组对。顶板组对前，立环形同心圆支撑结构，作为组装罐顶的胎具，如图7 显示。中心支撑采用H250×250 的H型钢作为4 个支撑柱，外圆支撑杆采用脚手架杆作为支撑，相临支撑杆之间用架杆进行连接，使支撑结构成为一个整体。上部支撑罐顶板的环形结构采用[10 槽钢，安装前确定环形支撑的半径，将[10 按各个半径滚制成圆弧，然后进行焊接安装。

图7 组装灌顶的胎具- 环形同心圆支撑结构

（2）在安装环形支撑前，应对各个支撑点进行标高测量，计算出每个支撑杆的高度。测量和计算方法为：将水准仪架在罐内合适的位置，依次测量环形支撑点的标高；然后测量罐的包边角钢上沿的标高，用各个支撑点的标高减去包边角钢上沿的标高所得的差值，再加上支撑杆顶部到包边角钢上沿的距离，得出各个支撑杆的长度；然后按位置进行安装支撑杆。

（3）在组对顶板前，应先标出单块瓜瓣形顶板的中心，并在包边角钢上沿和中心支撑结构上的圆形[10 上做好标记，每块顶板的中心与之对应，这样每块顶板在组对时就可以保证相邻顶板的搭接量。一般在组对过程中，罐顶板在靠近罐壁的部分会出现局部凹陷的现象，可以采用在罐内撑、顶的方法，将凹陷顶起后再进行相邻顶板的组对焊接。焊接罐顶板时，要进行分段焊、隔缝焊接，沿同一方向进行施焊，防止焊接后应力集中在某一处产生罐顶板变形。

6.3 壁板组对安装

（1）进行第一带壁板的组对时，要进行水平度和垂直度找正。以罐底板中心为圆心，按半径15m 均匀分布“凹”形钢板作为罐壁的组对和找平的卡具，分布数量宜为1m一个。卡具的凹槽底部应都在同一水平上，采用U 型塑料管进行测量，测量时应以底板中心为基准，分别测量每个凹槽，相临两壁板上口水平度偏差不应大于2mm，整个圆周上任意位置两点水平度偏差不应大于6mm。组装时，壁板下口放置在凹槽内，凹槽内沿作为壁板成型的胎具，壁板外沿用楔子等工卡具调整，以此来保证壁板的水平度和椭圆度。下带板与上带板组对时，预制壁板弧长应适当考虑一定的余量，防止在组对时出现补板现象。

（2）壁板的焊接方式：外焊缝焊接→对背部进行气刨清根→焊接内焊缝。在焊接纵缝时，应采用在罐壁外纵缝一侧点焊纵向长背板，来控制纵缝的直线度。内缝焊接前，先进行气刨，然后在罐壁内纵缝处上下各点焊横向弧形背板来控制壁板的垂直度和椭圆度，点焊背板时要注意背板与罐壁贴紧。在焊接环缝前，应在内环缝上下壁板上点焊卡板，相邻卡板的距离在300mm 内，保证罐内壁的齐平和椭圆度。组对焊接环缝时，不应使下带壁板受上带壁板的压力，保证焊接间隙和焊后自由收缩量。焊接时应先焊接间隙小的部位，以防止焊后收缩上下壁板之间挤压产生角变形。焊工焊接纵缝时，采用分段法施焊，焊工对称分布，同时进行焊接。在焊接环缝时应按圆周均匀分布焊工，分段焊接，焊接方向应保证一致，采用变形小的焊接工艺进行焊接。对于大型贮罐，一般在对角方向留出2块活口位置，焊接方向应向活口纵缝位置进行，如图8 所示。

图8 壁板焊接

（3）在焊接环缝时，焊至活口“T”字缝位置时，该活口纵缝左右各留出约1m 环缝不焊，先进行纵缝的焊接。如果留出的环向焊缝过短，在焊接该纵缝时，焊后“T”形缝位置的收缩量就很明显，“T”形缝会出现内凹的现象。在焊接“T”形纵缝时，应注意在其下部的环缝处起弧，在其上部的环缝处收弧，并在焊接环缝前将起、收弧处的焊缝磨掉，修磨坡口，以保证“T”形位置的焊接质量。纵缝焊完以后，再进行剩余活口位置环缝的焊接，力求将焊接变形减小到最小。在壁板组对时，罐壁的某一位置可能会有一块短板，活口位置尽量不要在该短板上留取。因为短板上如果留取活口，以后在割除活口后，该壁板将会产生直头现象，而且该壁板越短，直头现象越严重，焊后将产生棱角，影响罐体的椭圆度。在绘制排版图的过程中，应尽量使相邻纵缝之间的距离增大，因为间距过短的话，组对后也有产生角变形的可能。在组对的过程中，在相临壁板的纵缝上口塞入楔子卡具，减小在焊接罐壁外部纵缝时由于焊后焊缝收缩而产生内凹现象。在纵缝未进行焊接盖面前，里口的纵缝应进行气刨，气刨后由于焊接应力减小，内凹现象将会减小或者消除，从而利用钢板自身的焊接特性进行修正。

（4）进行壁板的提升前要进行提升胀圈的安装。胀圈采用[22，卡具、刀把卡、挡板采用δ=20mm 的钢板。安装时应用弧形样板对胀圈弧度进行检查，胀圈位置尽量靠近每带壁板的下沿，一般距底端50～100mm。因胀圈胀紧后，其强度比壁板的强度大，不易变形，可防止壁板焊后环缝内凹的现象。采用“刀把形”卡具固定胀圈并作为提升用的吊点，相临胀圈之间用千斤顶顶紧，保证提升时胀圈与罐壁紧贴。如图9 所示。

图9 胀圈安装

6.4 底板边缘板焊接

（1）弓形边缘板的焊接顺序为：边缘板外沿300mm部位的焊缝→底圈壁板和边缘板之间的角焊缝→焊接边缘板之间的对接焊缝、中幅板的对节焊缝→焊边缘板与中幅板之间的搭接焊缝。

（2）底圈壁板和边缘板之间的“⊥”形角焊缝进行焊接时，宜先焊接罐壁内侧的焊缝。焊接前，为了防止边缘板在焊接后因受热上翘，可以在最底圈壁板和边缘板上焊临时支撑，以减小角焊缝时边缘板产生的上翘变形。焊接前，应注意把各个边缘板之间的焊缝间隙清理干净，因为该焊缝是收缩缝，焊后罐体要整体收缩，以防止边缘板因收缩缝间隙过小而产生上翘变形。在焊接该焊缝时，焊工按圆周等距离均匀分布、同一方向施焊，采用分段退焊、隔段跳焊的方法进行，各个焊工的焊速要基本一致，防止罐体产生不均匀局部收缩变形。

（3）焊接边缘板之间的对接焊缝、中幅板与边缘板之间的搭接焊缝时，焊工要沿圆周均匀分布，按同一方向进行施焊，严格控制焊接变形。