組合焊法在油罐焊接上的應(yīng)用研究

毛文軍，宋杰

(中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司，四川 資陽(yáng) 641301)

國(guó)內(nèi)某公司在2017年年底，簽訂了某國(guó)150MW電廠EPC項(xiàng)目，此項(xiàng)目是第三個(gè)在該國(guó)當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)的電廠項(xiàng)目，工期11個(gè)月，項(xiàng)目里的油罐區(qū)由11個(gè)獨(dú)立儲(chǔ)油罐組合而成，單體容積最大為4000m3，總?cè)萘?.32萬(wàn)m3。儲(chǔ)油罐的高質(zhì)量焊縫要求和巨大焊接工作量是電廠建設(shè)按期完工的難點(diǎn)。

根據(jù)前期在該國(guó)建設(shè)的Katakhali,Rajshahi（簡(jiǎn)稱(chēng)K廠）和Shantahar,Naogaon（簡(jiǎn)稱(chēng)S廠）的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)效果反饋，該國(guó)惡劣的氣候條件下、露天制作、低效率的當(dāng)?shù)睾腹ぜ肮て诰o，導(dǎo)致無(wú)損檢測(cè)一次通過(guò)合格率較低；且管路內(nèi)部飛濺、焊豆等不滿足送油管路內(nèi)部清潔度要求；焊縫質(zhì)量無(wú)法保證，造成大量的返修、返工，對(duì)項(xiàng)目竣工造成了的較大的影響和損失。儲(chǔ)油罐如果在進(jìn)燃油后出現(xiàn)因焊縫質(zhì)量問(wèn)題而造成泄漏，返修極其困難，特別是容積較大返修焊前置換時(shí)間和成本難以承受。另外，如果工期延誤，會(huì)對(duì)業(yè)主方造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為提高焊縫質(zhì)量和焊接效率，取消原單一的焊條電弧焊或鎢極氬弧焊焊接儲(chǔ)油罐的方式，油罐罐體采用焊條電弧焊(SMAW)+藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（FCAW）組合焊接方法，管路部分采用鎢極氬弧焊（TIG）+藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（FCAW）的組合焊接方案。

圖1 在建的儲(chǔ)油罐

圖2 進(jìn)油后的油罐區(qū)

1 焊接方案介紹

1．1 組合焊法方案

方案1：焊條電弧焊(SMAW)+藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（FCAW）組合焊接方案，SMAW焊接完根部焊道后采用FCAW進(jìn)行填充及蓋面焊道，反面需清根后采用SMAW進(jìn)行封底焊接。主要用于儲(chǔ)油罐罐壁的焊接（罐壁的環(huán)、縱焊縫）。

方案2：焊條電弧焊(SMAW)+藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（FCAW）組合焊接方案，與方案1的區(qū)別在交叉焊縫處所有焊道采用SMAW焊接，焊接長(zhǎng)度以交叉點(diǎn)計(jì)算各方向大于250mm，長(zhǎng)直焊縫采用FCAW（罐底、灌頂搭接焊縫）。

方案3：鎢極氬弧焊（TIG）+藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（FCAW）的組合焊接方案，用于無(wú)加強(qiáng)板管道的焊接（管口對(duì)接焊縫）。

1．2 FCAW藥芯焊絲氣體保護(hù)焊進(jìn)行填充及蓋面焊接方案與原SMAW焊條電弧焊焊接方案對(duì)比分析

（1）FCAW藥芯焊絲氣體保護(hù)焊采用氣渣聯(lián)合保護(hù)，半自動(dòng)焊接易操作，焊縫成形美觀，電弧穩(wěn)定性好，相對(duì)焊條電弧焊飛濺少且顆粒細(xì)小，焊縫藥皮去除容易，有效地減少了焊縫的打磨量，每次焊接的焊縫長(zhǎng)度不受焊接材料限制，焊接接頭數(shù)量比焊條電弧焊減少2～3倍，有效地減少焊接接頭熔合不好的問(wèn)題，可明顯地提高焊縫質(zhì)量。

（2）FCAW藥芯焊絲氣體保護(hù)焊焊絲熔敷速度快熔敷效率(80%～85%)，其生產(chǎn)效率比SMAW焊高3～5倍，無(wú)須對(duì)焊材進(jìn)行烘烤，輔助時(shí)間僅焊條電弧焊的50%，可有效減少電廠建設(shè)工期（TIG熔深淺，熔敷速度小，生產(chǎn)效率極低在此不做比較）。

（3）焊材利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)SMAW，同樣重量下，焊絲比焊條性價(jià)比更高，可有效地降低焊接成本。展望， 2017， 27(28)．

圖3 FCAW藥芯焊絲氣體保護(hù)焊，橫焊縫蓋面，焊縫未打磨

圖4 SMAW焊條電弧焊，橫焊縫蓋面，焊縫修磨后

2 工藝分析

2．1 原材料焊接性分析

儲(chǔ)油罐為全焊接結(jié)構(gòu)，罐體采用板厚6～20mm的Q23 5B-GB/T700鋼板，是焊接性最好的鋼種應(yīng)用最廣泛的材料，在此不做分析。

2．2 結(jié)構(gòu)焊接工藝分析

儲(chǔ)油罐因其結(jié)構(gòu)和作用必須保證罐體的密封和焊縫的抗腐蝕能力，焊縫質(zhì)量及焊接應(yīng)力必須得到有效的控制，通過(guò)分析采用合理搭配焊接方法、組裝焊接順序和合理的焊接順序才能保證儲(chǔ)油罐的整體質(zhì)量。

圖5 4000m3儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)

2．2．1 結(jié)構(gòu)分析

儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)由罐壁、罐底、灌頂、及油罐附件組成，體積較大，以4000m3儲(chǔ)油罐為例，該油罐罐體高度19426mm，直徑18150mm，焊縫總長(zhǎng)度超過(guò)1500m。由于焊縫集中焊接變形較大，儲(chǔ)油罐筒體結(jié)構(gòu)采用單層鋼板內(nèi)部無(wú)任何支撐，整體偏軟易形成局部凸起和凹陷，焊后罐壁垂直度偏差＜49.6mm，罐底圈水平半徑偏差±13mm等尺寸要求難以保證。

2．2．2 控制措施

（1）底板制作

底板結(jié)構(gòu)主要由中幅板和弓形外圈板組成。焊縫大多為搭接接頭，由于焊縫密集，組裝時(shí)罐底的排版直徑按設(shè)計(jì)直徑放大1‰～2‰，補(bǔ)償焊接收縮；采用了方案2進(jìn)行焊接，對(duì)比原有方案有效的減少了焊接應(yīng)力和提高了2～3倍的焊接效率；為了確保焊縫質(zhì)量，對(duì)罐底T字焊縫100%進(jìn)行磁粉探傷，在罐體充水實(shí)驗(yàn)完成后，再次100%磁粉探傷確認(rèn)，所有罐底焊縫100%進(jìn)行真空檢驗(yàn)，對(duì)弓形外圈板300mm焊縫采用超聲波探傷。

中幅板（下圖中編號(hào)1～23）的焊接，先采用焊條電弧焊焊接T字焊縫3個(gè)方向長(zhǎng)250mm焊縫，焊接引熄弧處避開(kāi)T字接頭處50mm以上，采用2層3道焊縫，每道相鄰焊縫錯(cuò)開(kāi)50mm以上，以便與后期長(zhǎng)焊縫分層熔合。長(zhǎng)直焊縫全部采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊，焊接順序采用4人對(duì)稱(chēng)從中間向4周外圓退焊，先橫后縱的原則。整個(gè)焊接過(guò)程不對(duì)底板進(jìn)行約束，任其自由伸縮來(lái)減少焊接應(yīng)力。

圖7 中幅板T型焊接接頭結(jié)構(gòu)

圖6 底板排版圖

周圈弓形板（底板排版圖編號(hào)（1-1）*12）鋪設(shè)完成后直接點(diǎn)焊在中幅板上，弓形板之間的對(duì)接焊縫僅焊接外側(cè)300mm，該部位為罐壁板安裝位置，完成后進(jìn)行超聲波探傷合格后底板主體完工，該焊縫其余部分和與中幅板間焊縫，在罐體全部焊接完成后最后進(jìn)行焊接，以此獲得最小的焊接應(yīng)力。所有焊縫交叉部位均采用焊條電弧焊，長(zhǎng)直焊縫采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊提高焊接效率和更小的焊接應(yīng)力。

圖8 底板完工的情況

（2）壁板制作

罐壁由8～16mm Q235B鋼板制作，共12層，有11層1500mm寬鋼板和1層500mm鋼板，每層由6張鋼板組成，形成13道共734.5米環(huán)焊縫和72道共69米縱焊縫，由于焊縫密封要求高，焊接量大，因此焊接采用了方案1。油罐組裝采用倒裝法先安裝11層-12層-10層-9層直到1層。

為了控制焊接變形，罐壁焊接采用6人對(duì)稱(chēng)分段退焊（約600mm分段）的方式，先縱焊縫后環(huán)焊縫，這樣焊縫變形均勻，防止罐壁局部凸出和錯(cuò)邊量超差。

為了確保焊縫質(zhì)量對(duì)焊縫進(jìn)行射線探傷(RT)，縱向焊縫壁板，底圈壁板≤t10取300mm，＞t10取2處300mm，其中一處靠近底板；每一焊工每種板厚，最初3m焊縫內(nèi)取300mm；環(huán)向焊縫壁板，每一焊工每種板厚，最初3m焊縫內(nèi)取300mm，后期每60m取300mm；焊縫內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)不合格時(shí)，應(yīng)延長(zhǎng)300mm補(bǔ)充檢測(cè)。

圖10 焊縫接頭形式圖

2．2．3 灌頂制作

罐頂由8mm Q235B鋼板制作，共24個(gè)扇形板及1件中頂板形成拱頂，搭接焊縫與底板中幅板焊接類(lèi)似，因此，采用方案2進(jìn)行焊接，由6名焊工對(duì)稱(chēng)從中間頂部向下的方式，灌頂結(jié)構(gòu)主要是防止雨水的進(jìn)入和足夠的強(qiáng)度。

圖11 管頂板排版圖

圖12 灌頂扇形板焊接圖

2．2．4 管路制作

管路采用流體用無(wú)縫鋼管，其規(guī)格較多從DN15～DN250，DN80以下采用TIG焊接；DN80以上的管道對(duì)接焊縫采用方案3進(jìn)行，其效率和質(zhì)量都有較大的提升。

3 儲(chǔ)油罐的焊接

3．1 焊接技術(shù)工藝要求

表1 罐壁的焊接參數(shù)表

新增焊接工藝規(guī)程：新增方案1的組合焊接方法的焊接工藝評(píng)定及工作試件，編制組合焊法的焊接工藝規(guī)程（WPS），確保焊接工藝評(píng)定覆蓋率100%。

技術(shù)交底：焊接前根據(jù)焊接工藝規(guī)程（WPS）對(duì)所有參加焊接的焊工進(jìn)行技術(shù)交底，合理調(diào)配組合焊接方法的焊工工作范圍。

焊接方案：強(qiáng)制要求罐體密封相關(guān)焊縫全部采用多層或多層多道焊接；儲(chǔ)油罐的焊接采用上述方案1～3。

修補(bǔ)要求：臨時(shí)焊接工裝去除后，非焊縫上的缺陷極易漏檢，母材的傷疤必須進(jìn)行仔細(xì)檢查并及時(shí)修補(bǔ)；焊縫超差缺陷嚴(yán)格按焊接工藝要求補(bǔ)焊，同一部位返修不宜超過(guò)2次，若超過(guò)2次須提報(bào)技術(shù)總負(fù)責(zé)。

3．2 焊接準(zhǔn)備

人員要求：焊工必須具備相應(yīng)的焊接工作經(jīng)歷和資質(zhì)證明，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)焊接的實(shí)作考試，通過(guò)后給予電廠建設(shè)相應(yīng)焊接資質(zhì)許可證書(shū)，方可從事本項(xiàng)目的焊接。

焊接材料要求：母材為Q235B，根據(jù)等強(qiáng)原則及焊縫的抗裂性要求，焊條選用GB/T5117 E4315老牌號(hào)J427焊條，焊條使用前應(yīng)按要求進(jìn)行烘干，焊工配備保溫桶，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)間不超過(guò)4小時(shí)。專(zhuān)人負(fù)責(zé)保管和發(fā)放、回收，焊藥脫落、焊芯生銹及受潮較重的焊條不得使用；藥芯焊絲選用AWS E701T-1C JQ.YJ501-1；保護(hù)氣體采用100%CO2。焊材保管室室內(nèi)相對(duì)濕度不大于60% 。

環(huán)境要求：雨天或風(fēng)速超過(guò)8m/s時(shí)；大氣相對(duì)濕度超過(guò)90%沒(méi)有有效防護(hù)的情況下嚴(yán)禁焊接施工；焊接前檢查組裝質(zhì)量，坡口及兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污應(yīng)全部清除干凈，并露出金屬光澤。

3．3 焊接參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

采用以上3個(gè)焊接方案，焊縫射線探傷合格率有較大的提高，一次檢測(cè)合格率達(dá)到95%以上，合理靈活的選用組合焊接方案，充分利用每種不同焊接方法的長(zhǎng)處，有效地提高了焊縫質(zhì)量。組合方案的運(yùn)用，極大地減少了焊條電弧焊焊縫接頭數(shù)量過(guò)多、打磨清理困難、工作效率極低等問(wèn)題，對(duì)儲(chǔ)油罐的制作影響深遠(yuǎn)；降低了焊工數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境，整體工作效率提高了2～3倍，保證了電廠建設(shè)工期。

焊條電弧焊用量的大福降低，有效地減小了結(jié)構(gòu)的焊接變形及應(yīng)力，配合合理的焊接順序和組裝-焊接順序，較大地降低了儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中。

組合焊接方式的成功運(yùn)用，有效地保證了儲(chǔ)油罐焊接質(zhì)量的高可靠性。