立式儲罐施工常見變形及其控制措施

李文(中石化河南油建工程有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著我國石油儲備基地的快速建設，大型鋼制儲罐的建設將日益增多。目前我國使用最廣泛的是立式圓形儲罐，按罐頂的結構形式分為固定拱頂罐、內浮頂罐、外浮頂罐三種。立式儲罐容積從幾百立方米至幾萬甚至十幾萬立方米，體積龐大，因此，通常是把儲罐主體材料和各部件預制成半成品或成品，再運到安裝現場進行組裝。一般立式儲罐都有多層安裝焊接而成，安裝焊接方法視罐容和建設方要求會有所不同，如何確定恰當的安裝焊接工藝是有效控制儲罐變形是快速建造成合格產品的關鍵。

1 儲罐施工變形的原因分析

通過對大型常見儲罐變形部位和形式的對比，儲罐變形大多是由于罐板預制不合理、組裝反變形措施不力和焊接工藝措施不恰當等原因造成的，大多數變形都出現沿焊縫周邊發生，如“T”型焊縫、焊縫返修部位，焊縫集中的補強板部位、應力無法釋放部位均易發生變形。

由于組成儲罐鋼板的剛度差，壁板施工時常常會采用內部脹圈、傘型架、弧板等工裝，以增強薄壁板剛度和便于成型 。組裝時常常通過罐板壁和工裝契子嚴密控制儲罐變形，因此，工裝幾何尺寸和數量多少是造成儲罐變形一個原因。

罐組裝時由于下料尺寸偏差或操作工人的技術能力差異，會出現組裝間隙不一致或用強力組裝現象，也會引起儲罐變形。 焊接時不合理的焊接順序和焊接工藝，不能有效的消除焊接應力和附加應力影響，也是引起儲罐變形的原因。綜上，儲罐施工變形的原因主要有以下幾點：

1.1 罐板的預制

罐板的下料工藝不合適、尺寸出現誤差、罐板卷制過程直邊或弧度出現偏差切割造成的變形沒有及時矯正等都會導致儲罐安裝后發生變形。

1.2 儲罐組裝的施工工藝

儲罐由于直徑較大、板材厚度較薄，焊縫多，焊接量較大。施工過程若沒有采用排版、合理的焊接順序剛性固定、反變形等有效措施，極易造成儲罐變形，常見變形組裝不合適容易形成以下變形：一是底板局部便會產生起拱、鼓包顯現等，焊接應力難以釋放；二是壁板縱縫、環縫局部會凹陷或者出現扁平。

1.3 焊接產生的變形

焊接線能量大時候焊接熱輸入大，板材局部加熱會使焊縫熱影響區受到影響，焊接熔池熱影響區鋼板熱膨脹會受到限制，從而產生焊接變形。冷卻時，已發生變形部分又會受到周圍材料制約，限制其自由收縮從而產生變形。實際上焊接熔池凝固和焊縫周邊金屬冷卻收縮也會產生收縮拉應力，從而引起變形。可見，焊接順序安排不合理、焊接方法選擇不當、焊接工藝參數不合適、焊接反變形措施不當等都會造成儲罐變形。

2 儲罐施工變形控制技術

儲罐施工變形控制大同小異，下面以2萬立方米雙盤式浮頂儲罐為例進行變形控制技術介紹。由于運用采用機械頂升法倒裝施工方法可以大幅減少高空作業、降低勞動強度，而且由于作業難度降低，有利于控制儲罐施工過程中產生的變形。同時可縮短工期，提高施工安全保證。施工中，依據需頂升的罐體重量，選用32個電動機械10 t級千斤頂均布于罐壁四周，通過頂升脹圈以提升罐體。在提升罐體的同時進行包邊角鋼、抗風圈、加強圈、平臺盤梯支架及冷淋系統的安裝。

2.1 選取合適下料方法，嚴格控制罐板預制精度

下料、預制是控制儲罐施工變形的基礎及前提條件，要求嚴格認真核對圖紙，排版圖必須經施工單位技術總工及監理單位審核合格后方可實施，同時避免下料尺寸出現誤差及罐板卷制過程中形成的直邊或弧度出現偏差。

2.1.1 罐板下料

罐壁板能采用機械切割機的盡量采用切割機，不能的可以采用等離子切割機或半自動火焰切割，切割后要用角向磨光機清除氧化物，并磨出組裝的坡口。

(1)預制前，對鋼板的材質、規格進行核對，確認無誤后才能下料預制，待用的鋼板應放置平整，預制鋼板坡口應無分層、卷邊、溶渣、油污等缺陷。

(2)罐壁板下料后用卷板機進行卷弧，輥的軸線與壁板長邊相互重直。壁板預制加工完成后，同時復核直線方向、弧度方面尺寸誤差是否符合要求。

(3)在壁板弧度加工中既要注意復核是否存在過度滾弧，又要防止壁板兩端出現平直段。對壁板兩端容易出現平直段的地方，可以采取襯墊板的方法滾圓，無法襯墊板的，加工后應將不滿足弧度要求的部分割掉。

2.1.2 罐底板預制

罐底板預制前，排版圖的制作既要符合設計圖紙、也需結合現場鋼板型號尺寸。排版圖制作完成后，應復核是否滿足以下幾點：

(1)沿底板半徑方向的弓形邊緣板長度最小應達到700 mm。

(2)中幅板尺寸應滿足長2 m、寬1 m，測量邊緣板與中幅板任意兩條焊縫應至少保持300 mm間距。

(3)罐底弓形邊緣板的尺寸測量部位如圖1所示，允許偏差應符合如表1所示的規定：

表1 罐底弓形邊緣版尺寸允許偏差

圖1 罐底弓形邊緣板測量

2.1.3 罐壁板的預制

罐壁板應根據排版圖的要求進行預制，預制后復核以下幾點：

(1)每層壁板的立縫間距最小應滿足300 mm，同時應符合同向錯開，間距不小于板長的1/3的要求。

(2)底層壁板的立焊縫與罐底邊緣板的對接焊縫滿足不低于300 mm要求。

(3)包邊角鋼接頭焊縫與頂層壁板立縫間的距離，不低于200 mm。

(4)壁板預制加工的誤差應控制在表2的加工要求范圍內，如表2所示。測量部位應符合如圖2所示的規定。

表2 壁板預制加工要求

圖2 壁板尺寸測量部位

2.1.4 浮頂的預制

浮頂的底板、頂板預制要求同罐底板，浮頂的邊緣板預制要求同罐壁板，浮頂底板和頂板預制后，應用直線樣板檢查，水平度不應大于4 mm。

2.1.5 構件的預制

(1)抗風圈等構件預制成型后，用相應樣板檢查，弧度方向間隙、翹曲變形量均不得超過允許范圍。

(2)采用加熱方法煨制加工的構件，要控制好加熱溫度。

(3)預制浮頂支柱時，宜預留調整裕量。

2.1.6 鋼板預制檢查

鋼板預制完成后，直線方向用不低于1 m長的樣板、弧度方向用不低于2 m長的樣板進行檢查。

壁板滾圓后，應放在平臺上用適量長度的樣板進行檢查，其水平方向間隙不應大于4 mm，壁板寬度方向檢查后間隙不超過1 mm。卷制好的罐壁板用胎具運輸和存放。

壁板胎具制作如圖3所示。

圖3 壁板胎具制作圖

2.2 采取有效的控制變形組裝工藝

2.2.1 罐底組裝

底板鋪設前，應以基礎圓心為基點畫出垂直平分線。根據審查合格的排版圖，以圓心為基點，按照由內向外的順序進行底板鋪設。第一塊鋪設在圓心位置，鋪設完成后，要校核其位置誤差范圍，誤差以水平方向和垂直方向不超過2 mm為合格。中心板鋪好后，找出中心線，并做出明顯標志。鋪板時，應確保搭接寬度、搭接間隙符合相關要求，三層底板重疊處位置應將上層底板切角或打磨。在鋪板過程中，先點焊短焊縫。罐底板的鋪設須嚴格按照排版圖的要求進行，以保證儲罐幾何尺寸的正確性，其變形的控制主要取決于焊接的順序及方法，焊接時應從內向外、從中間向兩端，先焊后長。焊工對稱布置，采用跳焊或分段退焊，同時進行[1]。

2.2.2 壁板組裝

為避免下料及預制中出現的誤差超標，而導致儲罐在組裝焊接過程中出現變形。組裝前應對壁板進行復核，確保變形量在允許范圍內。

罐壁組裝應符合下列要求：

(1)不同壁厚壁板組對時，應確證其內壁平齊。縱向焊縫錯邊量≤板厚1/10，且≤1.5 mm；壁板厚度≤8 mm時環向焊縫錯邊量任何一點的錯邊量均不得大于1.5 mm。壁板厚度＞8 mm時，任何錯邊量均不得大于2 mm[1]。

(2)鄰近底圈壁板上端水平差及在整個圓周上任意兩點水平的允許偏差均應符合規范要求。

(3)底圈板的鉛垂度誤差≤3 mm，其他各圈板的鉛垂誤差≤該圈壁板高度的0.3%[2]。

(4)壁板組裝焊接后，焊縫的角變形和局部凹凸變形用長1 m的弧形樣板和直線樣板檢查。

2.2.3 第一圈壁板組裝

(1)將壁板放至預先安裝好的定位槽鋼的卡口內，內架支撐桿(φ76×4)固定(如圖4所示)，底部加楔塊固定，相鄰兩塊壁板間的縱縫使用“U型板”以控制立縫的角變形。U型板：主要應用于罐壁立縫的控制變形，每道立縫間隔600 mm使用一組。

圖4 第一圈壁板組裝圖

(2)必須將第一圈所有壁板以及包邊角鋼全部組裝完成進行點焊，支撐桿和“U型板”設置完成后，方可進行立縫焊接，先焊外側后焊內側，多名焊工對稱同時焊接，分段跳焊。由于整個罐壁板及包邊角鋼已形成為一個整體，同時支撐桿和“U型板”的應用，可以有效控制罐體在焊接工程中的變形。

2.2.4 其余各圈壁板組裝

(1)機械頂升裝置安裝時，倒裝用電動機械千斤頂應平均布置在底板上，沿罐底板外緣圓周長按不大于4 m的間距布置，要求脹圈、限位板、起升限位板、對口檔板等同步安裝。起升檔板采用單面焊，每個脹圈連接處的螺旋千斤處各加一塊。

(2)電動機械千斤及附屬裝備調整就位調試完成后，進行起升。起升時，一人操縱起升，0°、90°、180°、270°方位分別安排人員用2 m長直尺測量升起高度。當起升高度出現偏差時，應立即進行調節。起升中出現≥50 mm較大偏差時，應即刻停止，調節后，再繼續進行。升起高度超過第二圈壁板高度25 mm左右時，應停止起升。

(3)用吊車配合人工圍板，順序完成其余板的圍板。先完成立縫組對，組對時用U型板調整立縫間隙。立縫組對完后，進行環縫組對，將第一圈壁板落下，進行組對點焊。環縫組對時，錯邊量不應超過板厚的2/10并≤3 mm。

(4)第二圈板組對后，落下脹圈與壁板下部連接，組裝方法同頂層壁板。焊完立縫和平縫后，需對壁板的外觀尺寸和焊縫質量進行檢驗，應符合規范及設計相關要求。檢驗合格后，遵照前二層的施工工藝和方法順序進行剩余其他各層壁板的安裝。最下圈壁板的環立縫焊接完成后，落下脹圈與壁板下部連接。啟動頂升設備，使罐升高160～200 mm，拆除墊塊，在底圈壁板定位線內外安裝限位板，使壁板就位。焊接底圈壁板與罐底邊緣板的環向內外大角焊縫時，焊工應在罐內外均勻對稱布置，同時沿同一方向分段退焊。

2.2.5 脹圈的制作、組對和安裝

倒裝法施工儲罐，脹圈不僅是提升罐體的主要機具，同時也能起到很好的控制變形的作用。脹圈的制作、組對和安裝脹圈也很重要，需根據罐壁內徑分段預制，安裝時各段用液壓裝置把脹圈脹緊在罐壁上，脹圈截面取方形，由兩根槽鋼對焊而成(如圖5所示)。

圖5 脹圈

(1)脹圈的制作的弧度、撓曲對壁板的最終成型有很大影響，脹圈用滾壓好的槽鋼進行分段制作。

(2)脹圈制作后在鋼平臺上采用邊加熱邊頂的方法校正，校正合格后焊接成形，檢查合格后方可使用，否則會直接導致罐壁板的變形[3]。

2.3 罐壁板組裝工藝

2.3.1 先將下圈壁板貼在上圈已組焊壁板上進行立縫的組對焊接工藝缺點

先不提升上圈壁板，而是先將下圈壁板貼在上圈已組焊完成的壁板上進行立縫的組對焊接，焊接完成后提升上圈壁板進行上下壁板的環焊縫組焊的不足有以下幾點：

(1)由于上下兩圈壁板不可能完全緊貼，同時壁板除底部外均未固定，此時進行立縫的焊接，變形不易控制。同時壁板上部雖留出一段不焊，但其變形已很嚴重，使丁字焊縫處容易出現凹凸變形。

(2)下圈壁板立縫已焊接，壁板已產生了變形同時此時下圈壁板已成為一個整體，在這種情況下進行上下圈壁板的組對，多處的壁板需切割修整以調整焊縫間隙，現場進行火焰切割，不僅會造成罐板變形同時焊縫間隙不易保證，影響焊接質量。

2.3.2 首先提升上圈壁板，提升到位后在脹圈底部安裝限位鋼板的工藝

在本次20 000 m3浮頂油罐施工中，我們采取了以下的施工方法：

(1)首先提升上圈壁板，提升到位后在脹圈底部間隔400 mm左右焊接一個尺寸120×80 mm的限位鋼板，限位鋼板應緊貼罐壁板的內壁。不僅大大便于壁板環焊縫的組裝，同時能很好的控制環焊縫的角變形。

(2)此時進行下圈壁板的圍板和組裝，壁板立縫、環縫組裝點焊完成后，設置“U型板”控制立縫變形，罐外壁環焊縫處設置小“U型板”控制環焊縫變形，底部加楔塊固定。此時先立縫后環縫進行焊接，先焊外側后焊內側，多名焊工對稱同時焊接，分段跳焊。由于整個罐體已形成為一個整體，同時自制簡易機具的應用，可以有效控制罐體在焊接工程中的變形。由于壁板是單獨組對，焊縫間隙容易控制。

小“U型板”用于環焊縫組對，通過與罐內壁脹圈上焊接的限位鋼板的配合，不僅能很好的保證罐內壁的平齊，同時很好的控制了環焊縫的變形。在環焊縫處每間隔400 mm布置一組。

2.3.3 壁板組裝質量要求及檢測方法

為保證壁板組裝的質量和更好的控制施工變形，壁板組裝檢查應在焊接前后各進行一次檢查，發現問題及時糾正或整改，以便于有效的控制組裝或焊接產生的變形，儲罐壁板組裝質量允許偏差和測量工具詳如表3所示。

表3 儲罐壁板組裝質量允許偏差和測量工具

2.3.4 浮頂安裝

在罐體組裝完成后進行浮頂的組裝，即浮頂在罐內組裝。浮頂組對前，依據浮頂支柱的高度搭設臨時安裝平臺，在罐內搭設角鋼平臺，如圖6所示。平臺橫梁為∠63×6，平臺立柱為φ60×4鋼管，高度為浮頂支柱高度，直徑為罐內徑，橫梁間距為寬1.6 m，長6 m。浮頂的組裝在臨時平臺上進行，用手工焊進行拼接。

圖6 浮頂安裝臨時平臺搭設示意圖

浮頂的底板較薄，焊接過程中極易產生變形。故在浮頂底板鋪設完成后，大面積焊接前，應先安裝桁架、環形隔板、徑向隔板等，將上述構件與底板斷續點焊固定以形成一個整體，很好的控制焊接產生的變形。浮頂頂板亦須先與桁架、環形隔板、徑向隔板等點焊固定后進行焊接[3]。

3 焊接變形的控制

為更好的控制變形，儲罐總體的焊接程序為：

(1) 罐底邊緣板外邊緣0.3 m對接焊縫焊接；

(2) 罐底中幅板施焊采用先短橫縫，后長縱縫；

(3) 頂罐壁板的立縫焊接；

(4) 包邊角鋼與壁板角焊縫、頂圈環縫焊接；

(5)上部第二圈壁板的立縫焊接；

(6)相鄰兩圈壁板間環縫焊接；

(7)重復5、6焊縫焊接；

(8)底圈壁板立縫焊接；

(9)底板與最下圈壁板相接的大角環焊縫焊接(內外同時焊接)；

(10)邊緣板剩余對接焊縫焊接；

(11)罐底中幅板與邊緣板之間的收縮縫焊接。

3.1 罐底板的焊接

3.1.1 罐底板焊接適宜順序

為防止罐底板焊接變形，其焊接順序采用以下先后順序可以有效防止焊接變形：(1)邊緣板外側300 mm；(2)焊縫中幅板短焊縫；(3)中幅板長焊縫；(4)邊緣板與壁板的內外環焊縫；(5)邊緣板剩余平縫；(6)邊緣板與中幅板的收縮焊縫[4]。

3.1.2 跳焊法或分段退焊

焊接中幅板初層焊道時、采取跳焊法或分段退焊。由中心向四周，先焊短縫，再焊長縫。

3.1.3 弓形邊緣板的焊接

為便于定位及安裝第一層壁板，應先焊接最外沿部分0.3 m的焊縫。剩余的邊緣板對接焊縫的焊接、應在罐壁與罐底相接的大角焊縫完成并在邊緣板與中幅板之間的收縮縫焊接前完成。宜采用焊工均勻分布、對稱施焊方法完成弓形邊緣板對接焊縫的初層焊。

3.1.4 收縮焊縫焊接

焊工應對稱均勻布置、采取跳焊法或分段退焊法，完成邊緣板與中幅板之間的收縮縫焊接。

3.2 大角焊縫的焊接

3.2.1 焊工布置和焊接措施

底層壁板立縫施焊后，應布置數名焊工在罐內、外順同一方向對大角焊縫進行分段退焊或者跳焊法完成。

3.2.2 大角焊縫反變形控制措施

大型儲罐的內外大角焊縫焊接層數多，極易產生大角焊縫的角變形，造成弓形邊緣板向上翹起，故大型儲罐大角焊縫的焊接必須采取防變形措施。具體方法為沿罐內壁間隔1.3 m左右設置支撐，同樣沿罐外壁間隔1.3 m左右設置定位板(如圖7所示)，可以很好的控制大角焊縫的角變形。

圖7 大角焊縫防變形措施

3.3 罐壁板的焊接

(1)罐各圈板按照先立縫、再環縫的焊接要求，立縫焊接前，焊接時先焊外部，再焊內部。

(2)焊接時要沿同一方向、焊工應均布。手工焊可采用分段退焊法或跳焊法。

3.4 浮頂的焊接

邊緣板應先焊接立縫，后焊角焊縫。浮頂的焊接，要采取合理的焊接順序和合適的焊接工藝來控制收縮變形，浮頂的焊接順序與罐底中幅板的焊接順序相同。

3.5 罐體附件的焊接

儲罐上各附件的焊接嚴格按設計圖紙的要求進行，長焊縫均采用多層焊接和分段跳焊法焊接。在浮頂及罐壁上焊接各種接管和加強板時，除采取剛性支撐定位外，還應采取多層多道焊，以減少焊接應力和變形。

3.6 罐體幾何形狀和尺寸檢查

儲罐組對、焊接施工完成后，需對罐體的幾何形狀和尺寸進行測量，即檢查儲罐的變形情況，達到以下標準方為合格：

(1)罐底板焊接后，其局部凹凸變形的深度不應大于變形長度的2%，且誤差≤5 cm。

(2)壁板的高差允許范圍≤設計罐壁高度的5‰，壁板鉛垂的允許誤差≤壁板高的4‰、并≤5 cm，罐壁上的焊疤應打磨平滑。

(3)用直線樣板測量，船艙頂板的局部凹凸變形≤1 cm。

4 結語

根據我單位近年承攬到的17臺儲罐建造施工實踐，采用較為先進的施工工藝以及各個環節的嚴格控制預制、組裝、焊接，在預制階段控制好壁板的預制精度，組對安裝階段采用適當的工裝固定措施，有效減少了組對誤差；焊接階段選擇正確的焊接工藝及焊接順序，并采取了有效的防變形工裝，將焊接時產生的變形控制在許可范圍，儲罐橢圓度及局部凹凸變形等各項指標均符合國家標準，保證了儲罐正常投產、安全使用。