大型儲罐開孔板焊接變形控制技術

孟耀華

中化二建集團有限公司 山西太原 030021

中化二建集團有限公司承攬的15 萬m3原油儲罐，單臺直徑94m，高度24m，重量約3070t，容量15 萬m3。該儲罐一共由9 帶板組成，第一帶至第六帶壁板的材質為12MnNiVR。第一帶壁板厚42mm，由20 塊長15m、寬3m 的鋼板組合而成，其中有一塊鋼板上有8 個人孔和接管要焊接，人孔直徑φ600mm，接管直徑最大為φ700mm。由于開孔尺寸比較大，鋼板比較厚，在焊接過程中容易產生應力集中，導致變形嚴重等。針對這些變形進行分析，采取在焊接人孔和接管過程中用剛性固定方法和設計專用胎架等措施進行質量控制。在焊接前制定了剛性固定施工方案，并設計專用胎具來固定壁板，從下料、卷筒、組裝、焊接過程進行嚴格把控，確保將焊接變形控制到最小。

1 開孔板焊接變形原因分析

（1）首先要按照圖紙和規范要求進行開孔，尺寸過大或過小都會影響焊接質量。尺寸過大焊接收縮量大，變形嚴重，尺寸過小則會造成焊接未熔透。

（2）開孔板在卷板機卷制過程中，首先要對樣板進行檢查確認，在卷板過程中要隨時用曲率樣板檢查，確保樣板弦長符合規定要求；弧板卷制完成經復測合格后放置于專用胎架上，以免弧板弧度發生變化影響組對。

（3）同一張鋼板上焊接8 個大小不一的孔產生的收縮變形不同，所以在焊接前對大于φ200mm 的孔全部進行剛性固定，保證接管局部變形最小，如圖1 所示。

圖1 人孔、接管剛性固定

（4）焊接補強板和壁板過程中，要按照多層多道焊接且采用小電流焊接方法，嚴禁一遍焊接成型。12MnNiVR材質在焊前必須加熱到100℃以上，防止裂紋、氣孔產生。儲罐壁板與接管、補強板的焊接，由于其剛性較大，焊接殘余應力相應較大，若焊后馬上將剛性卡具拆除，也會產生嚴重的焊接殘余變形。故焊后要對整張開孔板進行熱處理，以消除內部殘余應力。本臺儲罐接管剛性卡具是在20張壁板組對焊接完成后才進行拆除，很好地預防了壁板變形。

（5）在焊接前，要把整張壁板立起來固定在專用胎架上，以方便對稱施焊。如果鋼板平放施焊，容易造成鋼板自由舒展，在其重力和焊接局部受熱應力的作用下產生較大的焊接變形，且在焊接完單面后還需翻板增加工作量，關鍵是卷制好厚板在平放焊接過程中弧度收縮變形后很難修復。

2 開孔板焊接變形控制工藝措施

為了防止儲罐壁板在卷制、開孔、焊接過程中產生變形，經過研究分析，采用多種防變形措施，并制定了合理的施工工藝。

2.1 開孔前精確排版放樣

本臺儲罐每圈壁板20 張，在開孔前要對20 張壁板整體進行排版，按照規范要求保證人孔與壁板有6～8mm組裝間隙，確保在焊接時能夠全熔透。對接管開孔等不容易控制的尺寸，要求技術人員在電腦上放樣，測量出精確尺寸。開孔過程中采用半自動火焰切割機切割，嚴格控制火焰切割量。切割完成后對孔整體一圈進行打磨，保證無氧化皮和夾渣。由于壁板開孔破壞了壁板連續性，消弱了壁板的強度，所以在焊接過程中容易產生變形。孔徑越大，焊縫越長，填充金屬越多，造成焊接熱輸入量越大，變形就越嚴重，所以在開孔過程中要嚴格控制下料切割尺寸。

2.2 補強圈的合理預制

人孔、進油孔的補強圈面積比較大。在預制過程中對整張板材進行卷板機卷制，其曲率半徑應和人孔、進油孔等開孔板的曲率半徑相同，卷制完成后再進行補強圈的放樣和下料。曲率半徑相同的補強圈可以更好地與開孔板貼合，焊接時不會因為補強圈和開孔板的間隙過大而使得開孔板的曲率半徑發生變化，更好地控制了焊接的變形。

2.3 使用工裝，采用剛性固定

人孔、接管在焊接過程中收縮變形較大，在焊接接管時如果控制不好，接管處罐壁容易塌陷，因此焊接前必須進行剛性固定。剛性固定法是指在焊接時，將焊件固定在具有足夠剛性的基礎上，保證焊件在焊接時不移動，焊后完全冷卻再將焊件放開，這時焊件的變形要比在自由狀態下焊接所發生的變形小。施工過程中采用了厚度12mm鋼板條對人孔和接管四周進行剛性固定，也稱“井”型固定，如圖2 所示。且在焊接φ500mm 以上孔進行了千斤頂剛性固定，以防止接管焊接收縮變形，如圖3 所示。

圖2 接管剛性固定

圖3 預防接管收縮變形

2.4 壁板胎架設計制作

在焊接接管和補強板時，為防止焊接變形，采用對稱施焊方法。所以壁板必須立起來擺放，由于壁板（長15m、寬3m）立起來容易傾倒，在施工過程中設計了工字鋼專用胎架（圖4）。胎架長8m、高1.5m，地面支撐梁每根長大于6m，保證了15m×3m 鋼板立起來穩定安全，且焊工在焊接過程中容易操作。開孔板焊接完成后，需要把鋼板平放進行倒運。由于鋼板長度較長，而且鋼板上焊接了接管，放置過程中特制作了長15m、寬3m 的臨時胎架（圖5），保證了焊接完成后開孔壁板弧度不受自身重量壓制而變形。

圖4 專用焊接胎架

圖5 開孔板擺放胎架

2.5 合理安排焊接工序

（1）焊接前對所有大于φ200mm 孔進行剛性固定,檢查每個接管與壁板的組裝間隙和打磨情況。高強鋼焊接前必須對焊縫加熱至100～150℃，如果溫度低于100℃，要立即停止施焊進行重新加溫；焊條要烘烤至350℃并在350℃的恒溫條件下保持1h；焊工在焊接過程中必須對稱施焊，嚴禁單面施焊，并且焊接時應多層多道對稱施焊，用小電流焊接，防止因為焊縫的熱輸入量大而產生較大的應力變形。焊接參數如表1 所示。

表1 焊接參數

（2）補強板在焊接前必須點焊加固，保證隔200mm焊接100mm。如果點焊點過小，則在焊接過程中容易開裂。補強板焊接也必須是多層多道焊接。儲罐開孔板嚴禁單層單道焊接，因為單層單道焊接熱輸入大，局部變形大。圖6 所示為正確焊接順序的焊縫，圖7 為錯誤焊接順序的焊縫。

圖6 正確焊接順序的焊縫

圖7 錯誤焊接順序的焊縫

2.6 嚴格執行熱處理工藝

開孔接管及補強板在與罐壁板組裝焊接并檢驗合格后，應進行整體部件消除應力熱處理。熱處理過程中禁止提前拆除人孔和接管的剛性固定板，且熱處理工藝應由焊接工藝評定確定，推薦的熱處理溫度為585±10℃，保溫時間210min，升溫速度小于190℃/ h， 按照NB/ T47015- 2011 進行。在施工過程嚴格按照工藝要求進行，有效預防了熱處理過程中產生變形。

3 開孔板焊接變形控制過程中應注意的問題

（1）在儲罐開孔板焊接前要對焊工進行專項焊接交底，并且選用焊接水平較高的持證焊工進行施焊。焊工焊接時要嚴格按照焊接作業指導書的要求控制電流、電壓和焊接速度，嚴禁無證焊工施焊。

（2）現場檢查人員在組對前要對儲罐開孔板的下料尺寸進行再次復查，檢查坡口有無銹蝕、油污、坑洼，以及母材是否有損傷缺陷等。

（3）焊接前，焊材按要求必須烘烤發放，焊材要放到保溫桶內，檢查人員要隨時檢查焊工的焊材使用情況，防止焊材用錯。在焊接時要做好防風、防雨措施，防止焊縫產生氣孔和裂紋等缺陷。

（4）儲罐壁板在臨時胎架固定后，要派專職安全員對支架穩定性進行確認，合格后才允許進行下道工序施工。

（5）由于壁板板長，重量重，在吊裝過程中必須使用平衡梁進行吊裝，且壁板上要焊接吊裝吊耳。禁止使用鋼板卡具吊裝，以確保吊裝的安全穩定性。

（6）每張板上接管和人孔的剛性卡具在焊接前必須全部進行固定，如果單個固定焊接會影響壁板整體焊接，導致變形。

4 結論

針對變形原因分析及采取的一系列措施，開孔板在焊接過程中質量得到了很好的控制。經現場組對，水平度、橢圓度、錯變量、垂直度均符合圖紙和規范要求。但為防止儲罐壁板變形，施工現場制作胎具消耗的型材較多。由于胎具成本較高，胎具不可能做太多，往往導致施工人員閑置和吊裝費用的增加，而且對施工進度有一定影響。

儲罐開孔板焊接變形控制是儲罐施工過程中重要管控的一個環節，如果變形嚴重將會影響儲罐壁板安裝。只有通過工藝手段，嚴格控制變形量，使其能滿足儲罐施工的質量要求。通過對整個施工過程的嚴格把控，焊接變形滿足圖紙設計及標準規范要求，為15 萬m3油罐壁板安裝提供了質量保證。此施工技術得到了建設單位、監理單位的一致認可，為今后類似工程提供了施工經驗。