立式儲罐安裝中的焊接變形控制探討

鄭 凱

（甘肅一安建設科技集團有限公司， 甘肅 蘭州 730000）

引言

大型儲罐被廣泛應用于石油化工等領域的液態原料及成品儲存環節之中，尤其是在石油行業內，受我國石油戰略儲備庫發展以及國際油價變動形勢影響，儲罐開始逐步進入大規模建設階段。作為石油化工領域儲運調度的重要載體，行業對大型立式圓筒形儲罐質量提出了更高的要求。強化焊接變形控制以實現提升儲罐安裝水平成為當前行業技術人員研究的重點內容之一。

1 大型儲罐焊接變形種類以及影響因素

1.1 變形種類

施工人員在實際進行焊接作業過程中，儲罐部件在焊接作用下會在不同方向產生不同幅度的收縮變形情況，在水平方向產生的收縮邊變形為橫向變形，垂直方向產生的收縮變形為縱向變形，在兩種收縮變形情況下引發的部件平面角度變化即為角變形。在縱向以及橫向方向收縮變形量較大的情況下，部件平面變形幅度也會隨之大幅增長，此情況被稱之為彎曲變形[1]。薄板焊接作業過程中，在應力受力不均的情況影響下會導致薄板出現翹曲情況，進而導致其外形尺寸與實際安裝要求不符，此情況被稱之為波浪變形。

1.2 影響因素概述

從技術應用實際角度分析，導致焊接變形的主要因素主要包括以下幾種。

第一，焊縫面積因素。技術人員將熔合線范圍內金屬面積定義為焊縫截面積，從工藝實踐經驗層面分析，焊接變形量會隨著焊縫截面積增加而增加。在實際開展焊接工序過程中，焊縫截面積對縱向、橫向以及角變形的影響同等。因此，在板材厚度恒定的情況下，儲罐焊縫形變程度會隨著焊縫截面積坡口提升而提升[2]。

第二，焊接方式因素。通過工藝實踐經驗總結可知，在工作環境不發生變化的情況下，焊接產生的收縮值會隨著不同焊接方式熱輸入變化而變化[3]。現階段應用最為廣泛地集中焊接工藝中，埋弧自動焊熱輸入量最大，其導致的收縮變形量也最大；而二氧化碳氣體保護焊熱輸入量最小，造成的收縮變形也最小。

第三，接頭形式因素。現階段，應用頻率最高的焊接方式有堆焊、對焊和角焊。在工作時候保證熱輸入、焊接方法和焊縫橫截面不變的基礎上，不同的焊接接頭形式也對橫向、縱向和角變形造成焊接變形的影響不同。

2 案例概述

為詳細分析立式儲罐焊接變形控制要點，本文選取實際案例進行具體說明。案例工程為中石油在某地開展的1×104m3儲罐安裝工程。該儲罐規格設計為內徑14 000 mm，設置9 圈壁板，具體參數如表1 所示；底部設置厚度規格為7 mm 的中幅板26 張；邊緣板厚度規格為10 mm，共設置20 張；頂板厚度規格設計為6 mm，瓜皮板共設置30 張。施工技術人員在總結大量工程經驗并結合施工實際進行綜合考量后，針對儲罐底板以及壁板設計相應的變形控制措施。

表1 儲罐壁板設計參數

3 立式儲罐焊接變形控制

3.1 排板設計

從實際應用角度分析，儲罐底板部分是儲罐受力最大部位，通過進行合理排板設計可以有效實現控制罐底焊接變形幅度的目的，進而提升罐底焊接質量。

案例工程在實際進行此工序作業過程中，技術人員首先依照設計圖尺寸將底板直徑放大約0.15%～0.2%，以滿足焊縫縱向以及橫向焊接變形收縮量要求。隨后技術人員考慮縱向焊縫收縮量會隨著焊縫長度變化而變化，因此，技術人員在選材過程中盡可能地選擇大規格鋼板，通過降低罐底板焊縫長度的方式實現控制縱向收縮量目的。技術人員在針對中幅板設計過程中決定將其長焊縫沿罐底中心線進行對稱排列，邊緣板則圍繞罐底圓心進行中心對稱排列。通過上述不僅實現相互抵消大部分焊接變形的目的，為控制焊接變形奠定堅實基礎。

3.2 罐底板焊接變形控制要點

案例工程在實際進行中幅板焊接作業過程中，技術人員制定了先短焊縫、后長焊縫、預留收縮縫、大角縫焊接完成后進行收縮縫焊接作業的方案，依據實際情況選擇分段退焊法或是分段跳焊法進行均勻焊接，具體工藝如圖1 所示。在實際進行焊接作業過程中依照自內向外、由中心向四周擴散的順序進行對稱同步焊接作業，降低焊接部分及未焊接部分的溫差，規避因母材溫度不均問題，進而實現消除應力，控制變形的目的。

施工人員在實際進行中幅板進行焊接作業過程中，采用分段跳焊工藝對對接焊縫初層焊道進行作業，面層部分則采用分段退焊工藝進行施工。焊接作業開展過程中，施工人員將層間接頭進行錯開處理，并使其控制在500 mm 以上。T 型焊縫作業過程中施工人員預留200 mm 左右的收縮縫，自縱向長縫施工焊接完成后在進行作業。

技術人員在實際工作中對焊接經驗進行總結，得出焊縫收縮變形會隨著焊縫截面積、輸入線能量等因素增加而增加。同時底層焊縫會對面層焊接變形程度造成影響，變形收縮小，采用多層焊，具有線能量小、應力和變形比單層焊小等特點。

短焊縫焊接作業過程中，施工人員首先對組對板材周圍固焊點進行清除處理，為焊縫提供自由的作業環境，最大限度滴降低焊接應力以及波浪變形；在進行長焊縫作業過程中，施工人員利用間斷焊工藝，依照由內向外的順序開展焊接作業，并對焊縫兩側進心剛性固定，焊縫冷卻完成后將固定去除，進而實現羌胡焊縫剛度，控制橫向變形以及角變形。但是應認識到的一點是，該方式會導致焊接應力提升。

案例工程中，施工人員在針對邊緣板進行焊接作業過程中，依照由內向外順序，從靠近外緣300 mm距離的徑向焊縫作為焊接作業起始點，并在大角焊縫焊接完成后，在依照自外向內的順序對剩余部分進行焊接。通過這種方式預留一定空間承擔大角縫以及邊緣板外側焊縫變形情況，進而實現控制內側板變形情況。

施工人員在實際進行邊緣板對接焊縫焊接作業過程中利用如圖2 所示的反變形法補償焊縫角向收縮，確保焊接完成后邊緣平整，為邊緣板以及壁板安裝提供便利條件。

從焊接作業實際情況分析，儲罐整體中，大角焊縫是其受力最不利區域，因此，相關部分也是儲罐最薄弱的部分。在實際進行大角焊縫焊接作業過程中，其收縮變形量相對較大，因此，技術人員設計方案，依照圓周對焊接作業區域進行劃分，平均分為多個部分，并針對每區實際情況進行均分，組織多名焊工依照區域劃分情況進行同步焊接作業，實際進行焊接過程中應注意采用分段跳焊工藝進行，首先對內側以及外側角焊縫進行打底焊，隨后在針對填充部分以及面層進行焊接作業，最大限度地保證邊緣板外側翹起角度控制在規定范圍內。

在罐體內部區域，技術人員沿圓周依照1～2 m 間距對其進行45 等分，并將89 mm 鋼管依照夾角45°要求與壁板及邊緣板進行焊接，使之成為垂直剛性固定，以實現控制底板翹起變形以及降低角焊縫角變形目的。

3.3 壁板變形控制

案例工程在進行壁板焊接過程中，依照相關要求對其進行組對，并確保內部脹圈完全貼緊罐壁，以達成控制變形的目的。同時利用刀板等工具對錯邊量、垂直度等進行嚴格控制，為提升焊接質量提供有利條件支持。施工人員在實際進行焊接作業時，依照線縱向后環向的順序進行焊接作業。技術人員人員依照實際要求將外側縱縫自下而上均勻分為6 段并對其進行標號，實際作業過程中，施工人員依照編號順序由小至大進行斷續焊。縱縫外側面層焊接時由下至上連續焊接，完畢后在縱縫外側設置5 道龍門板，插入方銷子在焊道上加以固定，以防止內側焊接時產生向外變形；內側焊接時要根據弧板位置進行清根，由下至上分段焊接完畢。

4 結論

1）焊接作業過程中不可避免地會在應力作用下產生變形情況，但是通過對其規律進行分析并結合實際施工經驗，可以采用有效措施對焊接變形量進行控制；

2）通過對排板方案進行合理設計有效實現補償焊接變形收縮量的目的，通過確保焊接應力均勻分布促使大部分焊接變形相互抵消，進而實現控制焊接變形的目的。