22萬m3 LNG儲罐鋁吊頂焊接質(zhì)量控制

顧永亮

國家管網(wǎng)集團南山（山東）天然氣有限公司，山東 煙臺 265799

0 引言

在碳達峰、碳中和背景下，液化天然氣（LNG）作為一種低碳清潔能源，是能源從高碳到零碳過渡的橋梁。LNG戰(zhàn)略儲備基地建設對于保障我國能源安全，改進沿海地區(qū)清潔能源占比有著極為重要的意義。據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)顯示，三家石油企業(yè)和國家管網(wǎng)公司在建或建成的20萬m3以上大型儲氣罐有75座，均為吊頂式結(jié)構(gòu)。設計要求儲罐能經(jīng)受住50年的充裝與排空循環(huán)，儲罐的吊頂必須能夠抵抗沖擊破壞和安全閥火災帶來的輻射熱載荷變化以及液態(tài)天然氣低溫收縮應力的影響，因此吊頂結(jié)構(gòu)的建設質(zhì)量控制非常重要［1］。

以某在建22萬m3混凝土全容式液化天然氣儲罐為例，吊頂結(jié)構(gòu)主要包括頂襯板、拱頂梁、吊頂板和吊頂拉桿四部分。由于設計溫度低、自身重量輕、載荷分布均勻且材質(zhì)環(huán)保等綜合性要求，頂襯板和拱頂梁為碳鋼材料，通過焊接方式連接［2-3］。吊頂?shù)装宀牧线x用鋁合金，連接拱頂和吊頂板的拉桿為不銹鋼扁鋼，通過焊接和螺釘緊固兩種方式將上下兩部分吊頂結(jié)構(gòu)連接成為一體，形成穩(wěn)固的鋁吊頂結(jié)構(gòu)，故稱為鋁吊頂式儲罐［4］。

吊頂鋁合金通常選用5xxx系Al-Mg合金（如5083-O），Mg元素在焊縫凝固過程中形成強化相起到良好的細晶強化作用，使合金具有良好的耐腐蝕性、可切削性和熱加工性能，是LNG儲罐吊頂結(jié)構(gòu)保冷吊頂板和吊頂加強筋的理想材料［5-7］。但是，鎂鋁合金表面容易形成氧化鋁薄膜，焊接時引起電弧回路絕緣，阻礙基體和焊絲融合，一定程度上降低構(gòu)件焊接穩(wěn)定性，造成焊縫金屬夾雜和氣孔缺陷等影響焊接質(zhì)量［8-9］。因此，本研究對儲罐鋁吊頂焊接常見缺陷的原因進行了分析，并對鋁吊頂?shù)暮附庸に囘M行了優(yōu)化改進。

1 焊接位置及焊接方法

1.1 焊接位置

22萬m3LNG儲罐外罐直徑88 m，常溫下高度43.58 m。鋁吊頂結(jié)構(gòu)如圖1所示，儲罐鋁吊頂整體為中心軸對稱結(jié)構(gòu)，吊頂直徑84 m，鋼結(jié)構(gòu)自重達850 t，在地面焊接完成后通過氣頂升方式固定在罐體頂部。穹頂采用碳鋼，拉桿為不銹鋼，吊頂?shù)装澹ㄒ卜Q懸頂板）為5083鋁合金，連接件和13圈加強筋也為鋁合金材質(zhì)。鋁吊頂?shù)装搴穸葹? mm，采用搭接形式焊接，加強筋厚度隨圈層數(shù)逐漸遞增（12～30 mm）。鋁吊頂加強筋在預制場彎曲后送往現(xiàn)場組對，加強筋與吊頂?shù)装宀捎秒p面斷續(xù)角接焊縫。

圖1 鋁吊頂結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of aluminum ceiling

1.2 焊接方法

LNG儲罐鋁吊頂焊接主要采用非熔化極氣體保護焊（GTAW）、惰性氣體保護焊（MIG）、金屬極活性氣體保護焊（MAG）、二氧化碳氣體保護焊、藥芯焊絲電弧焊（FCAW）［10］。鋁吊頂焊接現(xiàn)場采用99.99%的氬弧焊，具有熔池穩(wěn)定性高，焊件變形小、熱影響區(qū)小等特點，適用于儲罐鋁薄板室內(nèi)環(huán)境的施焊。鋁吊頂材板導熱性能很強，在吊頂?shù)装邃佋O定位和焊接時一般使用直流反接（焊槍接正極、焊件接負極），以便提升焊接速度、減小焊件變形。由于鋁焊絲比較軟，為避免咬傷焊絲，送絲輪不宜采用推絲式。焊接過程不產(chǎn)生熔渣，若焊縫出現(xiàn)一層氧化膜或者黑灰時，用鋼絲刷或抹布擦去即可。

2 鋁吊頂焊接常見缺陷

2.1 變形

鋁吊頂?shù)装逯睆郊s84 m，由中幅板、異形板和加強筋通過搭接和角接形式組成，吊頂鋁板平面鋪設見圖2a，中幅板按照焊接順序搭接鋪設，異形板在吊頂?shù)装暹吘壦戒佋O，13圈加強筋在豎直方向一端通過焊接與底板固定，另一端通過筋板和螺釘連接扁鋼與懸頂梁緊固，見圖2b。由于鋁合金熱膨脹系數(shù)大，且吊頂鋁板較薄，中幅板厚6 mm，邊緣異形板厚20 mm，在焊接工程中易產(chǎn)生較大的形變應力，鋁吊頂橫向、豎向、縱向上都有焊縫，會使底板產(chǎn)生各個方向的變形，加之吊頂鋁板豎直方向上存在加強環(huán)和扁鋼連接的拉力，一定程度加大了變形程度，因此焊接過程中控制鋁板變形非常關(guān)鍵。

圖2 鋁吊頂布置Fig.2 Layout of aluminum ceiling

2.2 氣孔

鋁吊頂加強筋與吊頂板的角焊縫容易產(chǎn)生收弧氣孔，如圖3a所示。產(chǎn)生收弧氣孔的原因很多，屬于焊接操作的因素有：（1）母材與焊絲表面存在油污、水汽未清理干凈；（2）焊接場地風速較大、濕度較高；（3）噴嘴與工件距離過遠、保護氣體的純度不足，這些因素會降低保護氣體對焊道的保護作用，使焊縫產(chǎn)生氣孔。

圖3 鋁吊頂加強筋角接焊縫焊接缺陷Fig.3 Common defects in fillet welds of reinforcing ribs in aluminum ceiling

另外，根據(jù)鋁合金材料的特性，GTAW焊接時熔池溫度最高可達1 000 ℃，當熔池溫度升高至660 ℃時，氫在鋁中的溶解度增大，熔池中的氫含量增大［11］。焊接過程中，由于環(huán)境濕度和試件表面存在的微量水分使熔池金屬吸收了一定量的氫元素，加之鋁合金密度較小，熔池流動性不高，使得熔池中的氫來不及析出，導致形成氫氣孔。儲罐鋁吊頂角接焊縫收弧位置凝固速度較快，非常容易在收弧處形成收弧氣孔［12］。根據(jù)現(xiàn)場焊接情況得知，這種氣孔通常發(fā)生在吊頂?shù)装迮c第13圈加強筋的角焊縫處。

2.3 咬邊

儲罐鋁吊頂角焊縫極易產(chǎn)生咬邊缺陷，如圖3b所示。這主要是由于焊接工藝參數(shù)選擇不當，焊接電流太大，電弧過長，焊槍角度和間距不合理，運條速度和送絲速度不匹配造成的。產(chǎn)生咬邊缺陷和焊工的技術(shù)能力緊密相關(guān)，應督促焊工選擇正確的焊接電流及焊接速度，電弧不能過長，掌握正確的運絲速度和角度。

2.4 未熔合

由于鋁合金對光、熱的反射能力較強，金屬熔融區(qū)無明顯的色澤變化，容易影響焊工對熔化程度的判斷，導致焊縫金屬接頭位置出現(xiàn)未熔合、未焊透等缺陷，如圖3c所示。鋁吊頂板搭接焊縫和加強筋角接焊縫均不允許使用引弧板，定位焊接頭組織必須保證焊透和清除其表面的氧化層，露出銀白色光澤，并使焊縫兩端平滑過渡以便于接弧。加強筋角焊縫施焊時，電弧應在起弧位置稍作停留，待母材邊緣開始熔化時，再及時加絲焊接，接頭位置焊接時應先采用鋼絲刷清理上層焊縫表面的黑灰和氧化物，以保證焊透。

2.5 裂紋

鋁吊頂?shù)?3圈加強筋與底板焊接的角焊縫處容易發(fā)生熱裂紋，如圖3d所示。焊件未開坡口，厚度為30 mm，采用間斷焊接（每間隔100 mm，焊接75 mm）。熱裂紋最常見于焊縫中心，屬于結(jié)晶裂紋，其形成過程主要在于低熔點共晶物和應力集中。由于鋁合金是典型的亞共晶合金，具有較寬的脆性溫度區(qū)間，結(jié)晶過程的收縮率大，焊接時產(chǎn)生很大的應力。在焊縫金屬中存在的雜質(zhì)，會形成較多的低熔點共晶，凝固過程中易在固相線高溫區(qū)附近形成熱裂紋［13］。再加之第13圈加強筋不僅有垂直向上的扁鋼牽拉，還有交叉固定的扁鋼，受到各個方向的復雜拉應力，導致加強筋角焊縫處收弧位置經(jīng)常出現(xiàn)熱裂紋，且有貫穿整個焊縫的裂紋出現(xiàn)。

3 吊頂板焊接技術(shù)改進措施

3.1 引弧和收弧方式

由于引弧和收弧位置處理不當容易產(chǎn)生氣孔和潛在裂紋源，所以引弧、收弧方式應當格外注意，盡量避開在同一部位重復起弧，一道焊縫起弧后應盡量焊長，不要隨意斷弧，以減少焊接接頭量，接頭處重復起弧時要對起弧處進行打磨或刮除。

鋁吊頂焊接采用氬氣保護，正確選擇交流焊接電源極性，焊件為負極。應提前送氣，確保弧柱區(qū)保護氣體的密封性，收弧后繼續(xù)送氣，防止熔融金屬被氧化。角焊縫填絲時保持焊槍與水平面呈40°朝焊接方向推趕，焊絲一直處于弧柱區(qū)中央，避免焊角塌陷。在收弧結(jié)束位置繼續(xù)送絲并往回擺動一段距離（約10 mm），使收弧點成形圓潤；或在距離收弧20 mm位置增大送絲量，增加熔覆金屬厚度，兩種方式都有利于消除氣孔，提高焊縫成形質(zhì)量。

3.2 焊接參數(shù)匹配

焊接電流對焊縫成形質(zhì)量至關(guān)重要。電流過小，不能形成穩(wěn)定熔池，且存在未焊透情況，表面成形質(zhì)量差。隨著電流增大，焊接熱輸入增大，熔寬和熔深也隨之增加［14］，焊接電流過大則會造成熔池金屬元素發(fā)生過燒。因此，為符合焊接標準要求，應根據(jù)板厚和坡口形式選擇合適的焊接電流。通常情況下，鋁吊頂?shù)装搴穸葹? mm，選擇焊接電流為160～170 A。最外圈加強筋和底板厚度達30 mm，應適當增大焊接電流。在實際焊接中，也可以增加一組80～100 A的預熱電流來促進中厚板焊縫成形。

焊接速度也直接影響焊縫外觀成形質(zhì)量，過快或者過慢都會使焊接熱輸入能量不穩(wěn)定導致焊接缺陷，影響焊縫力學性能。實際現(xiàn)場作業(yè)時焊接速度是由焊工根據(jù)經(jīng)驗和焊縫成形情況決定，并不能精確量化，此時控制填絲速度對于焊縫成形質(zhì)量尤為關(guān)鍵。填絲速度過快會導致焊縫金屬填充量不足、焊角塌陷；填絲速度過慢會使焊縫余高增加，后續(xù)打磨處理影響焊縫美觀。所以，為滿足焊縫驗收標準要求，應合理匹配焊接速度和填絲速度，達到良好的焊縫成形效果，保證焊件力學性能。通過大量現(xiàn)場施焊參數(shù)及外觀記錄得到，焊接速度在38～40 cm/min，填絲速度38～40 cm/min，保護氣體流量為20～25 L/min時，鋁吊頂焊縫成形質(zhì)量較好。

3.3 控制變形方式

加強筋與吊頂?shù)装娴陌惭b示意如圖4a所示，為防止變形過大，采用間斷焊接，每間隔100 mm焊接75 mm焊道，扁鋼作用處的角焊縫焊道長200 mm，焊角高度為10 mm。鋁吊頂中幅板搭接位置焊接示意如圖4b所示，搭接量為30 mm，為防止中幅板焊接時產(chǎn)生過大的變形，安裝作業(yè)前需注意兩點：（1）注重焊接順序，通常情況下從并排放置的矩形中幅板開始輻射式向外焊接，同一矩形中幅板的兩條邊長避免同時施焊，隔開焊縫達到增加散熱的同時釋放應力。搭接位置至少焊2道，盡量采用分段退焊或?qū)ΨQ焊接法，每一道焊縫注意控制層間溫度，最大程度減小焊件熱量集中；（2）適當增加焊道兩側(cè)承重，可選用重物（沙袋或磚頭）按壓中幅板邊緣，確保焊接時搭接兩端鋼板緊密配合，且不會因為焊件變形影響焊接操作，有利于焊縫成形［15］。

圖4 鋁吊頂?shù)?3圈加強筋焊縫Fig.4 Welding seam of the 13th reinforcement rib of the aluminum ceiling

4 其他焊接質(zhì)量控制措施

4.1 焊工考核

為提升儲罐安裝工程的焊接質(zhì)量管理水平，明確焊工的資質(zhì)申請、考試原則和人員管理要求，確保從事焊接操作的焊工具備相應的資質(zhì)與操作技能。焊前制定完整的焊工考核方案，根據(jù)現(xiàn)場焊接情況對相應的焊接位置、焊接材料、焊接參數(shù)進行考核，組織經(jīng)驗豐富的焊接專家進行檢查，并配合相應的無損檢測方式予以綜合評定。考試合格的焊工建立個人焊接臺賬，詳細跟蹤現(xiàn)場焊接任務，以便焊道溯源。

4.2 焊接材料選取及保護

4.3 焊前清理

現(xiàn)場坡口加工一般采用等離子切割，切割后應保持坡口表面不應有裂紋、分層、夾渣及其他缺陷。通過鋼絲刷或砂輪打磨清理所有母材金屬坡口及接頭兩側(cè)至少25 mm范圍內(nèi)的油、漆、垢、銹、毛刺、氧化膜等，直至漏出金屬光澤。對于狹窄位置的角焊縫打磨需要鉚工精細完成，以防磨傷母材。

4.4 環(huán)境影響

吊頂鋁板鋪設在外罐承臺上，應確保承臺面干燥、清潔。由于吊頂?shù)装暹吘壟c儲罐混泥土外墻存在一定露天間隙，鋁吊頂邊緣板的焊接受天氣影響較大，產(chǎn)生缺陷的可能性增大。若施焊季節(jié)正好處于冬季，底板外層溫度比中間略低，焊接安裝時應當注意焊試件表面溫度，如果環(huán)境溫度低于5 ℃，建議局部烘烤焊件至38 ℃左右。若在雨天施工，焊前應清除焊件周圍積水，以防止相對濕度過大，導致產(chǎn)生氫氣孔等缺陷。

4.5 焊后檢驗

儲罐鋁吊頂焊接要求吊頂?shù)装濉⒓訌娊睢⒌鯒U的所有焊縫完成后進行100%外觀檢查，吊桿焊接連接件和第13圈加強筋角焊縫必須進行100%滲透檢測，且每一處焊縫標識清晰，焊接程序可溯源，出現(xiàn)檢驗不合格的焊縫及時進行合理返修，以保證焊接成形質(zhì)量。

5 結(jié)論

（1）LNG儲罐由于特殊的地理位置，受到海邊潮濕環(huán)境的影響，鋁吊頂安裝焊接過程中容易出現(xiàn)變形、氣孔、裂紋、未焊透等缺陷。再加之扁鋼連接拱頂梁的拉應力較大，使得鋁吊頂加強圈的焊接難度增加。

（2）鋁吊頂焊接采用氬氣保護的非熔化極氣體保護焊，引弧、收弧方式應提前送氣，確保弧柱區(qū)保護氣體的密封性，收弧后繼續(xù)送氣，防止熔融金屬被氧化，同時避開在同一部位重復起弧。選擇合理的焊接參數(shù)，現(xiàn)場焊接驗證當焊接電流160～170 A，焊接速度38～40 cm/min，填絲速度38～40 cm/min，保護氣體流量為20～25 L/min時，鋁吊頂焊縫成形較好。

（3）鋁吊頂直徑達84 m，由5 mm的矩形中幅板搭接而成，焊接過程中容易出現(xiàn)板材變形。應格外注意焊接順序，搭接位置至少焊2道，采用分段退焊或?qū)ΨQ焊接法。可選用重物（沙袋或磚頭）按壓中幅板邊緣，適當增加焊道兩側(cè)承重，以達到控制焊接變形的目的。