減小27萬m3LNG儲罐鋁吊頂焊接外觀變形量措施分析

郄利勇

中海油石化工程有限公司 山東 濟南 250000

1 工程概況

大型液化天然氣（LNG）全容式儲罐吊頂處鋁板主要用來承受穹頂下方玻璃棉和管道保冷密封的構(gòu)件。吊頂鋁板焊接造成的吊頂整體變形一直是施工難點。依托于江蘇濱海27萬m3LNG儲罐項目。鋁吊頂主要材質(zhì)為5mm厚度的5083的鋁板。吊頂半徑為44900mm，吊頂安裝在罐子標高48.974m處，通過吊桿與儲罐拱頂連接在一起，其吊頂結(jié)構(gòu)采用歐洲標準 EN14620 設(shè)計。罐頂鋁吊頂板是由5mm 厚搭接的吊頂板，13 圈加強環(huán)板（厚度分別為12mm、18mm，最外圈為30mm）和1000 余組吊桿（-50*8 304L 扁鋼）組成。

吊頂鋁板采用熔化極惰性氣體保護焊。鋁吊頂焊接外觀變形過大將會導(dǎo)致吊桿受力不均勻，使得保冷材料玻璃棉鋪設(shè)不均勻，影響保冷效果，因此減小儲罐鋁吊頂焊接外觀變形量是非常必要的。

2 鋁吊頂變形情況分析

根據(jù)歐標EN 14620-2：2006《工作溫度0到-165℃的冷凍液化氣體儲存用現(xiàn)制立式圓筒平底鋼罐的設(shè)計與制造》[1]和SH/T 3561-2017《LNG全容式鋼制內(nèi)罐組焊技術(shù)規(guī)范》[2]要求焊接成型后局部凹凸變形的吊頂鋁板小于等于變形長度的2%，且不大于70mm。但由于該項目鋁板太薄，施工質(zhì)量要求高，質(zhì)量目標為爭創(chuàng)國家優(yōu)質(zhì)工程金獎，施工難度比較大。

在大型低溫全容式儲罐施工中，吊頂鋁板焊接成型的變形控制是行業(yè)內(nèi)始終存在的通病。目前我公司實施的大型LNG全容式儲罐項目鋁板吊頂?shù)氖┕ぃ畲笞冃瘟科骄鶠?4.5mm。

為爭創(chuàng)國家優(yōu)質(zhì)工程金獎，業(yè)主對質(zhì)量要求較高，項目部結(jié)合以往施工經(jīng)驗，開會商議，為確保鋁板吊頂安裝和焊接質(zhì)量，需要將鋁板吊頂焊接成型的變形量，控制在30mm以內(nèi)。

通過對以往項目調(diào)查，傳統(tǒng)的焊接順序為先進行鋁吊頂板的焊接，焊接完成后再進行加強圈的對接焊縫焊接，最后將焊接完成的鋁吊頂板及加強圈從內(nèi)向外依次焊接[3]。經(jīng)過分析得知：進行鋁吊頂板的搭接焊縫按傳統(tǒng)先短后長、分段退步的順序焊接完成，同時鋁板在焊接過程中，對鋁板的搭接焊縫使用剛性固定。由于鋁的膨脹系數(shù)較大，所以容易產(chǎn)生失穩(wěn)波浪變形，如若采取上述措施可有效的控制鋁板吊頂?shù)暮附幼冃危粚τ诩訌娙Φ膶雍缚p的焊接變形控制，通過使用工裝卡具對焊縫進行固定或者采用反變形的措施控制對接焊縫的變形；但是當加強圈與吊頂板角焊縫焊接時，鋁吊頂板由于再次受熱所以會再次疊加產(chǎn)生少量變形[4]。兩次受熱后的變形疊加造成鋁板吊頂?shù)淖冃胃蟆?/p>

3 變形原因分析

從人、機、料、法、環(huán)、測等六個方面進行逐個調(diào)查分析確認。

主要原因確認1：焊工未持證上崗。

通過對現(xiàn)場8名焊工進行試驗，其中4名焊工持有鋁板焊接資質(zhì)，并經(jīng)過現(xiàn)場考試，另外4名無鋁板焊接資質(zhì)。每名焊工焊接鋁板搭接焊縫3m，采用相同的焊接順序及焊接參數(shù)，對焊后的外觀變形量進行統(tǒng)計，對持證焊工及未持證焊工最大變形量進行匯總統(tǒng)計，持證焊工變形量平均值為5.5mm，未持證焊工變形量平均值為5.25mm。

對癥結(jié)影響程度判斷結(jié)論：通過以上試驗數(shù)據(jù)可以得出采用相同的施工工藝、焊接參數(shù)，持證與未持證焊工在焊后的外觀變形量上，基本一致。故該因素對鋁吊頂焊接變形影響較小，為非要因。

主要原因確認2：鋁板化學(xué)元素差別較大。

確認方法：資料調(diào)查。

針對現(xiàn)場所用的鋁板質(zhì)量證明書進行核查，鋁板中的鋁元素含量約為94.755%。檢查啟東LNG所用鋁板的鋁元素含量約為94.243%。規(guī)范要求鋁板中鋁含量的標準值為不小于92.4%。

對癥結(jié)影響程度判斷結(jié)論：鋁板中鋁元素的含量都在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，而且兩個項目所用的鋁板中鋁元素的含量相差不大。故該因素對鋁吊頂焊接變形影響較小，為非要因。

主要原因確認3：鋁焊絲不滿足要求。

針對現(xiàn)場所用的鋁焊絲進行焊接工藝評定，對使用該焊材焊縫進行理化試驗及力學(xué)試驗，得到焊接工藝評定報告。

對癥結(jié)影響程度判斷結(jié)論：通過焊接工藝評定報告可以看出，焊材的性能滿足要求。故該因素對鋁吊頂焊接變形影響較小，為非要因。

主要原因確認4：焊機未入場驗收。

針對現(xiàn)場所用的鋁焊機的型號及規(guī)格進行現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場所用的焊機均為奧泰MIG-500型號的焊機，使用之前均經(jīng)過設(shè)材、安全平檢驗收合格后，才投入使用的，且焊工反應(yīng)焊機焊接性能良好。

對癥結(jié)影響程度判斷結(jié)論：鋁板焊接過程中，選用的焊接設(shè)備性能良好，焊接參數(shù)穩(wěn)定。故該因素對鋁吊頂焊接變形影響較小，為非要因。

主要原因確認5：焊接順序不正確。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)啟東LNG項目鋁吊頂焊接的施工方法是：先進行鋁吊頂板的焊接，焊接完成后再進行加強圈的對接焊縫焊接，最后將焊接完成的鋁吊頂板及加強圈從內(nèi)向外依次焊接。

本項目的鋁吊頂焊接順序為由四周向中心進行焊接：吊頂板鋪裝成圓形━最外圈第一圈加強圈焊接━最外圈第一圈和最外圈第二圈加強圈之間吊頂板焊縫焊接（先短后長）━最外圈第二圈與吊頂板角焊縫━最外圈第二圈和最外圈第三圈加強圈之間的吊頂板焊縫焊接（先短后長）━最外圈第三圈加強圈與吊頂板角焊縫━最外圈第三圈和最外圈第四圈加強圈之間的吊頂板焊縫焊接（先短后長）━依次完成后面每圈加強圈及其之間的吊頂板焊接。

對癥結(jié)影響程度判斷結(jié)論：鋁吊頂焊接過程中，選用的焊接順序不一致。故該因素對鋁吊頂焊接變形影響較大，為要因。

主要原因確認6：吊桿固定、點焊時間控制不當。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)啟東LNG項目及唐山LNG項目吊桿固定、點焊的時間為正常的上班時間：7：30-17：30，由于時間跨度較長，穹頂溫度差過大導(dǎo)致熱脹冷縮不一致，變形量變大。而本項目吊桿固定、點焊的時間為7：30-8：30，16：30-17：30，該時間段溫度基本一致，穹頂?shù)氖湛s量也基本一致，對鋁板吊頂?shù)淖冃斡绊戄^小。

對癥結(jié)影響程度判斷結(jié)論：吊桿固定、點焊過程中，環(huán)境溫度變化大使得穹頂變形大，會導(dǎo)致變形量增加。故該因素對鋁吊頂焊接變形影響較大，為要因。

主要原因確認7：照明設(shè)施不足。

通過對穹頂內(nèi)鋁吊頂焊接的照明情況進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)穹頂內(nèi)共有12臺大功率照明燈，同時施焊部位配有臨時照明設(shè)施，穹頂內(nèi)照明良好。

對癥結(jié)影響程度判斷結(jié)論：穹頂內(nèi)照明滿足現(xiàn)場施焊、檢查要求。故該因素對鋁吊頂焊接變形影響較小，為非要因。

主要原因確認8：測量儀器未鑒定。

通過檢查現(xiàn)場使用的水準儀的檢定證書，證書在有效期內(nèi)，滿足現(xiàn)場測量的要求。

對癥結(jié)影響程度判斷結(jié)論：測量儀器在檢定有效期內(nèi)，且產(chǎn)品性能良好，滿足鋁吊頂焊接外觀變形量的測量。故該因素對鋁吊頂焊接變形影響較小，為非要因。

4 針對主要原因制定對策

主要影響因素及對策詳見表1。

表1 影響因素及對策說明表

5 對策實施

（1）實施一：鋁吊頂、加強圈及角焊縫分區(qū)焊接

確定整體及細部的焊接順序；制定了詳細的焊接順序。

總體焊接順序，由四周向中心進行依次焊接：吊頂板鋪裝成圓形━最外圈第一圈加強圈焊接━最外圈第一圈和最外圈第二圈加強圈之間吊頂板焊縫焊接（先短后長）━最外圈第二圈與吊頂板角焊縫━最外圈第二圈和最外圈第三圈加強圈之間的吊頂板焊縫焊接（先短后長）━最外圈第三圈加強圈與吊頂板角焊縫━最外圈第三圈和最外圈第四圈加強圈之間的吊頂板焊縫焊接（先短后長）━依次完成后面每圈加強圈及其之間的吊頂板焊接。

對焊工進行焊接順序的交底；針對鋁吊頂?shù)暮附禹樞驅(qū)︿X焊工進行技術(shù)交底，確保每個焊工都能清楚的知道焊接順序。

鋁吊頂板焊接前進行剛性固定。采用配重或工裝卡具進行臨時固定，減小變形；

加強各區(qū)域焊接變形的測量。加強過程巡檢，針對區(qū)域進行變形量的測量，確保每個區(qū)域內(nèi)的變形量達到目標值。

實施效果驗證：通過合理的安排焊接順序，對完成焊接的各個區(qū)域進行測量核查，檢查外觀變形量是否達到目標值。實施效果：通過對各區(qū)域外觀變形量的測量，可以看出鋁吊頂、加強圈及角焊縫焊后變形量的疊加在30mm以內(nèi)，以上措施滿足要求，外觀變形量達到目標值。

5.2 實施二：吊桿固定、點焊的環(huán)境溫度一致

統(tǒng)一的固定、點焊的環(huán)境溫度。

通過現(xiàn)場在不同時間段，不同的環(huán)境溫度下，進行統(tǒng)計吊桿受拱頂變形的影響。選擇在上午七點至八點，下午四點到五點半，溫度差別不大的時間段進行鋁吊桿的切割及固定、點焊工作，使吊桿的長度受溫度影響最小。

控制吊桿安裝尺寸偏差；吊桿安裝采用紅外線找正儀，在對應(yīng)的加強圈上精確定位，確保吊桿與加強圈垂直，保證每個吊桿受力均勻，提高鋁吊頂整體水平度。

實施效果驗證：通過對吊桿點焊、固定環(huán)境因素的控制，每圈吊桿焊接完成后，對區(qū)域內(nèi)的鋁吊頂外觀變形量進行檢查、測量，鋁吊頂?shù)乃械鯒U均勻受力，無明顯彎曲現(xiàn)象，變形量基本無變化，達到目標值的要求。

6 效果檢查

目標值檢查：經(jīng)過采用上述措施，鋁吊頂焊接外觀變形量取得了有效的控制，儲罐鋁吊頂焊接完成后會同業(yè)主、監(jiān)理一起對鋁吊頂?shù)暮负笸庥^變形量進行了整體的測量檢查驗收，共測量135個點，根據(jù)測量結(jié)果（差值即為變形量的值），所有測量點均小于30mm，變形量最大為28mm，平均變形量為21mm，達到目標要求。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 焊接變形量統(tǒng)計表

7 結(jié)束語

造成鋁吊頂焊接變形量的主要原因有兩點：1）焊接順序是否正確；2）吊桿焊接時間是否合適。

針對上述兩原因制定的已被驗證的行之有效的控制措施是：

確定由四周向中心進行焊接的焊接順序：相鄰兩圈加強圈之間為一個大區(qū)域。每個大區(qū)域焊接時，再視大區(qū)域面積分成8個區(qū)、6個區(qū)、4個區(qū)，每個小區(qū)域施焊前先將區(qū)域內(nèi)焊縫進行點焊，然后按照從四周向中心焊接的順序進行對稱焊接；鋁板點焊時，只點焊需焊接的區(qū)域，加強圈內(nèi)側(cè)的鋁吊頂板不點焊。鋁吊頂區(qū)域內(nèi)焊接順序：先安裝最外圈的倒T型加強圈（13圈）。倒T型加強圈先焊接立板上的對接焊縫，再焊接平板上的對接焊縫，然后焊接角焊縫，內(nèi)外同時開始。倒T型加強圈焊接完成后，將倒T型加強圈與第12圈加強圈之間的鋁板全部點焊。焊接倒T型加強圈（13圈）與第12圈加強圈之間的焊縫，先將該區(qū)域內(nèi)丁字縫焊接固定完成，再焊接異形板焊縫，再焊條板縫、最后焊接通長板縫。單圈區(qū)域內(nèi)采用退步跳焊方式。板縫焊接完成后，焊接第12圈加強圈。按照上述順序依次從外往里逐圈焊接。

吊桿固定、點焊的環(huán)境溫度一致。選擇在上午七點至八點，下午四點到五點半，溫度差別不大的時間段進行鋁吊桿的切割及固定、點焊工作，使吊桿的長度受溫度影響最小；控制吊桿安裝尺寸偏差；吊桿安裝采用紅外線找正儀，在對應(yīng)的加強圈上精確定位，確保吊桿與加強圈垂直，保證每個吊桿受力均勻，提高鋁吊頂整體水平度。