大型储罐底板焊接变形的控制

1、 大型储罐底板焊接变形的控制摘要：大型储罐底板焊接质量及焊接变形控制是保证储罐整体施工质量的关键点。本文从罐底板焊接变形的形成，焊工管理，焊接工艺评定，合理设计底板排板图，罐底中幅板、边缘板、大角焊缝、收缩缝的组对与焊接及其变形控制，合理布置焊接顺序，合理设置防变形工装等方面，论述了大型储罐罐底板焊接质量和焊接变形的控制措施，有效地控制了底板焊接变形。关键词：大型储罐 罐底板 排板形式 中幅板 长焊缝 边缘板 焊接 变形引言在大型储罐现场制造过程中，焊接变形的控制始终是无法回避的难点，尤其是大型储罐底板的焊接，在焊接过程中，焊缝在加热和冷却过程中的纵向与横向收缩很容易引起底板变形并且变形往往很

2、大。焊后引起底板最大变形的还有就是焊接壁板与底板连接的双面角焊缝，其焊后周边缩短，如不能自由收缩，就很容易造成底板较大的变形。底板的焊接质量在很大程度上决定了储罐的使用寿命及在用状态。同时，罐底板与罐基础是紧密连接的，因此对罐底板日后的维修是非常困难的。所以，大型储罐底板现场焊接及变形控制是保证储罐整体施工质量的关键点。我公司2011年承接的广州发展碧辟油品有限公司南沙油库二期项目，总库容 306500 m3的油库，共计油罐43台，其中：30000 m3储罐4台（内浮顶油罐，储罐直径42m）、10000 m3储罐12台（内浮顶油罐），其余是5000m3及以下的储罐。我司通过采用合理的排板、合理

3、的焊接方法、焊接顺序及行之有效的防变形控制措施，实行全过程的质量控制，使人、机、料、法各因素均处于良好的受控状态，使罐底板的焊接变形得到了有效控制，从而保证罐底的焊接质量，圆满地完成了施工任务，并得到了建设单位的好评。1 罐底板焊接变形的形成1.1 焊接变形产生机理焊接是一个不均匀的局部加热过程，电弧在焊缝上的最高温度可达材料的沸点，而焊缝区以外的金属温度则急剧下降。这就使得构件上的温度分布极不均匀，造成高温区域冷却后产生收缩量大，低温区域收缩量小，这种不平衡的收缩导致了构件形状的改变。在某一时间内，焊后被焊金属的变形主要表现在三个方向上：即沿焊缝长度方向的纵向收缩和垂直于焊缝长度方向的横向收

4、缩，沿厚度方向上的不同厚度处不等收缩，也就是围绕焊缝轴线的角度变化。正是由于这三个方向的收缩，造成焊接的各种变形。变形量的大小取决于材料的机械性能和热物理性能、焊缝长度和厚度、接头在空间的位置、焊接方法以及施焊条件，还有焊后的冷却条件等。1.2 罐底板主要变形形式1.2.1 波浪变形 ：波浪变形的产生原因有两种，一种是板的焊缝在厚度方向上产生不均匀横向收缩带来的，即角变形带来的，另一种是由于焊接过程给钢板带来的压应力造成了板的局部失稳屈曲。前者可以用控制角变形的方法来解决，而后者则必须设法降低焊接内应力或改变其分布规律。1.2.2角变形 角变形的产生是由于接头处沿板厚方向温度不均匀分布造成横向

5、收缩不一致引起的。因而角变形的大小取决于钢板接头的刚度和温度不均匀分布的程度，具体说即取决于坡口的形状尺寸和焊接方法。1.3 罐底板焊接变形分析1.3.1 边缘板对接焊缝靠外缘300 mm部位在未焊接时，边缘板处于自由状态，由于焊缝横向收缩不均匀可引起角变形，使边缘板和基础表面不能完全接触，从而影响第一圈壁板的组对。1.3.2 中幅板焊接时，由于焊缝较集中且多为长焊缝、多层焊，焊接过程中有多种焊接应力的存在，焊接后也常有多种残余变形(既有收缩变形和弯曲变形，同时还伴有扭曲变形、角变形和波浪变形)的同时存在，不仅影响罐底的尺寸精度和外观，而且可能降低其承载能力。 1.3.3 边缘板与第一圈壁板角

6、焊缝的焊接过程中，焊接横向收缩引起的角变形和弯曲变形，使组对合格的第一圈壁板倾斜和热影响区内的罐底边缘板弯曲变形，不能与基础完全贴合，影响第二圈壁板的组对及剩余罐底边缘板的焊接质量。1.3.4 边缘板与中幅板之间收缩缝的焊接同样会产生多种残余变形。但由于为罐底焊接的最后一道工序，此时内浮顶与罐底已经进行了组对，依靠内浮顶和罐壁的自重和内浮顶的多个支撑点的加压及罐壁的加压起到刚性固定的作用。尤其是对抑制角变形和波浪变形更为有效。所以边缘板与中幅板之间收缩缝的焊接一般不会产生较大的变形。2 焊工管理参加施焊的焊工必须按tsg z6002-2010特种设备焊接操作人员考核细则考试合格，确认焊工合格证

7、原件有相对应的焊接合格项目。在该工程中，我们所采用的焊工，焊接经验丰富，焊接技术精湛，并在工程正式施焊前，进行有针对性的练兵和考核，合格后方可上岗焊接。由项目部签发相应的焊工上岗卡片，卡片标记焊工持有的合格焊接项目。焊工持卡上岗，并随时提供给各级检查和管理人员检查。3 焊接工艺评定施焊前需严格按设计文件要求的标准、规范和现场实际情况编制焊接施工方案，按照nb/t47014-2011承压设备焊接工艺评定的要求进行焊接工艺评定，编制焊接工艺指导书，在施工现场还必须结合实际焊接工件，编写现场接头焊接工艺卡，其焊接施工控制内容必须齐全。不同焊接工件的接头焊接工艺卡必须分别编写。焊工必须严格按接头焊接工

8、艺卡所给定的焊接参数和要求施焊，焊接质量检查员按接头焊接工艺卡进行检查。只要有组对和焊接作业，质检员就时刻紧盯现场，严把焊接质量关，让焊接质量始终受控状态。焊接工程师要对焊工和铆工严格进行焊接技术质量交底，将接头焊接工艺卡下发到每一个焊工和铆工，并在焊接班组粘贴上墙。3.合理设计底板排板图大型储罐的底板一般由中幅板和边缘板两部分构成，我们通常选择带有弓形边缘板的条形排板形式。中幅板之间、中幅板与边缘板之间一般采用搭接形式，边缘板之间一般采用对接（外端接口加垫板）的形式。为了方便论述，本文只针对直径为42m的30000 m3储罐进行论述。对于42m罐罐底板，设计方提供的排板形式如图1，这种排板形

9、式的中幅板长焊缝的数量很多，而且长度很长。而由于长焊缝在焊接过程中会产生大量的热应力，这么多的长焊缝将导致热应力得到不断的积累，由此也将导致变形的叠加，焊缝越长变形叠加量就越大。所以过多的长焊缝容易导致焊接时发生变形过大的问题。因此，焊接时控制变形的难度也就随之增加，焊接质量也就难以得到很好的保证。所以，罐底板排板时应尽量避免出现过多过长的焊缝。针对这样的问题，我公司工程技术人员经过反复讨论分析，对排板形式进行了优化，如图2，优化后的焊缝总长度基本相同。由于中幅板的受力在平面内是均匀分布的，因此排板形式的修改对它的力学性能没有产生影响。然而，排板形式的改变对罐底板整体焊接的影响是非常明显的。由

10、图1和图2对比可以看出，通长焊缝的数量由原来的14条减少到6条，这一修改也得到了设计方的认可。优化后的焊缝呈对称分布，而使焊缝焊接时可能引起的应力能相互抵消。图1 设计提供的42m罐罐底板排板图形式图2 优化后的42m罐罐底板排板图形式下面通过实际施工中的应用效果进行两种排板形式的比较。由于长焊缝在焊接过程中需要大量的防变形工装进行辅助施工，而且在焊接作业时必须从中间向两端进行施焊方可将焊接时产生的应力扩散开来。因此每条通长焊缝最多只允许两名焊工同时作业，才能较好地控制焊接产生的应力问题，防止焊接时产生较大变形。这样必然导致事故进度受到严重制约，即使有充足的人力物力，也无法全部投入进行施工，因

11、此大大增加了施工所需的时间。更为重要的是，即使是按这种合理的施工方法进行施工，通长焊缝在焊接时还是很容易发生较大的变形。按照以往经验，焊接完成这种排板形式的42m罐罐底板，需要花费15天左右的时间。然而，排板图经过优化后，大大减少了通长焊缝的数量，大部分都由短焊缝构成。因此，焊工在焊接时则可以进行多点焊接，人力投入比较自由，施工速度有着巨大的提升空间。只要保证有足够的人力机具投入，施工速度可以得到很大的提升。更重要的是，短焊缝焊接质量也比较容易得到保证。焊接时，也不需要过多的防变形工具和措施。在实际施工中，平均完成一座罐底板的焊接只需花费了8天的时间，工期缩短了约一半，而且焊接时产生的变形相比

12、起来也要小得多。5罐底中幅板的组对、焊接及变形控制5.1中幅板的铺设由罐底中心分成四个对称的90扇形面由中心向外铺设，边铺设边调整对口间隙，必要时可点焊固定；5.2中幅板铺设时，考虑到中幅板焊接的收缩，中幅板与边缘板搭接环形收缩缝处的中幅板应长出至少100,待边缘板对接缝及中幅板搭接焊缝焊接完毕后再按搭接焊缝搭接量的要求切割组对环形收缩缝；5.3中幅板的焊接分四个对称的90扇形区同时安排四个焊接小组对称施焊；总的原则是应从中心向四周焊接，先焊短焊缝，后焊长焊缝，预留收缩缝；5.4对中幅板施焊时，首先应将组对时所焊的定位焊缝全部磨开，让中幅板之间保持自由状态，以利于在施焊过程中能自由伸缩，补偿由

13、于焊接应力所产生的变形。5.5三张板结合点，三层板重叠，此处在焊接时应力比较大，很容易出现焊道根部裂纹，要特别引起注意。应将最上层底板切角，长度为搭接长度的两倍，宽度为搭接长度的2/3。在上层底板铺设前，应先焊接上层底板覆盖部分的角焊缝。5.6中幅板的通长焊缝的焊接，采用分段退焊或跳焊法,分段间距为400,每条焊缝由两名焊工从中间向两端对称施焊；5.7距边缘板2000范围内的中幅板焊缝暂留不焊接,待中幅板焊缝焊完并与边缘板组对好后再焊接；5.8考虑中幅板板焊接时因焊缝纵向收缩及角变形引起的波浪变形,焊接前分别在所焊焊缝两侧的带板上布置i25工字钢作为背杠对中幅板进行钢性固定,布置方法如图3(a

14、)所示。5.9通长焊缝焊接前,必须在距焊缝180200的外缘一侧布置i25工字钢作背杠进行钢性固定,如图3(b)。 (a)中幅板焊接防变形背杠的安装(b)通长焊缝两侧焊接防变形背杠的安装图3 罐底中幅板防变形措施6 罐底边缘板的组对、焊接及变形控制6.1罐底边缘板下料时考虑到焊接收缩量，将边缘板外径适当放大。6.2考虑到焊接收缩，边缘板的组对采用不等间隙，外小内大；外侧相焊的部分为67mm，内侧为812mm，以便在先焊外侧300 mm的过程中，由于焊缝的热收缩使间隙归于一致，保证焊后的平整度，防止出现局部突起。（如图4）图4 边缘板的组对采用不等间隙6.3边缘板的组对可采用图5所示的键板夹具固

15、定和调节坡口间隙、错边量等；图5 边缘板的组对夹具6.4在铺设边缘板时，只进行一侧的点焊，给边缘板焊接留出收缩量；6.5边缘板的对接缝垫板，注意点焊时保证对接的两边缘板与垫板紧密接触，防止焊接时出现过瘤，未熔合等内部缺陷。在外侧靠近板头处还宜打一防变形板，焊接时用销子打紧，待焊接结束冷却后去除。6.6首先施焊靠外缘400mm部位的焊缝，以保证在施焊罐壁板和罐底板角焊缝过程中引起弓形边缘板向中心收缩变形时，相邻两块边缘板仍可以比较顺利地进行收缩变形。6.7弓形边缘板对接焊缝的初层焊，宜采用焊工均匀分布，全部焊工沿顺时针方向在各自的起点上同时开始焊接。6.8焊接时先焊自边缘板外侧向内400的对接缝

16、，焊工均布在罐底边缘板外侧的整个圆周上同时对称施焊，隔一条缝焊接一条，焊接时,自边缘板外侧向内600的坡口内引弧，然后采用退焊法向边缘板外侧施焊，起弧位置的层间接头应错开50以上,如图6；分层焊道图6边缘板外侧600mm对接缝的焊接6.9边缘板剩余部分对接焊缝的焊缝应在罐底与罐壁连接的角焊缝焊完后且在施焊前完成；6.10边缘板剩余的对接焊缝在罐底与罐壁的大角缝焊完后且在边缘板与中幅板之间的收缩缝焊接前施焊，焊接时仍由多名焊工均布同时采用退焊法由400焊缝接头处向内侧施焊。7 罐壁与罐底大角焊缝的焊接7.1边缘板与壁板的大角缝为t型，且两侧不对称，温度分布也不均匀，熔化金属沿板两侧收缩量不一致，

17、易引起角变形，为了保证焊接后的边缘板变形控制，在焊前必须对整个焊道进行防变形处理。可在罐壁内侧设置若干个斜支撑，每个相距1m为宜，用于控制内外角缝焊接造成的角变形对垂直度的影响，如图7。图7在罐壁内侧设置若干个斜支撑7.2切不可将支撑撑到底板的中幅板部位，因为支撑支到底板中幅板部位则底板易变形。7.3根据储罐的受力条件，边缘板与壁板的大角缝采用内大外小的焊接接头。7.4 罐壁与罐底大角焊缝的焊接,在第一圈、第二圈壁板纵、环缝组焊完毕后进行。7.5为了减少焊道的热输入，采用多层多道焊法。无论是否自动焊，初层（底层）焊道都必须采用手工焊接，分段退焊。 手工焊接时，由多名焊工对称均匀分布,沿罐内、罐

18、外同一方向同一工艺参数同时采用分段退焊或跳焊的方法进行焊接。由于打底焊道直接影响整条焊缝的质量，所以必须保证熔合良好，无任何缺陷，并根据要求进行无损检验；填充焊接时，一是注意焊道的最终成型，二是每层焊道之间熔合良好，并排列整齐。7.6边缘板与壁板大角焊缝的焊接外口填充焊道焊接,在内口焊接完成并检查合格后方可进行，焊接时，焊工依周向均匀分布，每名焊工采用顺焊退焊法焊接。8 边缘板与中幅板之间收缩缝的焊接8.1边缘板与中幅板的接口作为环向预留收缩缝在组对时不点焊固定，而采用龙门卡具和斜铁固定。焊接时先焊边缘板的径向预留缝，再焊中幅板的预留缝，最后才焊环向收缩缝。在焊环向收缩缝的过程中，同样根据焊工人数，将焊道均匀等分，且每个焊工在自己的焊接范围内沿同样方向，采用同一方向对称分段退焊。8.2在保证焊条熔滴与母材能很好地熔合的情况下，尽可能采用了小电流，以降低热输入量，从而达到控制变形的目的。9焊接操作要点9.1储罐底板的焊接应确保储罐底板不变形或减