張玉杰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

設(shè)備及自動化

大型硫酸儲罐焊接變形矯正與修復(fù)

張玉杰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

介紹了萬噸級硫酸儲罐的設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)、制造過程與制造要求。描述了硫酸儲罐底板上凸變形、壁板外凸變形的現(xiàn)象，經(jīng)分析認為造成的原因是制造組裝殘余應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力所導致，說明了殘余應(yīng)力和變形的危害，從扇形底板上凸變形矯正和壁板開孔外凸變形矯正兩個方面詳述焊接變形的矯正與修復(fù)，提出降低焊接殘余應(yīng)力及焊接變形的措施與建議。

硫酸儲罐 焊接殘余應(yīng)力 制造 變形 矯正 修復(fù)

由某國外工程公司設(shè)計與項目管理、項目所在國施工單位建造的硫酸儲罐出現(xiàn)底板上凸變形、壁板開孔外凸變形，儲罐壁板及底板最大變形約100 mm，超出API 650—2015《鋼質(zhì)焊接石油儲罐》及GB 50128—2005《立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工及驗收規(guī)范》的允許偏差數(shù)倍。儲罐外形超差影響接頭強度、蠕變與持久性能，降低材料疲勞強度、耐腐蝕強度，可能引起結(jié)構(gòu)脆性斷裂，存在安全及生產(chǎn)隱患。經(jīng)多國專家反復(fù)論證，建設(shè)單位最終確定采用中方建議，使用型鋼工裝配合千斤頂對上凸底板變形進行矯正修復(fù)；使用靠板加千斤頂，龍門、加強脹圈加千斤頂，以及固定角鋼加手拉葫蘆對外凸壁板變形進行矯正修復(fù)；修復(fù)前后采用局部火焰加熱消除或降低變形應(yīng)力；修復(fù)過程中的焊接采用對稱施焊、分段跳焊的方式，降低焊接應(yīng)力。矯正修復(fù)后罐體底板平面度、壁板圓形度均達到API 650—2015的要求。

1 硫酸儲罐設(shè)計

1.1 設(shè)計參數(shù)

硫酸儲罐為某國外工程公司設(shè)計并進行項目管理，儲罐內(nèi)徑28 m，設(shè)計液位高度12 m，最大體積為6 800 m3，主體材質(zhì)S355J0，主要設(shè)計參數(shù)見表1。

1.2 設(shè)計簡要說明

該硫酸儲罐使用的標準為API 650—2015《鋼制焊接石油儲罐》、API 620—2008《大型焊接低壓儲罐設(shè)計與建造》。國內(nèi)硫酸儲罐的標準一般采用GB 50341—2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》、GB 50128—2005《立式圓筒形焊接儲罐施工及驗收規(guī)范》、SH 3046—1992《立式圓筒形鋼制焊接儲罐設(shè)計規(guī)范》和NB/T 47003—2011《鋼制焊接常壓容器》等。

表1 硫酸儲罐主要設(shè)計參數(shù)

w(H2SO4)98.5%濃硫酸會使儲罐內(nèi)壁形成鈍化膜，為避免因酸溫、酸濃改變對儲罐造成腐蝕，儲罐焊縫及孔蝕、縫蝕等局部腐蝕以及局部電化學腐蝕，采用陽極保護裝置及通風干燥裝置，罐頂、罐壁、罐底腐蝕裕量均為3mm。

主體材質(zhì)為符合EN 10025—2004《熱軋結(jié)構(gòu)鋼標準》的S355J0，相當于國內(nèi)的Q345C，在最低設(shè)計工作溫度下具有足夠的沖擊缺口韌性。

項目所在地年最低氣溫不低于5 ℃，且儲罐用于裝載w(H2SO4)98%濃硫酸，硫酸儲罐無需加熱或保溫裝置。

儲罐設(shè)有排氣口、人孔、硫酸進口、硫酸出口、酸回流口、溫度檢測、液位檢測、陽極保護、備用和差壓等接口20多個。

1.3 儲罐結(jié)構(gòu)

罐頂采用拱頂形式，由中心空間圓板和沿360°均分為40塊的空間扇形板組成，每塊空間扇形板由幾塊鋼板卷制組焊而成。罐頂與罐壁連接處采用300 mm×100 mm的槽鋼加強圈加強。儲罐頂板之間采用對接焊縫接頭形式，加強圈與頂板采用搭接焊縫接頭形式。

罐壁內(nèi)徑φ28 m，總高12 m，共由5帶鋼板組成，每帶由長10 800 mm、寬2 380 mm的8塊鋼板卷制組焊而成。最底部第一帶板厚20 mm，第二帶板厚16 mm，第三帶板厚12 mm，第四及頂部第五帶板厚10 mm。每帶板之間的縱焊縫錯縫3 600 mm。100 mm×100 mm×10 mm角鋼抗風圈設(shè)置在第四帶板上部。儲罐壁板之間采用對接焊縫接頭形式，加強圈與壁板采用全焊透搭接焊縫接頭形式。

罐底未采用邊緣板、中幅板形式，而是采用沿中心均分的扇形形式。罐底由中心圓板和沿360°均分為40塊的扇形平板組成，每塊扇形板由幾塊鋼板組焊而成。罐底采用帶墊板對接焊縫接頭形式。

硫酸儲罐外形示意見圖1，儲罐壁板示意見圖2，儲罐底板示意見圖3。

圖1 硫酸儲罐外形示意

圖2 硫酸儲罐壁板示意

圖3 硫酸儲罐底板示意

2 硫酸儲罐制造

2.1 制造過程

施工單位圖紙會審、材料到貨檢查、焊工技能考試合格并經(jīng)交底、儲罐基礎(chǔ)交接驗收、相關(guān)許可申請、相應(yīng)工機具材料及措施準備完成后，硫酸儲罐采用正裝法施工。首先組焊底板，底板焊接完成經(jīng)100%磁粉檢測及100%真空箱試驗合格后，開始組焊第一帶壁板并搭設(shè)腳手架，第一帶壁板縱焊縫完成后焊接第一帶壁板與底板的角焊縫，焊縫根據(jù)API 650—2015要求進行無損檢測。按從下向上的順序逐漸邊搭腳手架邊組焊第二到五帶壁板并進行無損檢測。最后搭滿腳手架后進行儲罐頂板組焊。

罐底、罐壁及罐頂?shù)暮缚p打底焊均采用GTAW(鎢極氣體保護焊)進行焊接，罐底板采用FCAW(藥芯焊絲電弧焊)進行填充焊；罐壁及罐頂采用SMAW(焊條電弧焊)進行填充焊。

儲罐及接管等附件焊接完成，盛水試漏、基礎(chǔ)沉降觀測合格，外表面防腐刷漆并檢測合格，具備使用條件。

2.2 制造要求

制造儲罐的材料、附件具有相應(yīng)質(zhì)量合格證明文件，尺寸、材質(zhì)、外觀質(zhì)量檢查合格，保管良好，無銹蝕、變形、損傷、錯誤、缺失；焊接材料包裝完好無損，外觀質(zhì)量好、無受潮，具有質(zhì)量合格證明且符合設(shè)計及規(guī)范要求[1-2]。

儲罐基礎(chǔ)已復(fù)驗合格，基礎(chǔ)施工記錄與驗收資料齊全。

儲罐部件的預(yù)制及拆除組裝工卡具時不損傷母材，不降低母材性能；母材的焊疤打磨平滑；母材損傷需按規(guī)范修補。

鋼板切割及焊縫坡口加工平整光滑，無夾渣、分層、裂紋、表面硬化層；焊接接頭的破口形式及尺寸符合圖紙及標準規(guī)范要求；組裝前將坡口及搭接部位的塵污、鐵銹、水分等清理干凈。

焊接接頭坡口及組裝間隙符合設(shè)計及規(guī)范要求；水平度、垂直度、半徑偏差符合設(shè)計及規(guī)范要求；壁板保證內(nèi)表面齊平，錯邊量符合設(shè)計及規(guī)范要求；開孔接管及法蘭位置、尺寸、水平度、垂直度符合要求，開孔補強板的曲率符合要求；按焊接工藝評定進行施焊及焊前預(yù)熱、焊后熱處理。

3 儲罐焊接變形

3.1 扇形底板上凸變形

硫酸儲罐殼體焊接完成后，施工單位發(fā)現(xiàn)幾乎每塊儲罐底板的扇形板發(fā)生彎曲變形，每塊扇形底板沿軸向軸心向上凸起，相鄰扇形底板焊縫處相對凹下，越靠近壁板處變形越大。由于幾乎每塊扇形底板基本發(fā)生了變形，整個底板發(fā)生了波浪變形，越靠近壁板處變形越大。在靠近壁板的底板用力跺腳，底板發(fā)生連續(xù)振動。只有局部底板與基礎(chǔ)進行良好接觸。局部扇形底板上凸變形詳見圖4。

圖4 局部扇形底板上凸變形

3.2 壁板開孔外凸變形

由于底板變形嚴重，原先設(shè)在底板上的排污口無法與管道連接，施工單位與設(shè)計及項目管理單位協(xié)商，最終確定變更設(shè)計，將排污管改設(shè)到壁板靠近底板處。施工單位在靠近底板的壁板開孔以組焊排污管，開孔后第一帶壁板底部沿徑向外凸變形，越靠近底板變形越嚴重，外凸變形(半徑公差)最高約100 mm，超出API 650—2015要求的19 mm及GB 50128—2005的13 mm規(guī)范允許偏差范圍[1-3]；同時弧形底板上凸變形加重，最大變形量約100 mm。壁板外凸變形詳見圖5，圖6。

圖5 壁板開孔外凸變形(從儲罐外部看)

圖6 壁板開孔外凸變形(從儲罐內(nèi)部看)

3.3 變形分析

由于儲罐底板結(jié)構(gòu)及尺寸、焊縫的配置、焊接順序和方向、焊接線能量等未有效減少焊接應(yīng)力、控制焊接變形，儲罐組裝及焊接完成后的開孔導致局部應(yīng)力釋放，極大的殘余應(yīng)力使扇形底板上凸變形、及壁板開孔外凸變形。

3.3.1 制造組裝殘余應(yīng)力

大型儲罐壁板、底板及頂板在加工預(yù)制過程中不可避免地有誤差，如壁板及頂板的下料剪切、彎曲、卷制等。以GB 50128—2005為例，儲罐壁板長度大于10 m時，壁板長度允許偏差為±2，壁板長邊直角度偏差小于或等于2 mm。GB 50128—2005中儲罐壁板尺寸允許偏差詳見表2，壁板尺寸測量部位詳見圖7。

表2 儲罐壁板尺寸允許偏差[3]mm

測量部位板長AB(CD)大于或等于10m板長AB(CD)小于10m寬度AC、BD、EF±1．5±1長度AB、CD±2±1．5對角線之差A(yù)D-BC≤3≤2直角度AC、BD≤1≤1直角度AB、CD≤2≤2

壁板、底板、頂板的運輸、保管、倒運以及吊裝會不可避免地對其形狀或尺寸有微小影響。由于制造誤差及形狀影響，儲罐壁板、底板及頂板等部分在組裝過程中一般采用手工錘、倒鏈、楔鐵、撬杠、火焰等工具或手段進行矯正以保證圓度、平整度、垂直度以及加工尺寸，這些矯形手段將會產(chǎn)生局部殘余應(yīng)力。

3.3.2 焊接殘余應(yīng)力與變形

焊接過程形成以熔池及焊縫為中心的不均勻溫度場，處在不均勻溫度場的鋼材不均勻膨脹產(chǎn)生殘余應(yīng)力及局部變形。焊接受熱導致焊縫及熱影響區(qū)的鋼材由珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體，焊接完成后的冷卻過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變成混合式金相組織，如珠光體、索氏體、馬氏體等的混合金相，不同金相的膨脹系數(shù)等性能不同導致產(chǎn)生殘余應(yīng)力與局部變形。溫度場、組織狀態(tài)場以及應(yīng)力和變形場相互影響導致焊接殘余應(yīng)力以及變形的產(chǎn)生[4-7]。

3.3.3 殘余應(yīng)力和變形的危害

殘余應(yīng)力和變形嚴重影響焊接接頭強度，降低材料的疲勞強度、耐蝕強度、減小穩(wěn)定性極限，影響接頭的蠕變與持久性能，影響構(gòu)件的靜載能力、精度以及尺寸穩(wěn)定性，影響整體強度、剛度與穩(wěn)定性，可能引起結(jié)構(gòu)的脆性斷裂、導致焊接結(jié)構(gòu)形位變化[4-7]。

4 矯正方案與實施

由于儲罐底板上凸、壁板開孔外凸變形嚴重，采用火焰、手工錘擊及簡單機械手段已難以達到矯正效果。根據(jù)變形情況進行多次論證，確定制作大型矯正工裝進行綜合機械矯正。

4.1 扇形底板上凸變形矯正修復(fù)

將2根H型鋼沿儲罐底板徑向敷設(shè)在弧形底板與相鄰兩片底板的焊縫外側(cè)，H型鋼下部與底板接觸的兩邊與底板進行焊接，H型鋼端部與儲罐壁板也進行加強焊接。H型鋼上安裝多個固定龍門將工字鋼1固定在H型鋼上部，工字鋼1與底板之上的工字鋼2之間放置多個千斤頂；隨著多個千斤頂同時動作，工字鋼2將上凸的底板緩慢壓下，測量達到尺寸要求后，把工字鋼2兩邊與底板進行焊接；待一處工字鋼2焊接完成后，移動工字鋼1與千斤頂至下一處固定龍門處，重復(fù)繼續(xù)進行下一處工字鋼2的下壓底板、測量及焊接工作。

對變形底板矯正過程前，采用局部火焰加熱的方式暫時降低變形應(yīng)力；工字鋼2與底板的焊接完成后，再用局部火焰加熱的方式消除部分焊接殘余應(yīng)力，隔天再拆除工裝。型鋼與底板的焊接要采用型鋼兩邊對稱施焊、分段跳焊的方式減少焊接變形；矯形過程的焊接采用氬弧焊打底以降低焊接變形。變形矯正期間，工字鋼2對底板進行矯形；變形矯正完成后，工字鋼2與底板焊接在一起，對底板進行加強。扇形底板上凸變形矯正修復(fù)詳細作法見圖8。

4.2 壁板開孔外凸變形矯正修復(fù)

根據(jù)測量將多個靠板沿徑向放置在外凸壁板內(nèi)側(cè)，測量控制靠板靠近壁板一側(cè)的位置，使其緊靠在未發(fā)生外凸變形時的壁板內(nèi)側(cè)，將壁板與底板進行焊接。在壁板外側(cè)的底板恰當距離處焊接用以放置千斤頂?shù)膿醢寮坝靡越Y(jié)構(gòu)加強的筋板。啟動千斤頂將外凸壁板緩慢向內(nèi)壓，壁板內(nèi)側(cè)逐漸靠近靠板外側(cè)。當壁板內(nèi)側(cè)貼緊靠板時，將壁板與靠板進行焊接。

圖8 扇形底板上凸變形矯正修復(fù)

矯正過程中對壁板進行測量，對于局部尺寸不達標、而擋板加千斤頂又難以夠著的位置，可采用焊接固定角鋼后用手動葫蘆進行矯正，以及在壁板上焊接龍門、加強脹圈后用千斤頂進行矯正。

對變形壁板矯正過程前，采用局部火焰加熱的方式暫時降低變形應(yīng)力；壁板與靠板焊接完成后，再用局部火焰加熱的方式消除部分焊接殘余應(yīng)力?？堪迮c底板、壁板的焊接以及加強脹圈與壁板的焊接采取對稱施焊、分段跳焊的方式降低焊接應(yīng)力；矯形過程的焊接采用氬弧焊打底以降低焊接變形。變形矯正過程中，靠板有定位、防止千斤頂過量矯正的作用；矯正完成后，靠板加強角焊縫結(jié)構(gòu)強度。壁板開孔外凸變形矯正修復(fù)詳細作法見圖9。

5 結(jié)果與建議

修復(fù)完成后，硫酸儲罐第一帶壁板底部及底板變形已絕大部分恢復(fù)正常，罐體底板平面度、壁板圓形度尺寸均達到API 650—2015的要求。該儲罐盛裝w(H2SO4)98.4%濃硫酸最高液位達85%，并維持數(shù)月，儲罐正常無異。

儲罐焊接變形后矯正是事后質(zhì)量控制，矯正修復(fù)工作導致工期延長、成本增加，并給承包商帶來負面影響。設(shè)計合理的底板和壁板結(jié)構(gòu)、尺寸以及坡口形式，合理配置焊縫、合理選擇裝配程序；使用恰當?shù)墓ぱb進行固定，合理的防變形措施降低變形；采用合適的焊接工藝參數(shù)，減少熱輸入、減少焊接受熱面積，選擇合理的焊接順序和方向；適當進行層間錘擊、焊前預(yù)熱、焊中控溫及焊后熱處理。降低焊接應(yīng)力，減少甚至避免大型儲罐焊接變形才是上策[4-7]。

圖9 壁板開孔外凸變形矯正修復(fù)

[1] American Petroleum Institute. API 620-2013 Twelfth Edition：Welded Tanks for Oil Storage [S]. Washington DC, U.S.A.：API Publishing Services，2013：6-1-7-11.

[2] American Petroleum Institute. API 620-2002 Tenth Edition：Design and Construction of Large，Welded, Low-pressure Storage Tanks [S]. Washington DC, U.S.A.：API Publishing Services, 2002：5-8-7-4.

[3] 中國石油天然氣集團公司. 立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工及驗收規(guī)范：GB 50128—2005 [S]. 北京：中國計劃出版社，2006：3-29.

[4] RADAJ D. 焊接熱效應(yīng)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1997：136-282.

[5] 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊 第3卷[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2001：103-158.

[6] 付榮柏. 焊接變形的控制與矯正[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006：190-270.

[7] 陳祝年. 焊接工程師手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2002：1241-1286.

Restoration and repairment of welding deformation in large sulphuric acid tank

ZHANGYujie

(China ENFI Engineering Co., Ltd., Beijing, 100038, China)

Design parameters & structure, manufacturing requirement and erection of 12 thousand tons sulphuric acid storage tank are briefly introduced. Reasons for welding deformation of bottom plates and shell plates is analyzed and conclusion that the reason is residual stress of both manufacturing and welding is put forward. Harm of residual stress and deformation are introduced, restoration and repairment of shell plates and bottom plates are described in detail. Restoration & repairment plan and suggestions on reducing the residual stress and welding deformation are proposed.

sulphuric acid storage tank；welding residual stress；manufacture；deformation；restoration；repairment

2017-01-09。

張玉杰，男，中國恩菲工程技術(shù)有限公司工程師，主要從事制酸、脫硫、余熱發(fā)電的工程技術(shù)及建設(shè)管理工作。電話：15910474841；E-mail：zhangyj@enfi.com.cn。

TQ111.16

B

1002-1507(2017)04-0052-05