大型儲罐內(nèi)浮頂儲罐單盤變形控制方法

王軍強(qiáng)，葉威

（中國石油天然氣第一建設(shè)有限公司，河南 洛陽 471023）

0 引言

由中國石油天然氣第一建設(shè)有限公司承建的某成品油庫工程庫容為52×104m3，主要包含8臺5萬立內(nèi)浮頂儲罐和6臺兩萬立內(nèi)浮頂儲罐，本文以五萬立儲罐為例，介紹內(nèi)浮頂儲罐單盤施工工序及焊接變形控制方法。

5萬立儲罐內(nèi)徑為60 m，儲罐內(nèi)浮盤采用鋼制浮盤結(jié)構(gòu)，單浮盤重197.830 t，浮盤采用邊緣浮艙和中間單盤板的結(jié)構(gòu)，共設(shè)置36個浮艙。單盤直徑為52.5 m，單盤板厚度為5 mm，板幅為1 800 mm×9 000 mm，材質(zhì)為Q235 B,采用條帶型排版方式，焊縫采用搭接形式，上面滿焊、下面間斷焊。共設(shè)置124個單盤支柱，單盤底面未設(shè)置加勁筋板，由于單盤板厚度相對直徑很小，且焊接密度大、焊縫交叉多，單盤板施工時極易發(fā)生變形，焊接變形量不易控制，是儲罐施工的一個難點(diǎn)。

在傳統(tǒng)的單盤施工中，通常采用分區(qū)域、自由收縮的焊接順序。本次施工改變傳統(tǒng)施工工藝，采用先將單盤下面間斷焊完成，使單盤連成整體，并與浮艙相連接，然后采用合適的焊接順序和焊接方法，完成單盤上面連續(xù)焊。即采用機(jī)械拉伸法和剛性固定法，使殘余壓縮變形區(qū)屈服后降低應(yīng)力；并采用錘擊法調(diào)節(jié)焊接接頭中殘余應(yīng)力，在金屬表面層內(nèi)產(chǎn)生局部雙向塑性延展、補(bǔ)償焊縫區(qū)的不協(xié)調(diào)應(yīng)變，達(dá)到釋放焊接應(yīng)力的目的。

1 變形機(jī)理

在焊接過程中，焊縫及其附近的母材經(jīng)歷了一個不均勻加熱和冷卻的過程。焊接時的局部不均勻熱輸入是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的決定性因素。熱輸入是通過材料因素、制造因素和結(jié)構(gòu)因素所構(gòu)成的內(nèi)拘束度和外拘束度而影響熱源周圍的金屬運(yùn)動，最終形成了焊接應(yīng)力和應(yīng)變。焊接熱輸入引起材料不均勻局部加熱，使焊縫區(qū)熔化，而與熔池毗鄰的高溫區(qū)材料的熱膨脹則受到周圍材料的限制，產(chǎn)生不均勻的壓塑性變形；在冷卻過程中，已發(fā)生壓塑形變形的材料又受到周圍條件的制約，不能自由收縮，在不同程度上又被拉伸而卸載；與此同時，熔池凝固，金屬冷卻收縮時也產(chǎn)生相應(yīng)的收縮拉應(yīng)力與變形，產(chǎn)生不均勻的拉塑性變形[1]。焊接后單盤存在的內(nèi)應(yīng)力有：焊縫及其母材附近的拉應(yīng)力，離開焊縫較遠(yuǎn)區(qū)域的壓應(yīng)力。在壓應(yīng)力σ的作用下達(dá)到臨界應(yīng)力σsr時，薄板結(jié)構(gòu)就會發(fā)生失穩(wěn)，從而導(dǎo)致凹凸變形。

σsr= K（δ/B）2

δ——板厚

B ——板寬

K ——與板的支承情況有關(guān)的系數(shù)

綜上可以看出，板厚與板寬的比值越小，臨界應(yīng)力越小，薄板結(jié)構(gòu)越容易失穩(wěn)。因此從降低壓應(yīng)力和提高臨界應(yīng)力兩方面著手就可以減少凹凸變形。由于單盤板尺寸（δ和B）已經(jīng)是定值，可以通過降低壓應(yīng)力的辦法來達(dá)到控制凹凸變形的目的。

2 調(diào)節(jié)內(nèi)應(yīng)力的措施

控制焊接殘余應(yīng)力的方法，在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段就應(yīng)考慮可能采取的辦法，來減小焊接殘余應(yīng)力；在焊接過程中，也有相應(yīng)的工藝措施，可以調(diào)節(jié)和控制焊接應(yīng)力的產(chǎn)生和發(fā)展過程；焊后，降低和消除應(yīng)力的方法可以分為利用機(jī)械力或沖擊能的方法等。

2.1 采用剛性小的接頭形式，降低焊縫拘束度

焊縫的橫向收縮變形主要是因熱源附近高溫區(qū)金屬的熱膨脹受到約束，產(chǎn)生了塑性應(yīng)變，熔池凝固后，焊縫附近金屬開始降溫而收縮，這是焊縫橫向收縮的主要組成部分。在鋼結(jié)構(gòu)上，焊縫的橫向收縮量比縱向收縮量要大的多，角焊縫△B焊縫橫向收縮量比對接焊時小。故單盤焊縫采用搭接形式，從源頭上降低了橫向收縮量，降低了焊縫拘束度。

2.2 選用合理的焊接方法

在同等條件下，選擇的焊接方法不同線能量大小各異，直接導(dǎo)致變形量的大小。根據(jù)橫向收縮量的估算公式：

式中：ΔB——焊縫橫向收縮量；A——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（電弧焊1.0～1.2，CO2氣體保護(hù)焊0.8～1.0）；q——焊接線能量；a——材料線脹系數(shù)；c——材料比熱容；γ——材料密度；δ——鋼板厚度。

理論計算比較，用CO2氣體保護(hù)焊時的△B值，相對來說較小。

實(shí)際驗(yàn)證比較，分別嘗試采用手工電弧焊，焊機(jī)型號ZX7-400，電流90～120 A，電壓18～22 V，焊條直徑Φ3.2 mm；和CO2氣體保護(hù)焊。通過比較，用CO2氣體保護(hù)焊時的△B值，相對來說較小,與理論計算結(jié)果一致。最終選用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行單盤連續(xù)焊縫的焊接。

2.3 采用合理的焊接順序，調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力分布

單盤板的施工順序如圖1所示，在進(jìn)行環(huán)形縫施工時，八名電焊均布，沿順時針焊接，保持速度一致。焊接正面長焊縫時，采用分中逐步退焊，并用10槽鋼進(jìn)行加固，焊接完成后，焊道冷卻前，對焊道進(jìn)行錘擊。此焊接順序采取適度降低焊縫約束度的工藝，補(bǔ)償焊縫收縮量，并采用機(jī)械預(yù)拉伸法，使殘余壓縮變形區(qū)屈服后降低應(yīng)力。

圖1 單盤施工順序

2.4 利用機(jī)械力錘擊焊道區(qū)，調(diào)節(jié)焊接接頭中殘余應(yīng)力

利用錘擊焊道的方法調(diào)節(jié)焊接接頭中殘余應(yīng)力時，在金屬表面層內(nèi)產(chǎn)生局部雙向塑性延展，補(bǔ)償焊縫區(qū)的不協(xié)調(diào)應(yīng)變，達(dá)到釋放焊接殘余應(yīng)力的目的。與其他消除殘余應(yīng)力的方法相比，錘擊法可節(jié)省能源、降低成本、提高效率，是在施工過程中即可實(shí)現(xiàn)的工藝措施，并可在焊縫區(qū)表面形成一定深度的壓應(yīng)力區(qū)，有效地提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

3 工藝方案

3.1 搭設(shè)胎架

傳統(tǒng)的單盤施工中，單盤板直接鋪設(shè)在罐底板上，由于五萬立儲罐罐底板坡度較大，無法滿足施工質(zhì)量要求。胎架的搭設(shè)采用可拆卸槽鋼結(jié)構(gòu)，保證鋪設(shè)單盤板的水平度，并且避免了一次投入過大及材料浪費(fèi)，此方法可為后續(xù)工程提供借鑒（如圖2所示）。

圖2 單盤臨時支架圖

3.2 單盤鋪設(shè)及焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）單盤板的材質(zhì)為Q235 B,δ= 5 mm，板幅為1 800 mm× 9 000 mm，采用條帶型排版方式（如圖3所示），接頭型式為搭接接頭，搭接寬度不小于30 mm。

圖3 條帶型排版方式

（2）單盤鋪設(shè)的平整度直接影響到焊接后的凹凸度，臨時胎架的高度和上端水平度按照設(shè)計文件進(jìn)行控制。

（3）將罐底板上的中心點(diǎn)移到單盤板上，鋪設(shè)中心板，定出中心后測量圓度，調(diào)整單盤尺寸。

（4）鋪好中心“一”字中心板后，從中心開始向兩側(cè)依次鋪設(shè)單盤板。

（5）將預(yù)制成型的浮艙通過預(yù)留施工通道運(yùn)入罐內(nèi)，將浮艙安裝就位。

（6）與邊緣板連接的單盤板應(yīng)在單盤中幅板背面斷續(xù)焊全部焊接完成后的尺寸進(jìn)行切割，邊緣板鋪設(shè)后將整個單盤與船艙用定位焊連接成一個整體。

3.3 單盤焊接

3.3.1 定位焊

單盤板鋪設(shè)到位后，采用E4 303，φ3.2 mm的焊條，電流90 A～110 A，電壓24 V～26 V，進(jìn)行定位焊。

3.3.2 背面斷續(xù)焊

采用E4 303，φ3.2 mm的焊條，電流90 A～110 A，電壓24 V～26 V，進(jìn)行斷續(xù)焊；先焊短焊縫，由中間向兩側(cè)依次焊接，磨開被焊接板周圍的定位焊，釋放焊接應(yīng)力。

短焊縫完畢后，進(jìn)行長焊縫斷續(xù)焊，先焊中心板帶兩側(cè)的通長焊縫，然后自中心線向兩側(cè)逐步展開焊接[2]。

3.3.3 單盤邊緣板定位及背面斷續(xù)焊

單盤中幅板背面斷續(xù)焊完成后，根據(jù)圖紙尺寸，將中幅板富裕部分尺寸切除，并對邊緣板固定，進(jìn)行焊接作業(yè)，采用E4 303，φ3.2 mm的焊條，電流90 A～110 A，電壓24 V～26 V，進(jìn)行斷續(xù)焊。先焊邊緣板間短焊縫背面斷續(xù)焊，然后進(jìn)行八卦縫背面斷續(xù)焊，最后焊接單盤板與浮艙連接角鋼的斷續(xù)焊焊縫，八卦縫和單盤板與浮艙連接環(huán)縫焊接時，采用八名焊工均布，順時針方向同步調(diào)焊接的方法。

3.3.4 單盤支柱及其他附件開孔

按照設(shè)計文件，在單盤上劃出單盤附件開孔位置，復(fù)核無誤后，進(jìn)行切割開孔，開孔順序?yàn)檠赝粓A周方向依次進(jìn)行，依次安裝支柱套管、補(bǔ)強(qiáng)板、筋板等。若補(bǔ)強(qiáng)板下有被覆蓋焊縫，先完成被覆蓋焊縫的焊接及真空試漏工作，然后安裝補(bǔ)強(qiáng)板，補(bǔ)強(qiáng)板圓周焊縫，采用CO2氣體保護(hù)焊，焊絲材質(zhì)為ER49-1，直徑φ1.2 mm。由兩名焊工對稱，沿順時針方向施焊。依次完成各開孔的套管、補(bǔ)強(qiáng)板、筋板的焊接工作。

3.3.5 單盤邊緣板正面連續(xù)焊

采用CO2氣體保護(hù)焊，焊絲材質(zhì)為ER49-1，直徑φ1.2 mm，先焊接邊緣板間短焊縫，短焊縫的兩端各留200 mm不焊，每道焊縫焊接完畢后，趁熱錘擊焊道。然后焊接單盤與浮艙連接角鋼的焊縫，八名電焊均布，順時針施焊，焊至丁字焊道處，將短縫預(yù)留的200 mm焊道焊完。環(huán)縫焊接完畢后，按照同樣的方法進(jìn)行八卦縫的焊接，并趁熱錘擊焊道。

3.3.6 單盤中幅板正面連續(xù)焊

采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊絲材質(zhì)為ER49-1，直徑φ1.2，先焊接短焊縫，短焊縫的兩端各留200 mm不焊，從中心向兩側(cè)擴(kuò)散，每道焊縫焊接完畢后，趁熱錘擊焊道。短焊縫焊接完畢后，從中心板帶兩側(cè)焊縫開始向兩側(cè)間隔施焊，焊接前先用[10槽鋼在距離焊縫100 mm處通長設(shè)置加固（如圖4所示），每條通長焊縫均自中心向兩側(cè)采用分中逐步退焊，滅弧后立即錘擊焊道，焊至丁字縫時，將焊接短縫時遺留的200 mm焊接完成。完成焊道焊接，并充分冷卻后，再拆除加固槽鋼。

圖4 單盤中幅板長縫焊接加固圖

3.3.7 單盤支柱等附件安裝，胎架拆除

單盤全部焊接完成后，安裝單盤支柱及其他附件，開始單盤真空試漏工作，單盤真空試漏完成以后，再拆除胎架，拆除胎架后效果圖如圖5所示。利用真空試漏的時間，單盤板在胎架上自然放置，殘余應(yīng)力適度消散。

圖5 拆除胎架后單盤效果圖

4 實(shí)施效果

設(shè)計文件要求單盤焊接后的凹凸度不大于50 mm,從已經(jīng)施工完畢的8座鋼制內(nèi)浮頂儲罐單盤焊接后變形情況來看，除了第一臺施工的5萬立方由于控制措施沒有執(zhí)行到位，實(shí)測的24點(diǎn)，有4點(diǎn)凹凸度為50 mm～70 mm，合格率為75%，其余7臺儲罐單盤在施工過程中嚴(yán)格按照工藝方案進(jìn)行施工，每臺實(shí)測24點(diǎn),僅有3～5點(diǎn)凹凸度為46～49 mm,其余均不大于40 mm。有效地控制了單盤焊接后的凹凸變形，受到監(jiān)理和建設(shè)單位的一致好評，收到了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效果，達(dá)到了預(yù)期效果[3]。

5 結(jié)語

在油庫單盤施工過程中，多次就儲罐單盤焊接變形控制問題進(jìn)行探討，在施工過程中單盤下表面采用焊條電弧焊，上表面采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，從實(shí)施效果來看，最大凹凸度小于50 mm。因此建議在條件允許的情況下，單盤焊接采用焊條電弧焊+CO2氣體保護(hù)焊，既最大限度的減小了單盤焊接凹凸變形，又縮短了工期。實(shí)踐證明，只要采用合理的焊接工藝，加上嚴(yán)格的工藝紀(jì)律，焊接變形是完全可以控制的。