兰州石化公司2009届实习生论文
十万立方储罐罐底板焊接变形与控制
作 者：苗 峰 指导老师：
单 位：中石油第二建设公司第一分公司 时 间：2010年6月25日
十万立方储罐罐底板焊接变形与控制
摘 要：大型储罐罐底板焊接及变形控制是保证储罐整体施工质量的关键环节，通过对大型储罐底板焊接变形产生的机理和变形原因的分析，结合生产实践，总结了10万方储罐控制底板焊接变形的工艺措施，施工过程中取得较好效果。
关键词：大型储罐 底板 变形 控制
近年来，大型钢制储罐是石油行业非常重要的储运设备，越来越多地用于原油、成品油等储运工程，随之储罐的单位容积也越来越大，质量要求也越来越高，在大型储罐的施工中，焊接变形的控制对施工质量尤为重要。特别是大型储罐罐底面积大，且罐底中幅板厚度与长、宽相比，尺寸相差悬殊。因此在施焊过程中控制罐底板的焊接变形是保证储罐质量的主要技术问题之一。本文以钦州国际储备库中石油第二建设公司项目部10万立方米原油储罐底板焊接为例。对10万立方储罐罐底板焊接变形产生的原因及控制措施进行讨论。
1焊接变形的形成
1.1结构形式
罐底边缘板板厚20mm，材质为12MnNiVR；罐底中幅板厚度为12 mm， 材质为Q235B，采用带垫板的对接接头。垫板采用厚度为5mm的扁钢。结构如图1-1所示。
图1-1带垫板对接接头型式
1.2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急剧下降达常温。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。 1.3焊接变形的估算
现以三个方向上的变形分别进行估算。 (1) 对接焊缝的纵向收缩变形
对接焊缝的纵向收缩是由位于焊缝接头附近总宽度区域承受。对于低碳钢或合金钢从资料中收集的纵缝收缩量公式为：
?L??ILnS?10?5mm
????①
式中： I——焊接电流/A； S——板厚/mm； L——焊缝长度/mm； ?——焊条直径/mm； n——焊接层数。
为方便起见，现场焊接对接焊缝的纵向收缩变形取焊缝长度的1/1000；不锈钢之类的取焊缝长度的1.5/1000。
(2) 对接焊缝的横向收缩变形
从资料中得对接焊缝的横向收缩量估算式为：
?b?5.16AS?1.27d mm ????②
式中： A——焊缝横截面面积/mm2； S——板厚/mm； d——焊根对口间隙/mm。 实际对接焊缝的横向收缩要复杂得多。对待横向收缩应具体分析，综合考虑进行估算。 （3）角焊缝的纵向收缩和横向收缩变形
经研究表明角焊缝的纵向收缩主要是有关焊缝总截面的函数，板材越厚越宽对收缩的限制就越大，且在十万罐的施工中第一圈壁板和边缘板为高强钢板，所以角焊缝的纵向收缩可忽略。对于两条连续角焊缝的T形接头横向收缩量的估算式为：
?b?0.04HSmm ????③
式中：H——焊接高度/ mm； S——板厚/ mm。
1.4罐底板主要变形形式
（1）波浪变形 波浪变形的产生原因有两种，一种是板的对接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。
（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。
2 焊接变形分析
(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。
(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。中幅板的分析、预测，并采取相应的措施以控制和调整变形是罐底焊接变形控制中的最重要一环。
(3)边缘板与第一圈壁板角焊缝的焊接过程中，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。
(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．此时浮舱与罐底已经进行了组对，依靠浮舱和罐壁的自重。浮舱的多点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不会产生较大的变形。
3焊接变形的控制
3.1罐底焊接顺序
为减少罐底的焊接变形，采用自由收缩法施工，罐底组对焊接顺序为：边缘板组对、点焊→边缘板外侧300mm焊缝焊接→中幅板短焊缝组对焊接→长焊缝组对焊接→组对焊接通长缝→边缘板与壁板大角缝组对焊接→边缘板剩余对接焊缝焊接→边缘板与中幅板收缩缝组对焊接； 3.2边缘板的焊接
边缘板外缘300 mm的焊接根据有关焊接规范要求，在铺设过程中，边缘板与垫板一侧
点焊，一侧处于自由状态如图3-1所示。
垫板活口 点焊定位 图3-1边缘板与垫板间焊接
边缘板的组对采用不等间隙，外侧先焊的部分较小，为6～8mm，内侧较大，为10～12mm。以便在先焊外侧300 mm的过程中，由于焊缝的热收缩间隙归于一致，保证焊后边缘板的平整度，防止出现局部突起；边缘板对接缝施焊前采用龙门架加固。
边缘板的焊接采用手工电弧焊，顺序为：先焊外侧300mm，由里向外施焊，注意层间接头相互错开30-50mm。外侧加引弧板防止收弧产生缺陷。边缘板的焊接先留有四道收缩缝，将其它焊缝对称施焊完后再组对焊接这四道收缩缝，所有边缘板对接缝焊接时要用背杠加固，以减少焊接变形；
由于边缘板板厚为20 mm，焊缝将会产生横向收缩，造成角变形，为防止角变形即采用反变形法控制边缘板变形，方法如图3-2所示。
垫板 圆销 边缘板 防变形板
图3-2反变形法
焊前施焊部位应预热至100℃，控制道间温度，焊后保温。边缘板对接缝采用垫板。在组对时除保证间隙的不等外，还应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。 3.3中幅板的焊接
罐底板按排版图铺设，先铺设垫板，当垫板需接长时，应采用对接接头，焊接完毕应