焊接變形原理及其在儲罐底板施工中的應(yīng)用

李樹謙

中國天辰工程有限公司 天津 300400

焊接變形原理及其在儲罐底板施工中的應(yīng)用

李樹謙

中國天辰工程有限公司 天津 300400

儲罐底板焊接變形量的控制是儲罐施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，底板的不平整度直接影響了儲罐的整體使用壽命，為有效避免過大的焊接殘余變形和殘余應(yīng)力，本文利用焊接變形原理，從設(shè)計和施工角度綜合論述了保證儲罐底板平整度的措施。

儲罐底板 焊接變形 殘余應(yīng)力 設(shè)計和施工

鋼制儲罐底板焊接變形量的控制對于儲罐整體使用壽命至關(guān)重要，若底板存在較大凹凸變形，則罐內(nèi)介質(zhì)高度變化產(chǎn)生的壓應(yīng)力致使罐底承受相應(yīng)的交變載荷，易導致罐底板彈性疲勞，從而使儲罐整體失效。

為防止上述失效形式，本文以焊接變形原理為出發(fā)點，綜合考慮設(shè)計和施工因素，確保儲罐底板平整度達到相應(yīng)標準要求。

1 焊接變形原理

1.1 焊接應(yīng)力及變形產(chǎn)生機理

焊接接頭局部區(qū)域的加熱和冷卻的不均勻性，使局部區(qū)域內(nèi)各部分金屬處于從液態(tài)→塑性狀態(tài)→彈性狀態(tài)的不同狀態(tài)，這種不均勻溫度造成的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力，熱應(yīng)力是焊接應(yīng)力及焊接變形的主要原因。焊件冷卻時，被加熱的金屬已產(chǎn)生了壓縮塑性變形，其長度比未被加熱的金屬短，由于周圍金屬的阻礙作用，使焊縫金屬受拉應(yīng)力而周圍金屬受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力大于焊件的屈服極限時，焊件發(fā)生塑性變形。

另外，焊縫金屬在焊接加熱和冷卻過程中，發(fā)生δ→γ→α組織轉(zhuǎn)變，各組織的比容不同，焊縫金屬在冷卻時體積發(fā)生變化，各組織的比體積也不相同，這種變化受周圍金屬的約束，使焊縫及周圍區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變[1][2]。

再者，焊接應(yīng)變和應(yīng)力還受到焊件本身的剛性影響，焊件剛性大或受夾具的限制，焊接變形量小，但會產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力。

因此，焊接熱應(yīng)力、金相組織的比體積差異、焊縫金屬冷卻時產(chǎn)生收縮、焊件本身的剛性及受約束度共同導致了焊接殘余變形及殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

1.2 焊接殘余變形、殘余應(yīng)力和約束的關(guān)系

焊接殘余變形是指由焊接引起的焊件尺寸改變，殘余應(yīng)力指焊件完全冷卻后殘留在焊件內(nèi)的焊接應(yīng)力。

不受約束的焊件在加熱時，其變形屬于自由變形，冷卻后不會有任何殘余應(yīng)力和殘余變形；焊件受絕對約束，只存在殘余應(yīng)力而無殘余變形；焊件若能充分自由伸縮，只存在殘余變形而無殘余應(yīng)力；如果焊件收縮不充分，則既存在殘余應(yīng)力又有殘余變形。

1.3 焊接變形的型式

受焊縫結(jié)構(gòu)型式、焊縫數(shù)量及分布、焊接順序等因素影響，焊接變形分為以下五種基本類型或這幾種變形的組合[1]：

（1）縱向收縮和橫向收縮變形：變形分別平行于焊縫和垂直于焊縫，是最基本的兩種變形；

（2）角變形：橫向收縮量在焊縫厚度方向上不均勻分布所產(chǎn)生的變形，變形使構(gòu)件平面繞焊縫發(fā)生了轉(zhuǎn)動；

（3）彎曲變形：由于焊縫的布置偏離焊件形心軸，而由焊縫的縱向收縮和橫向收縮引起的變形；

（4）扭曲變形：由于裝配不良及施焊順序不合理，致使縱向收縮和橫向收縮沒有一定的規(guī)律而引起的變形。

（5）失穩(wěn)變形：由于焊縫收縮，使剛性較小的構(gòu)件失穩(wěn)而引起的變形，也稱為波浪變形，此類變形在薄板焊接時出現(xiàn)較多。

在罐底板焊接冷卻后，近縫區(qū)受拉應(yīng)力，離焊縫較遠的區(qū)域受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力大于等于臨界應(yīng)力時，底板就會產(chǎn)生波浪變形而失穩(wěn)。

式中：

δ—板厚；

B—板寬；

K—與板的支撐情況有關(guān)的系數(shù)。

1.4 焊接變形影響因素

影響焊接收縮變形量的主要因素有：焊縫截面尺寸的大小，它是產(chǎn)生焊接收縮變形的動力；焊接結(jié)構(gòu)剛度的大小，它是焊接收縮變形的阻力和條件。底板焊縫在設(shè)計和施工時應(yīng)重點從上述兩因素出發(fā)。

2 焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計措施

2.1 盡可能減少焊縫的數(shù)量

編制材料計劃時，綜合考慮底板的直徑及中幅板和邊緣板的類型、寬度和長度，力求使拼接的焊縫數(shù)量最少，避免不必要的焊縫。儲罐底板直徑一旦固定，盡量選擇大規(guī)格鋼板，由于焊縫的縱向收縮量與焊縫長度成正比，采用大規(guī)格鋼板后，罐底板的焊縫長度大量減少，縱向收縮變形也相應(yīng)地減少[3]。

2.2 選擇合理的焊縫尺寸和形狀

焊縫尺寸與焊接變形量及焊接工作量直接相關(guān)，設(shè)計時盡量采用較小的焊縫尺寸，但是焊縫尺寸過小易產(chǎn)生裂紋、熱影響區(qū)硬度過高等缺陷，在保證有足夠承載力的前提下，按板的厚度來選取規(guī)范上可能的最小焊縫尺寸。

焊接坡口形式,采用開坡口的焊縫所需的填充金屬量少，有利于焊接變形的控制；焊接接頭形式，在工作條件良好、不太重要的構(gòu)件中，廣泛使用搭接接頭，搭接接頭雖然應(yīng)力分布不均，疲勞強度低，但因其焊前準備和裝配較對接接頭簡單且橫向收縮量較小，在底板拼接時使用較多,焊腳尺寸，選取工藝上合理的最小焊腳尺寸。

2.3 合理布置焊縫

焊縫盡可能對稱于截面中心軸，或者使焊縫靠近中性軸，以減少結(jié)構(gòu)總的彎曲變形。中幅板搭接焊縫應(yīng)沿著罐底中心線對稱排列，弓形邊緣板以罐底的圓心為中心對稱布置，以相互抵消大部分殘余變形。

3 焊接施工工藝措施

3.1 預(yù)留焊接收縮量

由于焊接收縮量的存在，儲罐底板如按設(shè)計直徑進行下料排版，焊接完成后底板尺寸將會縮減，為此，可事先估算焊接收縮余量，將底板的排版直徑在設(shè)計直徑基礎(chǔ)上適度放大。按照實際經(jīng)驗，排版直徑宜按設(shè)計直徑放大0.15%～0.2%，常取0.15%，若放大量過大，可能導致儲罐經(jīng)長期使用后會致使罐壁外邊緣板向上彎曲，造成大角縫應(yīng)力過大。排版直徑計算公式：

式中：

D—儲罐底板排版直徑；

D0—儲罐底板設(shè)計直徑。

3.2 反變形

焊前將結(jié)構(gòu)裝配成與焊接變形相反方向的預(yù)先反變形，這樣既可以防止構(gòu)件變形又能減少焊接殘余應(yīng)力，從而達到保證焊件安裝精度，儲罐底板邊緣板之間的對接焊縫便利用了此原理。

3.3 剛性固定法

對于剛性較小的焊件，可采用夾具或臨時支撐，增加焊件的剛性，達到減小焊接變形的目的。夾具既可防止鋼板移動又可導熱以便縮小溫度場，進而減小殘余變形。在焊接某一條焊縫時，與其相鄰的兩條焊縫的夾具不可固定太緊，應(yīng)使焊件盡量保持良好的自由收縮。

3.4 合理的焊接方法和規(guī)范

采用較小的焊接能量可以減少焊接變形，底板焊縫施焊時焊接線能量盡量較低，考慮到生產(chǎn)效率，一般每條焊縫分2～3層施焊完；選用能量密度較高的焊接方法，利用等離子弧焊或CO2保護焊代替手工電弧焊可減小焊接變形量；另外，限制和縮小溫度場也有利于減小焊接變形，底板焊接中的逐步退焊和跳焊即是利用此原理。

3.5 合理的焊接順序

3.5.1 底板焊接工藝流程

根據(jù)排版圖及底板焊接變形的規(guī)律，制定合理的焊接施工工藝，儲罐底板基本焊接工藝流程如圖3所示。

合理的焊接順序能夠保證底板焊接時處于相對自由收縮狀態(tài)，使焊接變形量和殘余應(yīng)力最小。儲罐底板總體焊接順序為倒裝法：邊緣板對接由外向內(nèi)300mm徑向焊縫焊接→中幅板短焊縫焊接（由底板中心處開始，由內(nèi)向外展開）→中幅板長焊縫焊接→邊緣板與壁板大角縫焊接→邊緣板間剩余對接焊縫→邊緣板與中幅板間伸縮縫焊接。

3.5.2 邊緣板焊接工藝及其原理

邊緣板之間的焊縫一般設(shè)計為帶墊板的對接焊縫，因邊緣板連接處受力復雜且應(yīng)力集中系數(shù)較高，為改善此處的受力情況，故采用該焊接方法。采用帶墊板的對焊接利用了焊接反變形原理，不但能保證焊透底板根部，提高底板焊縫的焊接質(zhì)量，對于底板結(jié)構(gòu)，相當于增加了加強筋，使儲罐底板的整體結(jié)構(gòu)剛性增加，降低了局部失穩(wěn)的風險。

邊緣板之間的焊接順序為，先焊接由外向內(nèi)的徑向300mm對接焊縫，剩余的焊縫在大角縫焊接完成后施焊。究其原因，先焊外側(cè)是為滿足施工需要，以免大角焊縫底下的邊緣板對接后而無法進行焊接，內(nèi)側(cè)后焊是為了使大角縫和邊緣板外側(cè)對接焊縫處于相對自由收縮狀態(tài)，防止內(nèi)側(cè)板翹曲變形。

3.5.3 中幅板焊接工藝及其原理

中幅板的總體焊接順序為：從底板中心開始，先焊短焊縫，后焊長焊縫。其原因仍是為了控制焊接殘余變形與殘余應(yīng)力，應(yīng)使焊縫自由伸縮，故先焊接變形量大和工作時受力較大的焊縫。

焊接時從底板中心處開始，目的是使內(nèi)部焊縫的橫縱向變形不受外部焊縫的約束，從而達到整體變形量較小的效果。

焊接短焊縫時，焊工均勻分布，采用分段退焊或跳焊，采用此方法的原理主要是縮小焊接溫度場，這樣總的焊接熱應(yīng)力所導致的壓應(yīng)力不至于大于材料的屈服極限而導致材料塑性變形，從而避免了過大的應(yīng)力集中和殘余變形。

焊接長焊縫時，應(yīng)從底板中心處開始，分段進行拼接，盡量使中幅板處于自由伸縮狀態(tài)。另外，長焊縫的焊接最好采用對稱焊，施工現(xiàn)場有長焊縫隔條焊接的情況，從實際情況分析，對稱焊能夠使變形相互抵消，從而避免偏心應(yīng)力，而隔條焊接的總體變形量控制不如對稱焊。

4 工程實例分析

4.1 工程概況

殼牌（天津）潤滑油擴建項目為中國天辰工程有限公司總承包，該項目中罐區(qū)的所有儲罐均為現(xiàn)場制作安裝，筆者以其中的T2126儲罐為例進行分析。

該儲罐為拱頂油罐，總?cè)莘e為5000m3,罐體總高20m，罐體內(nèi)徑18.8m，儲罐底板設(shè)計直徑為18.932m。儲罐底板由中幅板和弓形邊緣板組成，其中中幅板，弓形邊緣板，材質(zhì)為Q345R。

4.2 儲罐底板設(shè)計措施

從設(shè)計角度出發(fā)，鋼板選用較大規(guī)格，保證了罐底板總體焊縫數(shù)量較少并做到焊縫以底板中心線對稱分布，再者，針對焊縫尺寸及形狀，對于邊緣板之間的焊縫，考慮到焊縫受力情況較為復雜并利用反變形原理，將其設(shè)計為帶墊板的對接焊縫，如圖5所示。中幅板之間、中幅板與邊緣板之間的焊縫，考慮到其工況較為單一、受力簡單并考慮到焊前的裝配簡單，故設(shè)計為搭接焊縫。另外，針對底板中三層搭接處應(yīng)力集中較為明顯的情況，將三層搭接處的上層板做切角處理，如圖6所示。

4.3 儲罐底板施工措施

施工工藝方面，儲罐底板在排版時考慮到焊接收縮量的存在，宜將底板直徑適當放大，該儲罐底板設(shè)計直徑為18.932m，根據(jù)3.1分析可知，放大量宜為0.15%，故排版直徑應(yīng)為18.932×（1+0.15%）=18.960m。

由于儲罐底板厚度尺寸遠遠小于其徑向尺寸，故底板屬于柔性結(jié)構(gòu)，為了防止儲罐底板在焊接后出現(xiàn)失穩(wěn)變形，因此，在儲罐底板焊接過程中，對于邊緣板之間的對接焊縫、3層搭接處的焊縫以及通長焊縫處設(shè)置臨時夾具，在焊接時，與該焊縫相鄰的兩條焊縫不可用夾具固定太緊。

選擇合理的焊接參數(shù)，選用J427(4.0)焊條，焊接電流150A。

根據(jù)3.5中對焊接順序進行的分析及排版圖，該儲罐底板的具體焊接施工順序如圖8所示。

在焊接過程中，要求4個焊工均勻分布在儲罐底板上并盡量做到同時勻速，采用逐步退焊、跳焊法進行焊接施工，同時要求焊接過程中始終保證焊接環(huán)境良好。需要注意的是，在底板焊接時對于三層搭接焊縫，應(yīng)在切角后先行焊接一道焊縫，另外，邊緣板與中幅板間的收縮縫在大角縫焊接完成后施焊。

5 結(jié)論

儲罐底板焊接變形是焊接殘余應(yīng)力與殘余應(yīng)變共同作用的結(jié)果，通過對焊接變形原理進行深入分析并在儲罐底板設(shè)計和施工措施中充分應(yīng)用焊接變形原理，采用具體合理的施工工藝措施，如焊接參數(shù)、焊接順序、焊接方法、剛性固定及反變形法等，能夠有效控制儲罐底板的焊接變形。筆者利用上述原理在實際工程應(yīng)用中，對大型儲罐底板焊接變形量的控制取得了良好效果。

1王寬福.壓力容器焊接結(jié)構(gòu)工程分析 [M].北京：化學工業(yè)出版社,1998.20～25.

2張文鉞.焊接冶金學基本原理 [M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.4.10.

3焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造(XV)委員會等編.焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊（第一篇）.北京：機械工業(yè)出版社,1990.47-51.

TE98

B

1672-9323（2011）04-0060-04

2011-06-06）