大型儲罐罐壁幾何尺寸的控制

杭萬紅 中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 210046

隨著石油化學(xué)工業(yè)的不斷發(fā)展以及國家原油儲備庫的建設(shè)，大型儲罐越來越多地應(yīng)用于原油儲運工程，大型原油罐正以較快的速度建設(shè)發(fā)展。

本文就我公司承建的海南新增原油罐工程T03、T04 兩臺十萬立罐安裝，在罐壁成形施工控制中取得的一些經(jīng)驗和體會的基礎(chǔ)上，探討大型儲罐罐壁幾何尺寸的控制方法。十萬立原油儲罐較典型的結(jié)構(gòu)形式為外浮頂結(jié)構(gòu)，儲罐直徑為80 米，壁高為21.8 米，罐壁共計九圈。其中，第一至第六圈為δ=32～12mm 的12MnNiVR 鋼板，第七圈為δ=12mm 的16MnR 鋼板，第八圈、第九圈為δ=12mm 的Q235-B 鋼板。在第六至九圈壁板上安裝有三圈加強圈、二圈抗風(fēng)圈、一圈包邊角鋼。底圈罐壁接管板在焊后進(jìn)行消應(yīng)力整體熱處理。目前我公司在大型儲罐施工中主要采用預(yù)制工廠化，安裝作業(yè)流水化，焊接全方位自動化工藝進(jìn)行施工。其中，壁板安裝采用外腳手架正裝、壁板凈料組對法。

1 罐壁幾何尺寸的控制

壁板坡口設(shè)計的外形尺寸，壁板預(yù)制幾何尺寸、底圈接管板焊后圓弧度，加強圈、抗風(fēng)圈預(yù)制安裝的圓弧度、壁板組裝工藝以及組裝的幾何尺寸、壁板焊接變形等都會造成罐壁幾何尺寸的偏差。下文從影響罐壁幾何尺寸因素方面逐一分析，并提出相應(yīng)的控制措施。

2 預(yù)制階段

⑴壁板坡口的設(shè)計。從焊接實踐中，焊接坡口型式及大小與焊接角變形關(guān)系密切，為更好地控制焊接質(zhì)量和焊接變形，壁板的坡口尺寸不能完全采用設(shè)計提供的坡口型式，應(yīng)從材質(zhì)、壁板厚度、焊接線能量、焊接變形、工藝評定等實際情況出發(fā)，科學(xué)確定壁板坡口尺寸。另外，考慮到底圈壁板在罐底上組對的便利，將其設(shè)置成外側(cè)大坡口的形式，二至九圈壁板利用外腳手架組對，將其設(shè)置成內(nèi)側(cè)大坡口的形式。具體坡口的設(shè)計修改見下圖1 和圖2。

⑵罐壁板的尺寸控制。罐壁板的下料質(zhì)量直接影響儲罐的安裝質(zhì)量。罐壁板預(yù)制采用數(shù)控龍門切割機進(jìn)行，由于采用凈料組對工藝，每一張壁板的預(yù)制尺寸必須嚴(yán)格控制在較小的偏差范圍內(nèi)。

⑶罐壁板圓弧度的控制。第一、第二圈壁板立縫坡口為雙面“X”型坡口。其中第一圈立縫先焊外側(cè)、再焊內(nèi)側(cè)，由于立縫內(nèi)側(cè)有〖型弧板固定以及銅墊內(nèi)冷卻水散熱作用，因而外側(cè)焊后立縫角變形較小;而外側(cè)無卡具固定及銅墊冷卻作用，因而內(nèi)側(cè)焊后角變形較大。為防止焊接時出現(xiàn)角變形，第一圈壁板卷板及組對時需采取圖3 所示的反變形措施。第二圈立縫先焊內(nèi)側(cè)、再焊外側(cè)，卷板及組對采取的反變形措施則與第一圈壁板相反。其它各圈壁板為單面“V”型坡口，在內(nèi)側(cè)從下至上一次焊接成型。因單面氣電立焊的焊接角變形很小，故壁板在預(yù)制及組對時無需采取反變形措施。因此，卷板時板端部按設(shè)計弧板即可。

圖3 卷板及組對反變形示意

⑷底圈接管板的預(yù)制變形控制。由于底圈接管壁板在焊接完成后需進(jìn)行整體熱處理，熱處理壁板的成形對以后組對時的環(huán)縫棱角度、垂直度將產(chǎn)生較大影響，因此控制好底圈接管板的成形就至關(guān)重要。底圈接管板的主要施工方法為:.帶接管的底圈壁板滾弧后，臥置在凸胎上號線、開孔、組裝接管及補強板。補強板安裝前進(jìn)行滾弧，弧度與壁板弧度相同。全部組裝完成后翻轉(zhuǎn)至凹胎上進(jìn)行內(nèi)側(cè)焊接。內(nèi)側(cè)焊接后，在人孔、進(jìn)出油口等口徑較大的接管周圍打上三塊橫向弧板和兩塊縱向筋板，在其它小接管周圍打兩根橫向弧板，見圖4。翻轉(zhuǎn)、吊運壁板至凸胎上，用卡具將壁板與凸胎固定后焊接外口。對直徑較大的接管應(yīng)采取雙人對稱焊接。按此工藝制作的熱處理壁板成形較為理想，完全滿足規(guī)范和施工的要求。

圖3 卷板及組對反變形示意

3 安裝階段

⑴立縫角變形控制。在罐體的立縫焊接中，由于十萬立罐第一二圈壁板是雙面坡口。針對雙面坡口氣電立焊焊接變形規(guī)律，在控制立縫角變形時，主要是采取反變形棱角度進(jìn)行控制。立縫的反變形棱角度通過壁板的預(yù)制一般可以實現(xiàn)，但如果達(dá)不到要求，我們還可以通過組對的卡具進(jìn)行補償，即用卡具強行組對出棱角度。反變形棱角度一般控制在3mm。這里，不主張采用在背面焊接防變形弧板的方法，因為這不僅會消耗許多人力、物力、時間，還會增加補焊打磨檢測的工作量。

⑵立縫垂直度控制。罐壁的整體垂直度主要是通過立縫的垂直度來控制的。立縫焊接采用氣電立焊焊接。由于氣電立焊焊接會使壁板呈外張趨勢，因此在組對壁板時應(yīng)采用預(yù)傾斜工藝。各圈壁板預(yù)傾斜的數(shù)值宜為:第一圈壁板預(yù)傾斜應(yīng)以5-7mm 組對為宜，第二圈以5mm組對為宜，在后面的壁板安裝中預(yù)傾斜量應(yīng)逐漸遞減，至δ=15，12mm的壁板安裝中，壁板可按照垂直進(jìn)行組對。另外，焊機的機型不同，預(yù)傾斜量可能不同，我們還要在實踐中不斷觀察和總結(jié)，不能一概而論。在立縫組對時，還應(yīng)該參照已安裝完的壁板的總體垂直度進(jìn)行組對，對垂直度偏差較大處的壁板應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行糾正。在組對立縫時，可能會有某些原因?qū)е麓怪倍鹊臏y量值不能完全正確反映理論值，這時應(yīng)該以立縫的組對間隙進(jìn)行組對控制，不能片面的追求單圈壁板的垂直度。

⑶底圈壁板組對尺寸控制。底圈壁板的水平度是影響罐總體成形尺寸的關(guān)鍵因素，必須嚴(yán)格控制在規(guī)范范圍內(nèi)。水平度的控制主要取決于罐底邊緣板的焊接變形控制，除對罐底基礎(chǔ)進(jìn)行認(rèn)真驗收外，罐底邊緣板的焊接變形一定要嚴(yán)加控制。對壁板水平度超標(biāo)處采用墊鐵進(jìn)行找平，直至滿足要求。相鄰兩塊壁板的上口水平度允許偏差不大于2mm，任意兩塊壁板的上口水平度允許偏差不大于6mm。為防止壁板的自重引起水平度的變化，有必要對第二圈壁板水平度進(jìn)行找平。

⑷環(huán)縫組對尺寸控制。環(huán)縫的大坡口在內(nèi)側(cè)，先進(jìn)行內(nèi)側(cè)坡口的焊接。環(huán)縫往往由于外壁坡口打磨過深，焊縫內(nèi)凹的現(xiàn)象就很容易發(fā)生，這樣直接導(dǎo)致了罐壁的較差成形。因此，我們就對壁板的橫縫坡口尺寸進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷?。另外通過觀察還發(fā)現(xiàn)，環(huán)縫的角邊形與組對間隙的大小還有很大關(guān)系。環(huán)縫的角變形控制，關(guān)鍵還在于里口大坡口的焊接，如果里口焊接后角變形大(外凸)，這時候通過外口打磨的深淺稍加控制即可，但如果里口變形很小，這時外口焊接后，環(huán)縫一般都是呈內(nèi)凹狀態(tài)，成形較差。因此焊縫里口焊接時的角變形能夠足夠大就成為關(guān)鍵。通過觀察，間隙小的焊縫在里口焊完后角變形一般都比較大(其實這和焊接操作有很大的關(guān)系)，但對于雙面坡口的焊縫，間隙太小會導(dǎo)致焊接穿透不好，這樣會極大的增加打磨的工作量。綜合考慮，對口間隙能夠保證在1-1.5mm(厚板，雙面坡口)、0-0.5mm(薄板，單面坡口)，這時只要焊接方式合適，焊縫成形都可以很好控制。

⑸大角縫組對控制。為防止大角縫焊接所引起的角變形，必須在罐內(nèi)側(cè)邊緣板上設(shè)置槽鋼支撐與罐壁相連，每張邊緣板設(shè)三根斜支撐，必須有一根斜支撐盡量靠近邊緣板對接縫，同時以不影響橫縫、角縫、邊緣板平縫自動焊機行走為宜。斜支撐的加設(shè)應(yīng)在第一圈罐壁焊接完成后進(jìn)行，同時能起到矯正底圈罐壁垂直度的作用。

⑹加固圈、抗風(fēng)圈安裝引起的罐壁變形控制。由于加固圈、抗風(fēng)圈的圓弧度對罐壁的圓弧度、垂直度及成形有很好的調(diào)節(jié)作用，為更好地調(diào)整罐壁圓弧度，改善儲罐幾何尺寸，增加儲罐的剛性和穩(wěn)定性，加強圈、抗風(fēng)圈應(yīng)在其所在壁板的上一圈壁板安裝前安裝。先在壁板上劃線，安裝焊接三角支架。分兩個作業(yè)組，從同一起點(抗風(fēng)圈則要在盤梯洞口處)向兩側(cè)安裝加強圈、抗風(fēng)圈，用千斤頂和其他工具調(diào)整加強圈、抗風(fēng)圈，使內(nèi)弧與壁板壓緊靠實，并使上表面水平、接頭處圓弧過渡，符合要求后點固焊。加強圈、抗風(fēng)圈的焊接順序為:先焊與三角架間的焊縫，次焊加強圈、抗風(fēng)圈間的對接接頭，再焊與壁板間的仰臉斷續(xù)焊，最后由多名焊工均勻分布，采用跳焊或分步退焊法的方法，同向同時焊接與壁板間的上表面連續(xù)角焊縫?？刂埔c:加強圈、抗風(fēng)圈組焊的時機，加強圈、抗風(fēng)圈接頭的圓弧度;加強圈、抗風(fēng)圈的焊接程序。

⑺焊接返修的防變形控制。焊接返修容易造成罐壁的變形，因此，返修前必須根據(jù)超聲波的定位深度選擇返修的內(nèi)外表面。另外，壁板焊縫已經(jīng)出現(xiàn)棱角變形的，我們必須根據(jù)反變形的原理來決定返修的內(nèi)外表面，以此來盡量降低焊縫的變形。必要時，在返修背面加設(shè)反變形背杠。為了考慮焊縫的整體外觀質(zhì)量，尤其是下方幾圈的焊縫，應(yīng)盡可能地選擇在焊縫里口進(jìn)行返修。

4 工藝實施結(jié)果

通過采取上述施工工藝及嚴(yán)格的質(zhì)量管理，我公司承建的海南新增原油罐工程T03、T04 兩臺十萬立罐安裝中，經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理方和質(zhì)量監(jiān)督站聯(lián)合檢查，儲罐主體罐壁成形良好，幾何尺寸符合設(shè)計和規(guī)范要求。兩臺十萬立罐經(jīng)實測實體質(zhì)量如表1 和表2:

5 結(jié)束語

大型儲罐的罐壁成形雖然有時難以控制，但是只要按照正確的施工工藝，尤其是在施工的各個環(huán)節(jié)中多加控制，就能夠很好地控制住幾何尺寸。如果在壁板預(yù)制成形、組對的程序化、焊接時的規(guī)范操作某些細(xì)節(jié)方面再能夠不斷地探索、研究、創(chuàng)新、運用，不但能夠加緊各工序間的銜接，縮短施工周期，對質(zhì)量控制方面更能起到事半功倍的效果。

［1］《大型浮頂原油儲罐總體形狀尺寸的控制》，董月功.

［2］《大型儲罐焊接技術(shù)》，夏吉龍.

［3］《大型鋼制儲罐焊接變形控制》，梅曄.