大直徑貯罐焊接變形控制

劉金宏

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

大直徑貯罐焊接變形控制

劉金宏

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

三廢工程是我院三廢后處理中的重要組成部分，其低放廢液貯罐屬于該工程中較大的設(shè)備，為了保證焊接變形在可控的范圍內(nèi)，避免因罐底出現(xiàn)較大焊接變形，在裝滿低放廢液時(shí)造成罐底的蠕變失效，進(jìn)行了本次大直徑貯罐的焊接變形研究。通過(guò)本次研究和實(shí)踐，使低放廢液貯罐的焊接滿足了圖紙和規(guī)范的要求，并且讓我院在焊接變形控制的工程經(jīng)驗(yàn)積累上有了較大的提高。

三廢工程；貯罐；焊接；變形控制

在三廢處理的過(guò)程中經(jīng)常有大量的低放廢液需要存貯在大容量的不銹鋼貯罐中，這種貯罐一般由于直徑較大，在建造過(guò)程中的焊接變形成為工程中的難題。本文主要介紹了我院三廢工程中的低放廢液貯罐在制造過(guò)程中通過(guò)特殊的工藝進(jìn)行焊接變形的控制。

1　低放廢液貯罐的特點(diǎn)

低放廢液貯罐直徑為φ9 000 mm，高5 000 mm的不銹鋼罐體。為了便于清洗，在筒體與底板的連接處設(shè)計(jì)了如圖1所示的圓弧結(jié)構(gòu)。

圖1　圓弧結(jié)構(gòu)

低放廢液貯罐在制造時(shí)分為罐頂、筒體和罐底三個(gè)部分。罐頂由厚度為4 mm的不銹鋼板拼接成直徑為φ9 200 mm圓形結(jié)構(gòu)，上部有輻射狀的加強(qiáng)筋板結(jié)構(gòu)，罐頂與筒體之間角焊縫焊接。筒體為厚度6 mm的不銹鋼板卷制，與罐底對(duì)接焊接。罐底為厚度6 mm的不銹鋼板拼接而成，在罐底與筒體連接處有如圖1 所示的圓弧結(jié)構(gòu)。

2　低放廢液貯罐的焊接

2.1技術(shù)難點(diǎn)

首先，低放廢液貯罐焊接屬于大面積薄板焊接，罐頂、筒體、罐底均由不銹鋼板拼接而成，造成焊接應(yīng)力和變形較為復(fù)雜。另外制作罐底圓弧形結(jié)構(gòu)的設(shè)備限制，只能制作如圖1所示的豎邊高度為100 mm，徑向邊為850 mm，弧長(zhǎng)為1 500 mm的圓弧板結(jié)構(gòu)，并且還要保證每相鄰兩道對(duì)接焊縫的距離在300 mm以上，這樣就更增加了罐底焊縫的數(shù)量，特別是因?yàn)橛姓燮鸬?00 mm的豎邊，在焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力就更為復(fù)雜。其次，規(guī)范要求罐底的平面度最大不超過(guò)50 mm，對(duì)于直徑為φ9 000 mm的薄板焊接，特別是焊縫復(fù)雜的薄板焊接更是帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

2.2焊接變形特點(diǎn)及分析

一般情況下焊接變形的基本形式有收縮變形、扭曲變形、彎曲變形、角變形和波浪變形。焊接過(guò)程中產(chǎn)生焊接變形的最根本原因是焊縫處金屬與非焊縫處金屬非均勻加熱與冷卻產(chǎn)生的應(yīng)力，從而導(dǎo)致焊接變形。

根據(jù)焊接變形形成的原因，針對(duì)焊接變形的基本形式，確定了如下焊接工藝措施：

（1）反變形法，這種方法是焊縫可以自由伸縮。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)需預(yù)先留出供焊接收縮量的補(bǔ)償所需的余量，或者是在焊件的一面焊接完成后，在背面根據(jù)變形的情況控制背面焊接時(shí)的焊接電流和速度，達(dá)到控制變形的目的。

（2） 剛性固定法，這種方法焊縫不能自由收縮，產(chǎn)生的焊接應(yīng)力主要由剛性骨架抵消。由于低放廢液貯罐為塑性較好的不銹鋼材質(zhì)，可以在焊接前對(duì)要焊接的工件進(jìn)行剛性固定，焊后等焊接工件冷卻到室溫后在去掉剛性固定，可以有效的防治波浪變形。此方法會(huì)增加焊接內(nèi)部應(yīng)力。

（3）選擇合理的焊接順序，這種方法焊縫能夠自由收縮。在使用這種方法時(shí)的主要原則有：在焊接多塊鋼板拼接時(shí)，應(yīng)先焊接短焊縫，后焊接長(zhǎng)焊縫；如果焊縫較長(zhǎng)時(shí)，可以采用對(duì)稱焊法、跳焊法、分段逐步退焊法和交替焊法；在焊接多塊鋼板拼接時(shí)，應(yīng)從內(nèi)向外焊接，使自由端始終保持在外。

（4）焊前預(yù)熱和焊后保溫。在焊接前在焊縫周圍約200 mm范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱的目的是減少焊縫區(qū)域與焊件其它部分的溫差，使焊接時(shí)不會(huì)讓焊件局部突然升溫，從而產(chǎn)生應(yīng)力，焊后保溫是降低焊縫區(qū)的冷卻速度，使焊件能較均勻的冷卻下來(lái)，從而減少焊接應(yīng)力與變形。

2.3低放廢液貯罐各部分的施焊工藝

2.3.1罐底的焊接

受制于制作設(shè)備的限制，罐底與筒體連接處只能制作出圖1所示尺寸的零件，最后排出圖2所示的焊縫排布，其中第6、7、8、9塊不銹鋼板的設(shè)置主要是避免出現(xiàn)相鄰兩個(gè)對(duì)接焊縫的距離小于規(guī)定的300 mm范圍內(nèi)。由于焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要采取多種焊接變形的控制措施。在選用焊接順序時(shí)，采用由內(nèi)向外依次進(jìn)行的方法，即先焊接內(nèi)部的圓形部分，最后焊接周圍的扇形部分。在焊接圖中的長(zhǎng)焊縫時(shí)，采用由內(nèi)向外的對(duì)稱焊法、跳焊法、分段逐步退焊法和交替焊法等方法的結(jié)合。由于扇形部分分塊較多，在整體焊接前先將扇形部分按照順序每3塊焊接在一起，這樣既能減少在整體焊接時(shí)的焊縫數(shù)量，又能夠留出足夠多的自由端供焊縫的收縮。在焊接時(shí)也采用了反變形的方法和剛性固定法。在焊接每?jī)蓧K不銹鋼板的時(shí)候，使兩塊板之間成一定角度再進(jìn)行施焊，這樣在焊縫冷卻后通過(guò)收縮使兩塊不銹鋼板的表面達(dá)到平整，如果變形過(guò)大，也可以在背面封底焊時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)電流和焊接速度的大小控制反變形的程度。在施焊前，用工字鋼將每道焊縫兩側(cè)的鋼板固定成剛性連接，最后在罐底整體焊接完成后，所做的工字鋼剛性連接件成為一個(gè)網(wǎng)格狀的整體剛性結(jié)構(gòu)。通過(guò)以上防變形的措施，最后焊接完成后罐底的平面度達(dá)到30 mm以下，滿足規(guī)范的要求。

圖2　焊縫排布圖

2.3.2筒體的焊接

低放廢液貯罐的筒體主要由幅寬1 500 mm，長(zhǎng)6 000 mm，厚度為6 mm的不銹鋼板拼接而成。筒體的焊接順序是先將罐底就位，然后在將最下面的第一層焊接到罐底上，再將第二層焊接在第一層上，依次類推完成筒體的焊接。在焊接前通過(guò)焊縫結(jié)構(gòu)分析，確定采用的焊接變形的控制方法為剛性固定法、反變形法、由內(nèi)向外的順序焊接法。

在焊接前，先制作一個(gè)外徑與筒體的內(nèi)徑相同環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)，將第一層筒體與罐底、環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)點(diǎn)焊固定后施焊。在焊接順序的選擇上，首先是第一層的各不銹鋼板端頭縱縫焊接完成（留一個(gè)到兩個(gè)焊縫不焊，作為自由端），然后再焊接與罐底的環(huán)縫，依次類推焊接上面幾層的筒體。在焊接時(shí)也采用了反變形的方法和剛性固定法。

2.3.3罐頂?shù)暮附?/p>

罐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)為平板上加筋板的結(jié)構(gòu)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式排布出如圖3所示的 焊縫排版圖。焊接時(shí)將筋板覆蓋的焊縫處焊接，再將筋板組對(duì)到排布好的不銹鋼板上進(jìn)行焊接，使筋板成為一個(gè)整體的剛性結(jié)構(gòu)件，然后將罐頂在徑向按照筋板的排布分為3個(gè)區(qū)域。首先將最內(nèi)側(cè)的區(qū)域的筋板與不銹鋼板斷續(xù)交錯(cuò)焊接，以便對(duì)其進(jìn)行剛性固定，然后完成該區(qū)域不銹鋼板的對(duì)接焊接。按照同樣的順序完成中部區(qū)域和最外側(cè)區(qū)域的焊接。最后完成筋板與不銹鋼圓板的整體焊接。在防焊接變形的控制上也采用了剛性固定法和反變形法。

圖3　焊縫排版圖

通過(guò)以上的焊接變形的控制方法和工藝措施，完成了低放廢液貯罐的焊接工作，使焊接完成的貯罐達(dá)到圖紙和規(guī)范的要求，對(duì)三廢工程的質(zhì)量和工程進(jìn)度提供了有力的保障。

3　結(jié)論

通過(guò)低放廢液貯罐的制作，使反變形法、剛性固定法、合理焊接順序法、輸入能量控制法等防止焊接變形的方法從理論推算到工程實(shí)踐的應(yīng)用，達(dá)到有機(jī)的結(jié)合，使我院在大直徑薄板貯罐的制作中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

［1］ 陳祝年編 .焊接工程師手冊(cè)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社.

［2］ 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè)［M］. 機(jī)械工業(yè)出版社.

［3］ 傅榮柏編 .焊接變形的控制與矯正［M］. 機(jī)械工業(yè)出版社.

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1671-0711（2016）08（下）-0070-02