SUS304不銹鋼儲罐焊接的變形量控制

寇建峰

大慶油田工程建設(shè)有限公司油建二公司，黑龍江大慶163000

SUS304不銹鋼儲罐焊接的變形量控制

寇建峰

大慶油田工程建設(shè)有限公司油建二公司，黑龍江大慶163000

SUS304不銹鋼線膨脹系數(shù)是碳鋼的1.5倍，焊接應(yīng)力不易釋放，焊接變形大，焊后糾正較難。確保儲罐焊接變形一次性控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，以減少儲罐返修量是重點需解決的問題。結(jié)合大慶煉化公司年度重點項目——丙烯酰胺裝置安裝工程II標(biāo)段的工程施工，在簡要分析了產(chǎn)生焊接變形原因的基礎(chǔ)上，較為詳細地論述了在對SUS304不銹鋼儲罐進行焊接時，采取加強員工培訓(xùn)、加強質(zhì)量管理、合理制訂工藝參數(shù)、選擇合理的焊接次序、適當(dāng)使用反變形和強制變形手段等管理與技術(shù)措施，成功地完成施工任務(wù)的內(nèi)容。

SUS304不銹鋼；儲罐；焊接變形；控制措施

2009年，大慶油田工程建設(shè)有限公司承擔(dān)了大慶煉化公司丙烯酰胺裝置安裝工程II標(biāo)段的施工任務(wù)，主要工程內(nèi)容是：新建1 000 m3不銹鋼儲罐3座、100 m3不銹鋼儲罐2座、200 m3和300 m3不銹鋼儲罐各1座，罐板材質(zhì)為SUS304（0Gr18Ni9）不銹鋼。罐頂、罐壁、罐底均采用對接焊接。由于SUS304不銹鋼線膨脹系數(shù)是碳鋼的1.5倍[1]，因此焊接應(yīng)力不易釋放，焊接變形大，不易控制，焊后糾正較難。如何盡量確保儲罐焊接變形一次性控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，減少儲罐返修量是急需研究和解決的問題。

不銹鋼儲罐罐底容易產(chǎn)生角變形、局部凹凸變形和波浪變形，罐壁板立縫容易產(chǎn)生撓曲變形和角變形（主要是內(nèi)凹變形），罐壁環(huán)縫主要產(chǎn)生角變形（局部內(nèi)凹變形即掐腰），儲罐接管等也容易產(chǎn)生內(nèi)凹變形，而罐頂焊接方式與罐底相同，產(chǎn)生的變形相似。因此，要減少SUS304不銹鋼儲罐焊接的變形量，就要認(rèn)真分析找到產(chǎn)生變形的原因，從而有針對性地加以控制，達到理想的控制要求。

1 產(chǎn)生焊接變形的原因

通過調(diào)查分析，得到以下幾條導(dǎo)致儲罐發(fā)生變形的主要原因：其一，員工操作技能不熟練；其二，質(zhì)量管理不到位；其三，焊接參數(shù)不當(dāng)；其四，焊接順序選擇不當(dāng)；其五，未采取反變形措施或措施使用不當(dāng)；其六，工裝卡具使用不當(dāng)或未使用。

2 相關(guān)技術(shù)措施

2.1 加強員工培訓(xùn)

為了使員工對不銹鋼材質(zhì)有一個清晰的認(rèn)識，聘請了焊接專業(yè)的大學(xué)教授和煉化公司基建管理部門的有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)給員工講解不銹鋼焊接方面的知識。同時，還專門聘請了具有豐富施工經(jīng)驗的專業(yè)人員，針對不銹鋼儲罐施工的全過程進行授課，并對關(guān)鍵技術(shù)難題進行講解，在講解的基礎(chǔ)上，有針對性地進行各工種技術(shù)培訓(xùn)。培訓(xùn)內(nèi)容上特別設(shè)計安排了模擬儲罐平焊、立焊、橫焊的課程。

2.2 加強質(zhì)量管理

加強對質(zhì)量管理人員的培訓(xùn)工作，針對不銹鋼焊接變形問題，強化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的學(xué)習(xí)，以加強現(xiàn)場質(zhì)量管理。強化職工思想教育，完善各項管理制度，加大考核力度，實行獎罰制度。對工人采取分組管理，成立鉚工和焊工各一組，分別由各組組長負責(zé)管理。當(dāng)管理人員發(fā)現(xiàn)儲罐出現(xiàn)質(zhì)量問題時，分別由兩個小組長參與分析，找出原因，落實獎罰。其一是能做到賞罰分明，其二是能讓各小組認(rèn)識到問題產(chǎn)生的原因，從而在后續(xù)施工中采取相應(yīng)的措施加以預(yù)防。通過分組管理，不僅增強了員工個人的質(zhì)量意識，而且加強了團隊合作能力。比如：焊工明確了嚴(yán)格執(zhí)行工藝參數(shù)、實現(xiàn)焊工作業(yè)的同步性等，盡量減少返修給鉚工帶來的麻煩；鉚工盡量控制組對精度，以減少給焊工帶來的困難。

2.3 合理制訂工藝參數(shù)

根據(jù)設(shè)計要求進行了不銹鋼儲罐焊接模擬試驗，并對試驗的參數(shù)進行收集，最終得出比較符合實際的工藝參數(shù)，參數(shù)的執(zhí)行和修改設(shè)專人管理。施工過程中由于導(dǎo)線過長、環(huán)境情況不同等原因，需要適當(dāng)調(diào)整焊接參數(shù)時，可向參數(shù)管理人員申請，管理人員會組織有關(guān)人員進行焊接參數(shù)試驗，并運用統(tǒng)計方法分析數(shù)據(jù)，給出合適的焊接參數(shù)并作調(diào)整記錄，而焊工不得隨意改變參數(shù)。

無論在何種位置焊接，焊接參數(shù)選用的原則是[2]：盡量采用小電流、快焊速、窄焊道、多層多道焊的工藝，并控制層間溫度在100℃以下。

通過采用合理的工藝參數(shù)，適當(dāng)減少熱輸入量等，從而有效地控制了焊縫收縮與焊接變形。表1～表3所示為1 000 m3儲罐的部分焊接工藝參數(shù)。

表1 罐底板平焊焊接參數(shù)

表2 罐壁板立縫焊接參數(shù)

表3 罐壁板橫縫焊接參數(shù)

2.4 選擇合理的焊接次序

（1）罐底板焊接時先焊短焊縫，后焊長焊縫。短焊縫焊接時先焊外側(cè)，后焊與介質(zhì)接觸的內(nèi)側(cè)，焊接內(nèi)側(cè)前，先進行清根。打底焊接時應(yīng)從中心向兩端分段退焊，分段長度為隔300 mm焊150 mm。焊接時由一名焊工完成。長焊縫焊接時，由2名焊工同時從中間向兩側(cè)分段退焊，嚴(yán)格控制焊接速度，盡量將焊接速度保持一致。分段長度可適當(dāng)加長，一般以隔400 mm焊200 mm為宜。分段退焊可有效防止波浪變形產(chǎn)生，見圖1。而長焊縫焊接最重要的是控制總體先后焊接順序，正確的焊接次序可有效防止局部凹凸變形，見圖2。底板焊接時必須嚴(yán)格執(zhí)行焊接次序，在上道工序焊縫未焊接完畢之前，不得進行下道焊縫的點焊固定。

圖1 分段退焊示意

（2）罐壁縱縫外側(cè)打底焊時，首先應(yīng)從罐壁縱縫中心開始，向焊縫上邊緣的方向焊接，然后再由焊縫的底部開始，向焊縫的中部方向焊接，見圖3。根焊采用分段焊，分段長度不宜過長，一般采用隔200～300 mm焊100～150 mm為宜。填充焊時可將分段長度增加至隔600 mm焊300 mm，而蓋面焊接時可從底部開始向上依次焊接，但必須注意焊接參數(shù)。采用該焊接順序，可有效防止撓曲變形和未焊透缺陷產(chǎn)生。應(yīng)該注意的是，所有縱焊縫必須在環(huán)焊縫開始之前全部完成并冷卻，否則未焊接的縱焊縫會出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)凹現(xiàn)象，且不易矯正。

圖2 長縫焊接次序示意

圖3 縱縫焊接順序

（3）壁板環(huán)縫焊接時先焊內(nèi)側(cè)焊縫，再焊外側(cè)焊縫，打底焊接時由6名焊工沿罐壁一周均勻分布，同時同向進行分段退焊，見圖4。每一層焊道焊接結(jié)束前，任何焊工不得單獨開始進行下一層焊道的焊接。填充焊接時可不采用退焊，分段長度也可適當(dāng)增加。蓋面焊時，同時同向依次焊接。環(huán)縫焊接最重要的是焊工同步問題。

2.5 適當(dāng)使用反變形和強制變形措施

（1）罐底反變形和強制措施。第一，針對罐底焊縫存在的角變形，通過試驗最終確認(rèn)罐底短焊縫的角變形可通過反變形方式加以控制，即焊接前將短焊縫做大約2°～3°的反變形。采用試驗得出的焊接參數(shù)和焊接順序完成的短焊縫，正好能將反變形角度抵消。第二，罐底長焊縫由于下設(shè)墊板，反變形角度不易保持，且部分位置反變形角度沒達到要求，焊接完畢后，角變形仍不同程度存在，由于焊縫間隙不均勻、反變形量不均勻等原因，還會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的波浪變形。通過大量的試驗，最終引入反變形壓杠，見圖5、6，采用該法既能保持所作的反變形角度，又能在焊道兩側(cè)施加反作用力而與焊接應(yīng)力相抵消，從而較好地控制了角變形、波浪變形。

圖4 環(huán)縫焊接順序

圖5 底板長焊縫防變形措施

圖6 底板長焊縫施工現(xiàn)場

（2）罐壁板縱縫反變形和強制措施。頂圈壁板縱縫焊接時必須先在罐內(nèi)壁距縱縫上下邊緣約300 mm的位置和中部，各焊接一塊與罐壁曲率相同的不銹鋼防變形弧板（1 000 mm×400 mm×8 mm），弧板與焊縫接觸處留10 mm寬的窄縫，便于焊內(nèi)側(cè)焊縫時焊條通過，見圖7?？捎行У乜刂瓶v焊縫內(nèi)凹變形和撓曲變形。其他圈壁板縱縫焊接時，由于所焊壁板包在內(nèi)圈壁板外，縱焊縫變形不大，但施焊前必須在收尾縫位置，用手拉葫蘆收緊。而每圈收尾焊道施焊時，必須按照上述步驟，采取加強弧板的方式，必要時在外側(cè)離焊道100 mm位置加一道筋板。實踐證明，縱焊縫最容易產(chǎn)生變形的位置即為收尾焊縫，所以必須按上述措施執(zhí)行。

圖7 立縫加強板、環(huán)縫加減絲安裝

（3）罐壁板橫縫反變形和強制措施。環(huán)形焊縫產(chǎn)生的主要缺陷是掐腰，防止該變形的主要方式是靠脹圈來控制，可以通過減小焊道與脹圈之間的距離、增加脹圈脹緊力、矯正脹圈橢圓度等措施，來防止內(nèi)凹變形。

（4）頂圈壁板組對時，加減絲主要用來調(diào)節(jié)罐壁垂直度、上口水平度和橢圓度，而在該圈縱焊縫、包邊角鋼焊接時，也能起到較好的強制固定作用。加減絲安裝方式見圖8。

圖8 加減絲固定

其他圈壁板環(huán)縫組對時，加減絲可以調(diào)節(jié)下圈板垂直度、坡口水平度，也可控制內(nèi)壁錯皮。在實際施工中，往往由于環(huán)焊縫間隙不均勻、坡口角度不均勻等造成局部內(nèi)凹嚴(yán)重，通過反復(fù)試驗，最終也通過加減絲調(diào)節(jié)技術(shù)有效控制了局部內(nèi)凹變形。方法是：當(dāng)環(huán)焊縫局部間隙過大或坡口角度過大時，在打底焊完畢后調(diào)節(jié)該部位的加減絲長度，給該部位一個向外的預(yù)應(yīng)力，待填充蓋面焊完畢冷卻后，將加減絲拆除，使施加的預(yù)應(yīng)力與焊接應(yīng)力相抵消，防止了內(nèi)凹發(fā)生。

3 施工注意事項

第一，施工人員進入施工現(xiàn)場，必須戴安全帽，穿勞動保護用品。第二，施工現(xiàn)場設(shè)專職安全員，施工班組設(shè)兼職安全員，以預(yù)防事故發(fā)生。第三，使用撬棍時，不得用腳踩撬棍，不要用力過猛，以勉撬棍滑脫傷人。第四，避免碳鋼直接與罐體接觸，以防發(fā)生滲碳。第五，注意罐底板長焊縫、罐壁板縱焊縫、罐壁板環(huán)焊縫的焊接次序，以防發(fā)生嚴(yán)重變形。第六，環(huán)縫局部凹陷等，可通過加減絲調(diào)節(jié)；環(huán)縫錯皮嚴(yán)重時，可采用龍門板加背杠的方式調(diào)節(jié)，注意掌握反變形規(guī)律和特點。第七，焊縫出現(xiàn)返修時，要做好強制變形和反變形措施。

4 結(jié)束語

SUS304不銹鋼的材質(zhì)特性決定其焊接性能差，變形嚴(yán)重，如果不掌握安裝和焊接方面的知識，一旦造成嚴(yán)重的變形是無法修復(fù)和整改的。因此嚴(yán)格控制好焊接過程的每一道工序，才能保證不銹鋼儲罐的焊接質(zhì)量。

[1]劉政軍，徐德昆.不銹鋼焊接及質(zhì)量控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[2]張其樞.不銹鋼焊接技術(shù) [M].北京：機械工業(yè)出版社，2015：60-80.

Welding deformation control of SUS304 stainless steel storage tank

KOU Jianfeng
Daqing Oilfield Engineering Construction Second Company，Daqing 163000，China

The linear expansion coefficient of SUS304 stainless steel is 1.5 times as large as carbon steel.Its stainless steel welding stress is not easy to release.The welding deformation is large and its correction after welding is difficult.To ensure the tank welding deformation within the scope of the specifications and to reduce the amount of storage tank repair work are the key problems to solve.Combined with the annualkey project of acrylamide unit installation in Daqing Refinery Company，the management and technical measures are adopted in SUS304 stainless steel tank welding，including enhancing personnel training and quality management， determining rational welding parameters， selecting rational welding sequence，properly applying distortion resistance or enforcement means.Finally，the construction task is successfully completed.

SUS304 stainless steel；storage tank；welding distortion；controlmeasure

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.020

寇建峰（1981-），男，河北定州人，工程師，2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油化工專業(yè)，現(xiàn)主要從事油田地面工程焊接施工與技術(shù)研究工作。Email：2499107898@qq.com

2017-08-01