石油儲(chǔ)罐焊接變形原因分析及控制對策程志芳

李鴻慶

【摘 要】儲(chǔ)罐是石油石化行業(yè)必不可少的重要裝備。其中，焊接是儲(chǔ)罐建造的主要工序，對儲(chǔ)罐的性能質(zhì)量具有決定性意義。本文介紹了石油儲(chǔ)罐焊接技術(shù)，分析了儲(chǔ)罐焊接應(yīng)力的產(chǎn)生、焊接過程中出現(xiàn)變形原因，并提出了儲(chǔ)罐焊接變形的控制對策。

【關(guān)鍵詞】石油儲(chǔ)罐；安全技術(shù)；焊接；變形原因；控制對策

石油儲(chǔ)罐是存儲(chǔ)和運(yùn)輸原油及其相關(guān)制品的重要設(shè)施。石油儲(chǔ)罐的建設(shè)一般工作量較大，技術(shù)應(yīng)用也普遍較多，其中最為常見的安全設(shè)計(jì)、儲(chǔ)罐焊接技術(shù)等。這些技術(shù)的應(yīng)用使儲(chǔ)罐建設(shè)日漸完善，但是在實(shí)際操作過程中也存在不足，有待于進(jìn)一步創(chuàng)新和完善。

一、石油儲(chǔ)罐焊接變形原因分析

1.焊接應(yīng)力的產(chǎn)生

在大型立式儲(chǔ)罐焊接過程中，殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)力場產(chǎn)生的主要原因是，焊接后冷卻時(shí)，熱影響區(qū)冷卻快，很快進(jìn)入彈性狀，而焊接區(qū)溫度高處于塑性狀態(tài)，此時(shí)焊接區(qū)收縮較熱影響區(qū)慢，焊接區(qū)阻礙熱影響區(qū)收縮，焊接區(qū)仍受壓力熱影響區(qū)受拉應(yīng)力，但焊接區(qū)處于塑性狀態(tài)，焊接處的塑性墩粗，松弛了此應(yīng)力。隨著熱影響區(qū)溫度不斷降低，冷卻速度變慢。當(dāng)焊接區(qū)冷卻速度高于熱影響區(qū)時(shí)，焊接區(qū)收縮較快，熱影響區(qū)阻礙它的收縮，應(yīng)力方向發(fā)生變化，焊接區(qū)受拉應(yīng)力，熱影響區(qū)受壓應(yīng)力。當(dāng)焊接區(qū)也進(jìn)入彈性狀態(tài)后，因沒有塑性變形，焊接區(qū)隨著溫度的降低所受的拉應(yīng)力越來越大。當(dāng)儲(chǔ)罐工作時(shí)，外加應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力疊加，很容易造成疊加應(yīng)力超過屈服極限而破壞。尤其是大型立式儲(chǔ)罐的接管、清掃孔、人孔部位往往發(fā)生幾次焊接過程疊加，如罐壁與管線焊接，罐壁與加強(qiáng)板焊接，這些部位所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及應(yīng)力場最大，這種應(yīng)力在一定的條件下影響著儲(chǔ)罐的使用性能、疲勞強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性，有時(shí)甚至導(dǎo)致裂紋和應(yīng)力腐蝕，對盛裝成品油的立式容器，其危害性更大，往往造成意想不到的后果。

2.焊縫在結(jié)構(gòu)的影響

從結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，要避免出現(xiàn)焊縫的不對稱，否則容易造成焊接部分變形。受到同樣大小的力，剛性大的結(jié)構(gòu)變形小，剛性小的結(jié)構(gòu)變形大。對于剛性小的焊接結(jié)構(gòu)，可通過采用胎夾具或其他臨時(shí)支撐等方法，增加結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)的剛性就能達(dá)到減小焊接變形的目的。

3.儲(chǔ)罐焊接變形

石油儲(chǔ)罐是一種管壁相對較薄的容器，這種容器的焊接方法較多，但是在實(shí)際操作中也會(huì)遇到較多問題，其中焊接變形是最常見的技術(shù)問題之一。特別是在罐底部位，底板薄、焊縫多，是焊接變形問題的高發(fā)區(qū)。儲(chǔ)罐焊接過程中出現(xiàn)變形問題的原因：（1）徑向收縮使中幅板應(yīng)力發(fā)生變化或?qū)е碌走叞褰亲冃?；?）接縫在焊接后沿著橫方向收縮會(huì)直接對儲(chǔ)罐壁產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致變形。（3）接縫焊接以后沿著縱向方向收縮產(chǎn)生應(yīng)力造成變形。（4）上述三種應(yīng)力共同出現(xiàn)造成波浪變形，變形效果嚴(yán)重。

4.大角焊縫承受集中應(yīng)力

大角焊縫指的是原油儲(chǔ)罐的底圈壁與底邊緣板之間的內(nèi)角焊縫，其通常為T型。大角焊縫往往承受著集中的應(yīng)力，是應(yīng)力峰值區(qū)，無論液壓引起的拉伸應(yīng)力、彎矩，還是風(fēng)載、地震等引起的剪切力和彎矩，都需要大角焊縫來承受。一般隨著原油儲(chǔ)罐內(nèi)液體位置的上升和下降，大角焊縫周圍底板會(huì)形成一定彈性變形，并且還可能會(huì)致使高應(yīng)力循環(huán)疲勞破壞。所以在大角焊縫的設(shè)計(jì)中，不能將其設(shè)計(jì)成為全焊透結(jié)構(gòu)，并且節(jié)點(diǎn)的剛性也不能設(shè)計(jì)得過大，而是應(yīng)當(dāng)從焊接工藝、焊縫結(jié)構(gòu)以及探傷檢測方法上來采取相應(yīng)措施，從而盡量將大角焊縫處的峰值應(yīng)力降到最低，并增加其柔韌性。

5.裝配和焊接順序?qū)Y(jié)構(gòu)變形的影響

采用先裝配成整體，然后再焊接的順序來進(jìn)行。對大型油罐底板一般采取先焊橫向焊縫，再焊縱向焊縫的焊接順序來減小變形。

6.其他因素的影響變形

焊接電流、焊接速度和焊接方向?qū)Y(jié)構(gòu)都有一定影響。對大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)來說，變形隨著焊接電流的增加而增加，而隨焊接速度的增加而減小。不同方向的焊接會(huì)引起不同的變形情況和內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)。

二、石油儲(chǔ)罐焊接變形控制對策

1.優(yōu)化排板方式

排板方式的優(yōu)化能有效減少焊接變形。在對石油儲(chǔ)罐的焊接中，我們可以選擇板幅較大的儲(chǔ)罐建材，使焊縫以分散、對稱的形式分布，最大程度上減少石油儲(chǔ)罐焊接中出現(xiàn)的變形問題，保證焊接質(zhì)量。

2.優(yōu)化焊接設(shè)備

高性能的焊接設(shè)備能在一定程度上降低焊接變形幾率，設(shè)備的使用也最好做到專機(jī)專用。木材和焊材的選擇。為確保材料的可焊性好，專業(yè)的技術(shù)人員需要經(jīng)過專門的計(jì)算、試驗(yàn)來進(jìn)行確定。焊接環(huán)境和焊接工藝對儲(chǔ)罐的焊接質(zhì)量也有著重要影響，一些特殊的焊接材料需要在特定的環(huán)境下保存以營造良好焊接環(huán)境。焊接工藝的選擇也需要綜合考慮相關(guān)參數(shù)等信息。

3.加強(qiáng)底板焊接變形控制

由于合理的焊接方法減小了焊接熱輸入，同時(shí)在中幅板焊縫焊接前，采取了沿焊縫長度方向進(jìn)行，剛性固定以及在所有焊縫兩端加防翹曲的墊板等措施，另外，焊接每條焊縫之前，每隔3m，垂直于焊縫方向用長度約為800mm的背杠進(jìn)行加固，待整條焊縫全部焊完并徹底冷卻后拆除背杠，可有效地減小了中幅板焊接后的波浪變形。

4.合理地安排組裝順序

罐底中幅板焊接施工應(yīng)先焊短焊縫，后分片施焊較長焊縫，最后施焊分片間的搭接焊縫；對于邊緣板的對接焊縫焊接，先只焊靠外側(cè)的焊縫300mm的部位，且在組裝罐壁之前焊接；最后進(jìn)行中幅板與邊緣板搭接縫的焊接。

5.采用分段退焊法和跳焊法

采用分段退焊法同向施焊，鋼材較厚、焊縫較長時(shí)設(shè)擋弧板，并可多人同時(shí)焊接，該焊法可減小熱影響區(qū)，避免變形。同樣，對于6～12mm厚鋼板的長焊縫和鑄鐵、不銹鋼、銅的焊接，可以采用跳焊法分散焊縫熱量，避免或減小變形。

6.嚴(yán)格控制焊接線能量

焊接線能量主要影響焊縫的沖擊韌性，因此焊接過程中要嚴(yán)格控制線能量，線能量不能過大，否則會(huì)降低焊縫的沖擊韌性。決定焊接線能量的主要參數(shù)為焊接電流和電弧電壓，因此宜采用小電流，比如CO2氣體保護(hù)焊時(shí)焊接電流應(yīng)小于300A，埋弧自動(dòng)焊時(shí)焊接電流應(yīng)小于600A。

7.提高焊接工人職業(yè)素質(zhì)及操作技能，增強(qiáng)其質(zhì)量意識(shí)

在石油儲(chǔ)罐焊接中，通過優(yōu)化提高相關(guān)焊接人員的自身技術(shù)水平，可以有效的降低石油儲(chǔ)罐焊接中出現(xiàn)的變形問題。

8.確定罐底板中幅板對接焊縫的焊接順序

按隔條焊接原則，先焊接中、長焊縫，其次焊接短焊縫，然后焊接其問的廊板縫，依此類推。罐底板的焊接原則：先焊短焊縫，后焊中長焊縫，然后焊接通長焊縫（即廊板縫），預(yù)留收縮縫（即龜甲縫），待罐底大角焊縫焊接完畢再進(jìn)行收縮縫的焊接。罐底板的焊接順序：由于排板時(shí)中幅板由中心向四周對稱排列，因此，焊接時(shí)應(yīng)由中心向四周對稱焊接，采用分段退焊，焊接時(shí)焊工均勻分布，等速、等參數(shù)同步施焊。中幅板與邊緣板的焊接方法：底板中幅板與邊緣板對接焊縫的焊接采用焊條電弧焊打底，埋弧焊蓋面。打底焊采用焊條LB一62，蓋面焊采用焊絲US一49、焊劑MF一38A。中幅板對接焊縫的焊接：中幅板每條焊縫焊接前，沿焊縫長度方向用12m長的12#工字鋼進(jìn)行加固，待焊接完畢拆除。焊條電弧焊打底的起始點(diǎn)距丁字縫500mm（這部分暫不焊，待大角焊縫焊后、焊接龜甲縫之前再完成），埋弧焊起始點(diǎn)距打底焊的起始點(diǎn)100mm。

三、結(jié)束語

綜上所述，石油儲(chǔ)罐焊接變形常常成為影響儲(chǔ)罐性能的主要因素。為了解決這一問題，研究了儲(chǔ)罐焊接變形的控制方法。給出了儲(chǔ)罐焊接過程工藝要求，并分析了儲(chǔ)罐焊接變形主要成因，在此基礎(chǔ)上提出了儲(chǔ)罐焊接變形預(yù)防措施以及焊接變形控制方法。

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