立式鋼制儲(chǔ)油罐焊接變形分析及控制

邢飛（中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司貴州分公司，貴州 貴陽(yáng) 550012）

立式鋼制儲(chǔ)油罐是石油化工生產(chǎn)中的重要設(shè)備，由于石油屬于易燃易爆物質(zhì)，因此對(duì)存儲(chǔ)容器的密閉性有著極高的要求。因此，在立式鋼制儲(chǔ)油罐的制造過(guò)程中，需要對(duì)其幾何尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制。但是，由于其焊縫相對(duì)密集，且應(yīng)力的復(fù)雜性較強(qiáng)，在當(dāng)前普遍使用現(xiàn)場(chǎng)焊接組裝的模式，提升焊接變形的發(fā)生概率，需要重點(diǎn)分析與控制。

1 立式鋼制儲(chǔ)油罐焊接變形的常見原因分析

第一，底板焊接的影響。當(dāng)立式鋼制儲(chǔ)油罐的罐底使用搭接接頭設(shè)計(jì)時(shí)，罐底與基礎(chǔ)接觸底面搭接處的焊接難度隨之增大，缺口效應(yīng)較為明顯，且應(yīng)力極為集中。在這樣的情況下，為了避免立式鋼制儲(chǔ)油罐出現(xiàn)焊縫撕裂或斷裂的情況，必須要落實(shí)底板變形量的嚴(yán)格控制。

第二，焊接順序的影響。焊接順序也關(guān)系著立式鋼制儲(chǔ)油罐焊接變形的產(chǎn)生概率。例如，在T型環(huán)焊縫的焊接中先展開了中幅板的焊接，或是未預(yù)留合理的伸縮縫，會(huì)促使圓面積減小，最終引發(fā)立式鋼制儲(chǔ)油罐的罐底拱起變形。

2 立式鋼制儲(chǔ)油罐常見的焊接變形問(wèn)題與控制策略分析

2.1 罐底板變形及其控制

在焊接過(guò)程中，完成了中幅板一側(cè)的焊接、產(chǎn)生單面收縮后，中幅板的中部以及末端收縮未產(chǎn)生，造成立式鋼制儲(chǔ)油罐底板的向上拱起。此時(shí)，若是不落實(shí)一定處理措施，而進(jìn)行繼續(xù)焊接，則會(huì)導(dǎo)致焊接變形的發(fā)生。為了避免上述問(wèn)題的發(fā)生，可以使用剛性固定法展開焊接。針對(duì)小型、中型立式鋼制儲(chǔ)油罐，可使用現(xiàn)場(chǎng)材料壓緊罐底；針對(duì)大型立式鋼制儲(chǔ)油罐，要將材料壓緊罐壁底板。在展開大面積中幅板的焊接操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)沿著縱向方向在接近焊縫的區(qū)域增設(shè)臨時(shí)構(gòu)件，以此達(dá)到其剛性的增強(qiáng)，有效避免焊縫、焊縫附近區(qū)域發(fā)生收縮，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接變形的控制。

為了更好實(shí)現(xiàn)對(duì)罐底變形的控制，必須合理安排焊接順序，具體為：先展開收縮量大的焊縫焊接；其次落實(shí)收縮量小的焊縫焊接。通過(guò)這樣的方式，能夠促使焊接中承受的阻力、焊后應(yīng)力減少[1]。

2.2焊縫收縮引起的角變形及其控制

在立式鋼制儲(chǔ)油罐的壁板厚度大于6 毫米的情況下，為了確保焊接效果，必須要在壁板位置開設(shè)坡口。焊接中，溫度上升，由于熱脹冷縮效應(yīng)，在壓力的作用下熱影響區(qū)、焊縫金屬常會(huì)發(fā)生收縮[2]。同時(shí)，在熱影響區(qū)、焊縫金屬冷卻時(shí)，在拉力的作用下，橫向收縮的均勻性下降，最終導(dǎo)致角變形、局部凹凸度超標(biāo)等問(wèn)題的發(fā)生。

在由于焊縫收縮引起的角變形控制中，需要在完成立焊縫組對(duì)后引入弧形卡板，以此達(dá)到增強(qiáng)局部剛性的效果。此時(shí)，應(yīng)當(dāng)落實(shí)的操作如下：在展開實(shí)際的焊接操作前，在每道立焊縫上焊接2-3個(gè)弧形卡板；保證卡板與立式鋼制儲(chǔ)油罐壁板之間的緊密性，并設(shè)置至少4處點(diǎn)固焊；在立焊縫冷卻后，即可取下卡板。

2.3 包邊角鐵引起的角變形及其控制

為了避免包邊角鐵引起的角變形問(wèn)題發(fā)生，應(yīng)當(dāng)在立式鋼制儲(chǔ)油罐壁板的吊裝操作前，在距離底板10毫米處的壁板上安裝膨脹圈，通過(guò)調(diào)節(jié)膨脹圈的直徑將其與壁板保持在緊貼狀態(tài)；使用分段跳焊法展開焊接；在環(huán)焊縫冷卻后，即可松弛膨脹圈。

2.4 焊縫收縮與失穩(wěn)引起的變形及其控制

立式鋼制儲(chǔ)油罐壁板層數(shù)與失穩(wěn)傾向之間呈現(xiàn)出正比例的關(guān)系，在失穩(wěn)傾向提升的條件下，立焊縫極容易出現(xiàn)縱向外翹或是內(nèi)凹，最終形成變形[3]。為了避免由于焊縫收縮、失穩(wěn)所引發(fā)的焊接變形，需要展開的操作如下：對(duì)焊接順序進(jìn)行合理安排，降低焊縫收縮變形的發(fā)生概率；在實(shí)際的焊接操作前，將兩塊尺寸為500×600毫米的鋼板分別固定于立焊縫兩端的對(duì)角線方向，使用厚度為4-6毫米的點(diǎn)焊固定即可。

另外，若是環(huán)縫焊接的操作不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致上述焊接變形問(wèn)題的發(fā)生。此時(shí)，要結(jié)合焊縫長(zhǎng)度完成點(diǎn)固焊，并盡可能保證點(diǎn)固焊的密集性，以此達(dá)到控制立式鋼制儲(chǔ)油罐韓焊接變形問(wèn)題發(fā)生的效果。在立焊縫冷卻后，即可取下加固鋼板。

3 立式鋼制儲(chǔ)油罐焊接變形的控制實(shí)例探究

3.1 立式鋼制儲(chǔ)油罐組件主要焊接工藝分析

3.1.1 實(shí)際情況

某立式鋼制儲(chǔ)油罐為整體焊接結(jié)構(gòu)，內(nèi)直徑在300毫米、壁厚為3.8毫米、長(zhǎng)度為700毫米，斜接管使用了20鋼。在該儲(chǔ)油罐的中間位置，設(shè)置了接管與筒體45o相交的接頭，焊接復(fù)雜，且對(duì)焊接焊縫的強(qiáng)度等有著較高要求。

3.1.2 焊接接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

斜接管與筒體之間主要使用了單面焊的方式進(jìn)行連接，此時(shí)，坡口設(shè)置在接管區(qū)域。受到端面形狀不規(guī)則的因素影響，坡口的加工難度較大，必須使用專業(yè)設(shè)備完成。

3.1.3 焊接工藝

結(jié)合實(shí)際情況能夠發(fā)現(xiàn)，該立式鋼制儲(chǔ)油罐斜接管與筒體之間的焊接復(fù)雜性較強(qiáng)，因此不宜使用機(jī)械化焊接。在本次焊接操作中，主要使用了手工電弧焊接的方法，焊接工藝參數(shù)控制如下：在定位焊中，極性為反極、焊材牌號(hào)與規(guī)格為J427Ф 3.2、焊接電流為100-115A、焊接電壓為22-24V；在第一層次的焊接中，極性為反極、焊材牌號(hào)與規(guī)格為J427Ф3.2、焊接電流為100-115A、焊接電壓為22-24V、焊接速度為每分鐘120-130毫米；在第二層次的焊接中，極性為反極、焊材牌號(hào)與規(guī)格為J427Ф4、焊接電流為150-170A、焊接電壓為24-27V、焊接速度為每分鐘140-150毫米。

為了保證斜接管與筒體之間的角度控制高度精準(zhǔn)，本次焊接中使用了專門的焊接定位夾；為了降低焊點(diǎn)弧坑裂紋的發(fā)生概率，在定位焊中使用了小電流。

3.2 立式鋼制儲(chǔ)油罐焊接變形的控制措施

在本次焊接中，焊接變形的控制措施主要有兩種：第一，依托焊接夾具完成定位與固定，以此達(dá)到降低焊接變形的效果。第二，在裝配過(guò)程中落實(shí)反變形措施，適當(dāng)下調(diào)斜接管與筒體之間的軸線夾角大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接變形一定程度的抵消。

在使用焊接夾具展開立式鋼制儲(chǔ)油罐斜接管與筒體的焊接時(shí)，使用的焊接參數(shù)仍可以使用上文中提及的參數(shù)。為了確定焊接夾具的具體設(shè)計(jì)方案，筆者主要提出了12種用于控制立式鋼制儲(chǔ)油罐焊接變形的模擬方案，即有：方案一的板厚為10毫米、對(duì)流系數(shù)為40；方案二的板厚為10毫米、對(duì)流系數(shù)為45；方案三的板厚為10毫米、對(duì)流系數(shù)為50；方案四的板厚為12毫米、對(duì)流系數(shù)為40；方案五的板厚為12毫米、對(duì)流系數(shù)為45；方案六的板厚為12 毫米、對(duì)流系數(shù)為50；方案七的板厚為15 毫米、對(duì)流系數(shù)為40；方案八的板厚為15毫米、對(duì)流系數(shù)為45；方案九的板厚為15 毫米、對(duì)流系數(shù)為50；方案十的板厚為18 毫米、對(duì)流系數(shù)為40；方案十一的板厚為18毫米、對(duì)流系數(shù)為45；方案十二的板厚為18毫米、對(duì)流系數(shù)為50。同時(shí)，對(duì)這些方案均進(jìn)行了模擬焊接，控制熱傳導(dǎo)模擬時(shí)間在0-12秒。

此時(shí)，得到的焊接變形結(jié)果具體有：方案一的最大變形量為0.25毫米；方案二的最大變形量為0.2毫米；方案三的最大變形量為0.24 毫米；方案四的最大變形量為0.24 毫米；方案五的最大變形量為0.19 毫米；方案六的最大變形量為0.24 毫米；方案七的最大變形量為0.24毫米；方案八的最大變形量為0.19毫米；方案九的最大變形量為0.19 毫米；方案十的最大變形量為0.23 毫米；方案十一的最大變形量為0.23 毫米；方案十二的最大變形量為0.23 毫米。能夠看出，在定位板厚度、熱對(duì)流傳導(dǎo)系數(shù)發(fā)生變化時(shí)，最大變形量也有所改變，使用合適的焊接夾具能夠減少焊接變形。綜合多種因素，在進(jìn)行該夾具的設(shè)計(jì)時(shí)，需要將定位板的厚度穩(wěn)定在18毫米，以此達(dá)到更好的焊接變形控制效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，立式鋼制儲(chǔ)油罐的焊縫相對(duì)密集，且應(yīng)力的復(fù)雜性較強(qiáng)，焊接變形的發(fā)生概率較大，需要重點(diǎn)分析與控制。在明確焊接變形常見原因的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)罐底板變形、包邊角鐵引起的角變形、焊縫收縮引起的角變形等常見焊接變形問(wèn)題的控制，結(jié)合焊接夾具的合理設(shè)置與使用，達(dá)到了有效控制立式鋼制儲(chǔ)油罐焊接變形的效果，提升了石油的存儲(chǔ)質(zhì)量與安全性。