加油站雙層儲油罐底板施工變形控制方法研究

甘國梁

摘 要：針對儲油罐底板施工材料布局、焊接接頭形式復(fù)雜，對施工質(zhì)量、施工時(shí)間產(chǎn)生影響，提出施工變形控制研究。在雙層儲油罐底板焊接施工前底板預(yù)制階段，根據(jù)罐底板材料規(guī)格，采用丁字型排版法合理排版布局施工材料尺寸;在底板焊接施工過程中，依據(jù)底板結(jié)構(gòu)以及底板面積大、焊接接頭形式復(fù)雜、焊縫數(shù)量多等施工變形原因，選擇以CO2氣體保護(hù)焊打底，埋弧碎絲焊填充蓋面的焊接方法，依據(jù)罐底板焊接施工原則，遵循短、中長、長焊縫的順序依次焊接，邊緣板的對接接頭組對，采用不等間隙方法，有效控制底板中幅板的焊接、底板邊緣板的組對及焊接、與筒體的組對及焊接、大角縫焊接等過程，實(shí)現(xiàn)雙層儲油罐底板施工變形控制。結(jié)果表明：儲罐的底板整體變形值成功控制在11 mm以內(nèi)，提高施工質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)省時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

關(guān)鍵詞：雙層儲油罐;底板施工;變形控制;丁字型排版法;焊接工藝

中圖分類號：TE3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0082-06

Research on the Deformation Control Method of the Bottom Plate Construction of the Double-layer Oil Tank of Gas Station

Gan Guoliang

（Hubei Petroleum Branch， Sinopec Sales Co.， Ltd.， Wuhan 430030， China）

Abstract：This paper proposes the construction deformation control study for the influence of the construction material layout and construction joint form of the construction quality and construction time. In the prefabrication stage of bottom plate before welding of double oil storage tank bottom plate， the construction material size shall be reasonably distributed according to the type of tank bottom plate material specifications. In the construction process of the bottom plate welding， according to the bottom plate structure， the large bottom plate area， the complex form of welding joints， and the large number of welding joints. Select the welding method of protecting welding bottom with CO2 gas and buried arc broken wire welding， according to the construction principle of tank bottom plate welding， and follow the order of short， medium-long and long welds. The docking joint group of the edge plate adopts unequal gap method to effectively control the welding of the bottom plate， the bottom plate edge plate group pairing and welding， cylinder group pairing and welding， large angle joint welding， so as to realize the construction deformation control of the bottom plate of the double-layer oil storage tank is realized. The results show that the overall deformation value of the bottom plate of the tank is successfully controlled within 11 mm to save time and economic cost while improving construction quality.

Key words：double-layer oil storage tank; bottom plate construction; deformation control; T-type typesetting; welding process

0 引言

加油站雙層油儲罐分SS儲油罐、SF儲油罐、FF儲油罐三種。FF全名為玻璃纖維增強(qiáng)塑料雙層油罐，內(nèi)外兩層皆為玻璃纖維增強(qiáng)塑料制造而成，中間具有貫通間隙空間。雙層罐的優(yōu)點(diǎn)是既安全環(huán)保又具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，因?yàn)橛袃蓪庸薇谠诜乐喂逎B漏方面非常安全，同時(shí)配備滲漏檢測裝置[1-3]，能對間隙空間進(jìn)行24 h全程監(jiān)控。一旦內(nèi)罐或外罐發(fā)生滲漏，滲漏檢測裝置的感應(yīng)器可以檢測到間隙空間底部液位時(shí)發(fā)出警報(bào)，保證油罐的安全使用。有效地避免滲漏油品對土壤和地下水的污染。

國內(nèi)加油站使用的儲油罐多為一次性埋放，長期使用，而罐體在使用過程中不可避免地會發(fā)生變形，傾斜[4-5]。而儲油罐的底板是構(gòu)成雙層儲油罐罐體的重要部位，其在焊接過程中常會出現(xiàn)較大的變形。為了避免雙層儲油罐的底板發(fā)生變形，在施工過程前，進(jìn)行底板預(yù)制，根據(jù)罐底板材料規(guī)格，進(jìn)行了合理的罐底排版設(shè)計(jì)。通過罐底板焊接結(jié)構(gòu)形式、焊接變形規(guī)律分析以及焊接工藝評定實(shí)驗(yàn)，編制了合理的焊接工藝規(guī)程[6]，規(guī)定了罐底板施工作業(yè)程序;通過采取行之有效的防變形措施，使罐底板施工質(zhì)量得到有效控制。這樣可以保證雙層儲油罐的底板施工的質(zhì)量，既節(jié)省了成本又保證了加油站油罐安全可靠。

1 加油站雙層儲油罐的底板預(yù)制

為了更好的控制罐底板變形情況，需按國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，對施工材料尺寸進(jìn)行合理的排版布局，保證焊縫有充足收縮空間，可以節(jié)約材料，提高工作效率，具體規(guī)定如下。

（1）罐底的排版直徑：按設(shè)計(jì)直徑放大0.2%～0.3%。

（2）將不等間隙法用在邊緣板的對接接頭。

（3）邊緣板沿罐底半徑圓面的最大尺寸小于等于800 mm。

（4）中幅板的選擇長度、寬度分別為2 100、1 100 mm。

（5）底板間任意相鄰焊縫之間的距離為350 mm。

施工前按照排版圖，對預(yù)制的每張鋼板進(jìn)行排序標(biāo)號。罐底板排版分為條形排版法、人字形排版法、丁字形排版法。通過比較這3種排版方法發(fā)現(xiàn)，丁字型排版法設(shè)計(jì)合理。丁字型排版法可在施工前的排版過程中將雙層儲油罐底板變形控制在最小范圍內(nèi)等。

2 雙層儲油罐底板結(jié)構(gòu)及底板施工變形原因分析

雙層儲油罐如圖1所示，其底邊緣板板厚度和中幅板板厚度，分別是15、11 mm;罐底邊緣板材質(zhì)和中幅板材質(zhì)分別是18MnR、Q237-B;罐底邊緣板與中幅板焊縫焊接形式都是采用對接焊法，而邊緣板與中幅板坡口采用過渡對接焊法。使用8 mm厚度的扁鋼作為墊板。底板結(jié)構(gòu)，邊緣板與中幅板坡口，分別由圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，導(dǎo)致加油站雙層儲油罐底板施工變形的主要原因是由雙層油罐底板面積大、焊接接頭形式復(fù)雜、焊縫數(shù)量多，且焊接接頭在一個(gè)平面上縱橫交錯(cuò)焊接應(yīng)力和焊縫收縮量高等所致。這說明合理可行的工藝技術(shù)措施和控制手段非常重要。如果焊接操作不當(dāng)極易發(fā)生焊接變形，處理不好會造成底板報(bào)廢。

3 加油站雙層儲油罐底板施工變形控制方法

控制雙層儲油罐底板焊接是控制罐底板變形中重要的環(huán)節(jié)，具體的控制方法如下。

3.1 焊接步驟

為有效控制雙層油罐底板邊緣板與中幅板焊接過程中的變形，底板邊緣板與中幅板應(yīng)遵循以下基本焊接步驟，如圖4所示。

3.2 焊前準(zhǔn)備工作及焊接工藝選擇

在雙層儲油罐焊接作業(yè)前，需對焊工進(jìn)行技能考核，考核合規(guī)后方可施工，并要求施工焊工持證上崗（具備《特種設(shè)備作業(yè)人員證（焊接）》）;需配置良好的機(jī)器設(shè)備（焊機(jī)、焊材烘干、保溫箱、焊條保溫桶）。環(huán)境溫度必須滿足焊接所需的適宜溫度[7]。選擇合適的焊接工藝方法可以有效控制焊接罐底底板變形問題。

焊接工藝方法的選擇是依據(jù)國家焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)、分析焊接規(guī)律、焊接工藝實(shí)驗(yàn)，制定合理的焊接工藝現(xiàn)場操作章程。以CO2氣體保護(hù)焊打底，埋弧碎絲焊填充蓋面的焊接方法應(yīng)用在罐底中幅板焊接方面[8-10]。CO2氣體保護(hù)焊的優(yōu)點(diǎn)是提高罐底板的焊接效率，節(jié)省焊材，焊接坡口角度小，組對間隙小，焊接的截面積小，焊接變形方面也比焊條電弧焊和埋弧焊要少[11]。罐底板主要焊接工藝參數(shù)如表1所示。

3.3 底板中幅板的焊接

為控制底板中幅板的焊接施工過程中的變形，罐底板焊接施工中應(yīng)堅(jiān)持如圖5所示的原則。

由圖5可知，依據(jù)罐底板焊接施工原則，遵循短、中長、長焊縫的順序依次焊接，焊接龜甲縫要建立在預(yù)留龜甲縫的基礎(chǔ)上。

罐底板中幅板焊接時(shí)采用分段退焊，由中心向四周對稱焊接，并與中幅板的排列方式有直接聯(lián)系，焊接時(shí)焊工要平均布局，速度必須一致。

（1）將罐底按中幅板中心向四周分4個(gè)區(qū)（A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)），焊接方向都是由中心向四周施焊。底與面焊接時(shí)錯(cuò)開接頭，層間需錯(cuò)開6 cm。

（2）罐底中幅板短焊縫平均分二部分，要求焊工人數(shù)為2人，一起進(jìn)行施焊，從中心向兩邊焊，保持進(jìn)度一樣。跟焊與填充蓋面，分別使用分段跳焊退焊法、分段退焊法。預(yù)留210 mm的收縮縫在短焊縫與廊板縫T型對接的丁字縫處，廊板縫焊完后再進(jìn)行下一步焊接。

（3）預(yù)留450～550 mm的收縮線在全部中幅板與弓形邊緣板T形對接的丁字縫中，待罐底的大角縫和罐壁板焊接完成后再進(jìn)行下一步操作。整個(gè)罐底安裝的重要環(huán)節(jié)是底板龜甲縫（收縮縫）的焊接，要事先考慮到鋼板熱脹冷縮的特性，能夠有效的避免鋼板焊后收縮問題。在溫度較高的情況下，進(jìn)行施焊，就會形成焊后的收縮和冷縮，令罐底連在一塊，減小變形。蓋面焊接時(shí)需埋弧焊，焊條電弧焊為基礎(chǔ)，同時(shí)開焊、隔斷跳焊。焊工需沿圓周平均設(shè)置，保持一樣的焊接速度。

3.4 底板邊緣板的組對及焊接

為控制雙層儲油罐底板邊緣板的變形，邊緣板的對接接頭組對，采用不等間隙方法，如圖6所示。

進(jìn)行底板邊緣板組對時(shí)將定位焊縫長度設(shè)置為45 mm左右。為了確保焊接時(shí)底板邊緣板的自由伸縮，焊接殘余應(yīng)力降低[12-13]，需在一側(cè)底板邊緣板焊接時(shí)不用墊板點(diǎn)焊;而底板邊緣板間坡口焊接時(shí)只能在單側(cè)底板邊緣板上點(diǎn)焊。使用手工電弧焊時(shí)，底板邊緣板焊接方向應(yīng)由內(nèi)向外，平均布局焊工的位置，相對隔縫實(shí)施焊接。焊口兩邊墊高使焊口向上凸起可以防止水氣、煙氣的影響，避免角變形，提高焊接質(zhì)量[14-15]。

3.5 底板邊緣板和筒體的組對及焊接

為控制底板邊緣板和筒體的變形，通過底板邊緣板和筒體的組對，確定底板為圓的中心，在底板上用此圓心畫圓并與筒體內(nèi)徑相等。將底板和已起弧的鋼帶組合，組成筒節(jié)，用定位焊施焊。那么在焊接中幅板與邊緣板的焊縫時(shí)，靠筒體質(zhì)量，可以形成剛性的固定模式[16]。

邊緣板與筒體的焊接，在焊道的打底時(shí)要求焊工的數(shù)量為雙數(shù)并沿圓周里外進(jìn)行均勻分布，同一方向從筒體里、外焊接，用分段退焊、跳焊（每隔350～450 mm跳開等距離再繼續(xù)焊接）的焊接方法。為了降低焊接應(yīng)力，控制變形，焊工需采用一樣的焊接規(guī)范、相同的速度進(jìn)行焊接，剩下各層焊縫也和上述方法一樣。完工后，依據(jù)設(shè)計(jì)圖和相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行罐底外觀檢查和超聲波檢測。

3.6 大角縫焊接

大角縫在焊接時(shí)需要特別注意，要求焊工保證焊接質(zhì)量，從而控制焊接變形。大角縫是雙層儲油罐底板主要的受力面且受力情況復(fù)雜，T型接頭內(nèi)角焊縫裂點(diǎn)在罐底底板邊緣板一邊的焊趾位置。以手工電弧焊為基底[17-18]，埋弧自動焊埋蓋面的焊接工藝用于大角縫焊接，焊接方法參數(shù)如表2所示。

3.6.1 防變形方法

為了防止大角縫焊接后變形，需在焊接前將斜支撐與罐壁和邊板焊結(jié)實(shí)。對大角縫焊縫的上邊、下邊的要求分別是，上邊與壁板焊接處要不低于整張壁板高度的一半;下邊邊板焊接處要靠近邊板邊緣，禁止焊在中幅板上，如圖7所示。

3.6.2? ? 焊接重要環(huán)節(jié)

大角縫焊前應(yīng)做好準(zhǔn)備工作，將濕氣用氧乙炔火焰去掉，角磨機(jī)應(yīng)保證無銹，用手工焊進(jìn)行打底。用間斷焊的方法進(jìn)行大角縫初層焊接，焊工需沿相同方向以同樣的速度進(jìn)行焊接。焊接的步驟如下：

（1）對內(nèi)側(cè)焊縫的焊接，在打底完成后進(jìn)行蓋面的焊接，進(jìn)行兩次埋弧自動焊接成型[19-20]。

（2）外側(cè)初層焊接使用手工打底，按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外側(cè)焊縫的焊接。

（3）進(jìn)行內(nèi)側(cè)焊縫的施焊。

為了減少應(yīng)力集中，大角縫內(nèi)側(cè)焊道表面是內(nèi)凹形，圓滑過渡。焊道外觀管理必須按設(shè)計(jì)尺寸和技術(shù)要求進(jìn)行檢查，最后有兩種焊縫截面，如圖8所示。

4 施工實(shí)例

以某地區(qū)加油站的6 000 m2雙層儲油罐為實(shí)際案例，采用本文控制方法在其焊接施工過程中實(shí)施變形控制。

案例中6 000 m2油罐的底板焊接施工，采用本方法設(shè)計(jì)焊接排版圖。6 000 m2油罐的焊接結(jié)構(gòu)是搭接方式，6 000 m2油罐的直徑、壁厚、罐體材質(zhì)、焊材型號、焊底厚度，分別是20 m、9～15 mm、17MnDR、CHE508RH、12 mm。罐底板需平整符合外觀檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，局部凹凸度小于變形長度的2%，并且最大值在55 mm。采用本控制方法對6 000 m2油罐的底板焊縫進(jìn)行排版，排版圖如圖9所示。

很多鋼板拼焊成罐底，用雙面角焊縫方法焊接罐底與罐壁中間位置。罐底裝配焊接順序排列不當(dāng)，能使罐底產(chǎn)生失穩(wěn)變形，造成離開基向上拱起高達(dá)幾百毫米。由于罐底與罐壁中間位置部位受力較高，角焊縫尺寸也較高，焊后產(chǎn)生較高的收縮力。因此本文變形控制方法可根據(jù)罐壁與罐底間環(huán)焊縫的收縮時(shí)不牽連到罐底的主體，可以自由地收縮，這是處理此類問題的重要環(huán)節(jié)。將罐底的鋼材分為與罐壁直接連接的邊緣板和不與罐壁連接的中幅板兩類，具體如圖10所示。

按表3的焊接參數(shù)進(jìn)行實(shí)際施焊;焊接順序是按本文方法所述原則控制，每個(gè)焊縫上可以由4名焊工同時(shí)施焊，每道焊縫如圖10所示。

（1）焊前準(zhǔn)備。在焊接中幅板前將板與板中的夾具卡住，橫向布置中幅板使用間隔焊接（即圖9中的P13～P23、P42～P52、P25、P26、P28、P29、P31～P34、P36、P37、P39～P40和P53 焊縫）。

（2）橫向布置板變?yōu)橐惑w。

（3）最后焊接橫向布置板與縱向布置板的縱向焊縫（P24、P41），以形成同一方向收縮應(yīng)力，這樣可以更好的控制，不產(chǎn)生變形。其縱向布置板長縫焊接時(shí)（P27、P30、P35和P38），應(yīng)有4名焊工需平均分布在兩邊，沿著由中心向外面，同時(shí)分段退焊，橫、縱向板拼成大板?？v向焊縫先焊接靠近邊緣板的縫，然后焊接最長的縱向焊縫。中幅板焊接時(shí)，焊工應(yīng)平均分布在兩邊，同時(shí)施焊。焊完中幅板后，接著焊邊緣板的對接縫，再焊接邊緣板與罐壁之間的角焊縫。角焊縫焊接時(shí)，焊工人數(shù)設(shè)置為12個(gè)，內(nèi)外分6個(gè)地方一起進(jìn)行施焊。施焊時(shí)，采取跳焊的方法，第1道焊接完畢后，等溫度冷卻到室內(nèi)溫度再焊，內(nèi)邊焊接3層，焊角高為9 mm;外邊焊接4層，焊角高為11 mm。最后是焊接搭接縫（焊接邊緣板與中幅板中間位置），焊前應(yīng)松開邊緣板與中幅板中間的夾具和將定位焊點(diǎn)鏟除干凈，對稱分布焊工的位置，分段跳焊。搭接焊縫每條共焊接3層，每層焊道焊接時(shí)，為了及時(shí)消除焊接應(yīng)力，需用榔頭擊打焊縫。工卡具需在每條焊縫的第一道焊縫冷卻后才能卸掉。該接頭處應(yīng)力最高，容易產(chǎn)生拱形變形，因此要求全部T型搭接接頭焊接的位置方位留約150 mm的距離不焊接，由最后一面確定焊接方向完成焊接，這樣的順序設(shè)置有利于焊接應(yīng)力的抵消。

運(yùn)用本文方法，將底板分成幾個(gè)部分，對其各自組裝焊接，然后把焊接好的部分板材拼焊成一體，焊縫能自由收縮，而不影響全部底板結(jié)構(gòu)，來控制底板結(jié)構(gòu)的焊接變形。結(jié)果表明：本文方法的控制效果好，使儲罐的底板整體變形值成功控制在11 mm以內(nèi)，外觀像平板一樣工整，施工質(zhì)量較好。同時(shí)生產(chǎn)的周期縮短，生產(chǎn)效率提高，就像案例中6 000 m2罐在本方法控制下施工周期是50 d，比以前的罐縮短二分之一的時(shí)間，并且施工質(zhì)量高，施工成本降低，獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

根據(jù)上面的工程施工實(shí)例，可知加油站雙層儲油罐底板運(yùn)用上述方法可以有效控制其變形。在罐底板安裝前需綜合分析底板的具體結(jié)構(gòu)、接頭焊縫的類型，然后依據(jù)其不同屬性;收縮空間及焊接應(yīng)力情況下制定適合的焊接工藝。同時(shí)要求焊工數(shù)量為雙數(shù)，平均分布，同時(shí)施焊，保持焊接進(jìn)程一致;這樣可以提高焊接速度和質(zhì)量，能夠有效控制儲油罐底板的變形。由于時(shí)間與精力有限，本研究存在許多不足，沒有考慮到其他影響因素，例如鋼板精度問題。今后會繼續(xù)研究和改進(jìn)加油站雙層儲油罐底板施工變形的控制方法。

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