堆水池不锈钢覆面焊接变形控制

罗东明 舒磊

中核工程咨询有限公司 北京 100073

堆水池不锈钢覆面（以下简称钢覆面）安装在堆水池内，采用现场预制拼装成型，吊装就位后进行混凝土浇筑。覆面采用大壁厚钢板拼焊成型，焊接结构复杂，现场焊接量大，现场施工难度大。本文根据现场的施工情况对制作过程中所采用的事前预防、事中焊接变形控制、事后焊接质量问题跟踪处理的有效措施进行论述。

1 焊接变形的产生原因及主要变形

钢覆面制作施工过程中的变形以焊接变形为主。焊接变形主要是由于钢板在焊接过程中不均匀受热引起的。焊缝附近金属受热膨胀，产生向外的压应力，受到周围金属的挤压，在温度逐渐冷却时形成塑性变形。温度继续降低，塑性变形部分冷却收缩，在焊缝处形成向内的拉应力。在施工过程中，这些变形主要表现为横向收缩变形、纵向收缩变形、角变形和波浪变形。变形若在偏差范围内则不会影响堆水池的使用，如变形超差不仅影响整体美观而且会降低承载能力及稳定性，甚至会造成安全事故[1]。

2 事前预控措施

2.1 焊接工艺控制

预控的焊接工艺包括坡口形式，焊接方法及工艺参数等，由于钢覆面底板及筒壁均采用大厚壁对接焊方式，因此坡口形式的采用对焊接变形影响相当重要，根据设计图纸的坡口尺寸及要求，均采用对称的双V型坡口，既保证了焊接强度，又减小焊接变形。

根据设计图纸的坡口尺寸及要求，选用了氩弧打底，焊条填充盖面的焊接方法，一方面减少背面清根的打磨工作量，另一方面避免因清根导致的热输入不对称。保障了焊接质量的同时又在一定程度上对焊接变形起到了预控作用[2]。

2.2 焊接收缩量预控

焊接变形收缩是复杂的，对接焊缝的收缩变形与坡口形式、对接间隙、焊接线的能量、钢板的厚度和焊缝的横截面积等因素有关，坡口大、对接间隙大，焊缝截面积大，焊接能量也大，则变形也大。 除其它因素，变形大小与焊缝的填充金属量、输入热量成正比。多道焊时，每道焊缝所产生的横向收缩量逐层递减。

根据双V对接焊缝横向收缩近似值及公式：y=0.908＊e^（0.0467x）。其中y=收缩近似值，e=2.718282，x=板厚；可得出底板焊接焊缝横向近似收缩量为2.9mm；筒身焊缝横向近似收缩量为2.3mm。通过施工前的焊接收缩量预估算，可为现场安装时预留收缩量提供参考，从而保证安装尺寸满足设计要求。

根据焊缝收缩量公式，施工前进行质量风险分析识别及预控，发现如果组对间隙较小，在焊接过程中由于母材板厚较大，氩弧打底后由于收缩导致坡口间隙不足，焊条填充时会造成卡条。在模拟试件验证时，发现此问题果真存在。因此参考焊缝收缩量调整坡口组对间隙，满足现场施工要求。

3 事中焊接变形控制

3.1 底板焊接变形控制

钢覆面底板由分块板拼焊组成，底板焊缝为X型坡口，底板组对完成后通过刚性固定法，在焊缝正面布置垂直于焊缝的槽钢以减小对接焊缝的角变形。焊前将组对时的定位点焊缝磨开，让底板处于自由伸缩的状态，以利于焊接时能自由伸缩，以补偿焊接应力所产生的横向收缩变形。底板焊接采用合理的焊接顺序，先短焊缝、后长焊缝原则，长焊缝由中心向两侧分段退焊或跳焊。在选择工艺参数时，在保证焊缝质量的情况下，尽可能选择小电流、快速焊，降低焊缝的热输入量，减小变形[3]。

3.2 筒体壁板焊接变形控制

筒体由五段组成，每段由4块分块板拼焊而成，采用正装法施工。在第一层壁板纵缝组焊完成后，进行第二层壁板的吊装及点固，第二层壁板纵缝焊接完毕后即进行一、二层环缝的焊接，相互牵制，可减少焊接产生的变形。以此类推完成筒体拼装施工。

筒体的变形主要集中在纵向焊缝和环焊缝附近，焊接变形主要是焊缝内凹。因此筒身焊接变形控制除与底板焊接变形控制措施一致外，还应注意由于筒体分块板下料时未留余量，因此纵缝组对的间隙及焊接收缩成为环缝组对的重要影响因素，为保证环焊缝组对错边满足要求，应在筒身纵缝组对时考虑焊接收缩。

纵缝上部应力较大，需采用刚性固定。纵向焊缝在焊接第一层焊道时采用自下向上分段退焊或跳焊，由四名焊工同一焊接参数、同时施焊。环缝焊接时采用多层多道焊，由四名焊工沿罐壁圆周对称均布，同一焊接参数、同一方向分段施焊。纵缝焊接完成后，需对筒身圆度进行矫正以满足设计尺寸要求。现场采用千斤顶将胀圈胀紧到壁板中部进行调整和加强固定。

环缝组对时应以矫正合格的下层筒身作为基准进行组对，采用工装进行错边控制。待组对完成后，需在上层纵缝完成胀圈安装固定后进行环缝焊接。

3.3 筒体与底板焊接变形控制

底板与筒体间的大角缝是钢覆面受力最不利的地方，是钢覆面最薄弱的环节，焊缝载面尺寸大，焊材填充量大，焊接收缩变形量大，因而焊接变形不易控制。重点控制措施为将大角缝按圆周均匀划分，由几名焊工同时同向对称施焊，各区域内的焊缝采用分段退焊法或分段跳焊法施焊；在大角缝内外安装刚性固定减小变形。焊接过程中严格控制层间温度。

4 事后控制

焊接变形的矫正。虽然焊前通过坡口形式，焊接工艺，预留收缩量，刚性固定，焊接顺序等预防措施控制减少焊接变形，但焊接变形是不可避免的，只能减小不能消除，为了更有效地控制焊接变形，在焊接后可采用机械矫正法进行矫正。利用外力使受力部位产生冷塑性拉伸变形，通过千斤顶进行顶伸，在筒体上焊接临时附件用钢丝绳进行牵引，将圆度调整至所要求的尺寸形状。

5 结语

通过对钢覆面安装过程中产生的焊接变形进行分析，从现场预控及控制、焊后变形矫正等方面入手，采用合理的预防措施、工艺措施对焊接变形和进行控制。最终堆水池不锈钢覆面焊接变形、焊缝质量、整体几何尺寸均符合设计文件要求，所积累的焊接变形方面的经验对后续类似设备安装施工具有一定的参考意义。