大型储罐内浮顶储罐单盘变形控制方法

王军强，叶威

（中国石油天然气第一建设有限公司，河南 洛阳 471023）

0 引言

由中国石油天然气第一建设有限公司承建的某成品油库工程库容为52×104m3，主要包含8台5万立内浮顶储罐和6台两万立内浮顶储罐，本文以五万立储罐为例，介绍内浮顶储罐单盘施工工序及焊接变形控制方法。

5万立储罐内径为60 m，储罐内浮盘采用钢制浮盘结构，单浮盘重197.830 t，浮盘采用边缘浮舱和中间单盘板的结构，共设置36个浮舱。单盘直径为52.5 m，单盘板厚度为5 mm，板幅为1 800 mm×9 000 mm，材质为Q235 B,采用条带型排版方式，焊缝采用搭接形式，上面满焊、下面间断焊。共设置124个单盘支柱，单盘底面未设置加劲筋板，由于单盘板厚度相对直径很小，且焊接密度大、焊缝交叉多，单盘板施工时极易发生变形，焊接变形量不易控制，是储罐施工的一个难点。

在传统的单盘施工中，通常采用分区域、自由收缩的焊接顺序。本次施工改变传统施工工艺，采用先将单盘下面间断焊完成，使单盘连成整体，并与浮舱相连接，然后采用合适的焊接顺序和焊接方法，完成单盘上面连续焊。即采用机械拉伸法和刚性固定法，使残余压缩变形区屈服后降低应力；并采用锤击法调节焊接接头中残余应力，在金属表面层内产生局部双向塑性延展、补偿焊缝区的不协调应变，达到释放焊接应力的目的。

1 变形机理

在焊接过程中，焊缝及其附近的母材经历了一个不均匀加热和冷却的过程。焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力和变形的决定性因素。热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，最终形成了焊接应力和应变。焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化，而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压塑性变形；在冷却过程中，已发生压塑形变形的材料又受到周围条件的制约，不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载；与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩时也产生相应的收缩拉应力与变形，产生不均匀的拉塑性变形[1]。焊接后单盘存在的内应力有：焊缝及其母材附近的拉应力，离开焊缝较远区域的压应力。在压应力σ的作用下达到临界应力σsr时，薄板结构就会发生失稳，从而导致凹凸变形。

σsr= K（δ/B）2

δ——板厚

B ——板宽

K ——与板的支承情况有关的系数

综上可以看出，板厚与板宽的比值越小，临界应力越小，薄板结构越容易失稳。因此从降低压应力和提高临界应力两方面着手就可以减少凹凸变形。由于单盘板尺寸（δ和B）已经是定值，可以通过降低压应力的办法来达到控制凹凸变形的目的。

2 调节内应力的措施

控制焊接残余应力的方法，在结构设计阶段就应考虑可能采取的办法，来减小焊接残余应力；在焊接过程中，也有相应的工艺措施，可以调节和控制焊接应力的产生和发展过程；焊后，降低和消除应力的方法可以分为利用机械力或冲击能的方法等。

2.1 采用刚性小的接头形式，降低焊缝拘束度

焊缝的横向收缩变形主要是因热源附近高温区金属的热膨胀受到约束，产生了塑性应变，熔池凝固后，焊缝附近金属开始降温而收缩，这是焊缝横向收缩的主要组成部分。在钢结构上，焊缝的横向收缩量比纵向收缩量要大的多，角焊缝△B焊缝横向收缩量比对接焊时小。故单盘焊缝采用搭接形式，从源头上降低了横向收缩量，降低了焊缝拘束度。

2.2 选用合理的焊接方法

在同等条件下，选择的焊接方法不同线能量大小各异，直接导致变形量的大小。根据横向收缩量的估算公式：

式中：ΔB——焊缝横向收缩量；A——经验系数（电弧焊1.0～1.2，CO2气体保护焊0.8～1.0）；q——焊接线能量；a——材料线胀系数；c——材料比热容；γ——材料密度；δ——钢板厚度。

理论计算比较，用CO2气体保护焊时的△B值，相对来说较小。

实际验证比较，分别尝试采用手工电弧焊，焊机型号ZX7-400，电流90～120 A，电压18～22 V，焊条直径Φ3.2 mm；和CO2气体保护焊。通过比较，用CO2气体保护焊时的△B值，相对来说较小,与理论计算结果一致。最终选用CO2气体保护焊进行单盘连续焊缝的焊接。

2.3 采用合理的焊接顺序，调节残余应力分布

单盘板的施工顺序如图1所示，在进行环形缝施工时，八名电焊均布，沿顺时针焊接，保持速度一致。焊接正面长焊缝时，采用分中逐步退焊，并用10槽钢进行加固，焊接完成后，焊道冷却前，对焊道进行锤击。此焊接顺序采取适度降低焊缝约束度的工艺，补偿焊缝收缩量，并采用机械预拉伸法，使残余压缩变形区屈服后降低应力。

图1 单盘施工顺序

2.4 利用机械力锤击焊道区，调节焊接接头中残余应力

利用锤击焊道的方法调节焊接接头中残余应力时，在金属表面层内产生局部双向塑性延展，补偿焊缝区的不协调应变，达到释放焊接残余应力的目的。与其他消除残余应力的方法相比，锤击法可节省能源、降低成本、提高效率，是在施工过程中即可实现的工艺措施，并可在焊缝区表面形成一定深度的压应力区，有效地提高结构的疲劳寿命。

3 工艺方案

3.1 搭设胎架

传统的单盘施工中，单盘板直接铺设在罐底板上，由于五万立储罐罐底板坡度较大，无法满足施工质量要求。胎架的搭设采用可拆卸槽钢结构，保证铺设单盘板的水平度，并且避免了一次投入过大及材料浪费，此方法可为后续工程提供借鉴（如图2所示）。

图2 单盘临时支架图

3.2 单盘铺设及焊接结构设计

（1）单盘板的材质为Q235 B,δ= 5 mm，板幅为1 800 mm× 9 000 mm，采用条带型排版方式（如图3所示），接头型式为搭接接头，搭接宽度不小于30 mm。

图3 条带型排版方式

（2）单盘铺设的平整度直接影响到焊接后的凹凸度，临时胎架的高度和上端水平度按照设计文件进行控制。

（3）将罐底板上的中心点移到单盘板上，铺设中心板，定出中心后测量圆度，调整单盘尺寸。

（4）铺好中心“一”字中心板后，从中心开始向两侧依次铺设单盘板。

（5）将预制成型的浮舱通过预留施工通道运入罐内，将浮舱安装就位。

（6）与边缘板连接的单盘板应在单盘中幅板背面断续焊全部焊接完成后的尺寸进行切割，边缘板铺设后将整个单盘与船舱用定位焊连接成一个整体。

3.3 单盘焊接

3.3.1 定位焊

单盘板铺设到位后，采用E4 303，φ3.2 mm的焊条，电流90 A～110 A，电压24 V～26 V，进行定位焊。

3.3.2 背面断续焊

采用E4 303，φ3.2 mm的焊条，电流90 A～110 A，电压24 V～26 V，进行断续焊；先焊短焊缝，由中间向两侧依次焊接，磨开被焊接板周围的定位焊，释放焊接应力。

短焊缝完毕后，进行长焊缝断续焊，先焊中心板带两侧的通长焊缝，然后自中心线向两侧逐步展开焊接[2]。

3.3.3 单盘边缘板定位及背面断续焊

单盘中幅板背面断续焊完成后，根据图纸尺寸，将中幅板富裕部分尺寸切除，并对边缘板固定，进行焊接作业，采用E4 303，φ3.2 mm的焊条，电流90 A～110 A，电压24 V～26 V，进行断续焊。先焊边缘板间短焊缝背面断续焊，然后进行八卦缝背面断续焊，最后焊接单盘板与浮舱连接角钢的断续焊焊缝，八卦缝和单盘板与浮舱连接环缝焊接时，采用八名焊工均布，顺时针方向同步调焊接的方法。

3.3.4 单盘支柱及其他附件开孔

按照设计文件，在单盘上划出单盘附件开孔位置，复核无误后，进行切割开孔，开孔顺序为沿同一圆周方向依次进行，依次安装支柱套管、补强板、筋板等。若补强板下有被覆盖焊缝，先完成被覆盖焊缝的焊接及真空试漏工作，然后安装补强板，补强板圆周焊缝，采用CO2气体保护焊，焊丝材质为ER49-1，直径φ1.2 mm。由两名焊工对称，沿顺时针方向施焊。依次完成各开孔的套管、补强板、筋板的焊接工作。

3.3.5 单盘边缘板正面连续焊

采用CO2气体保护焊，焊丝材质为ER49-1，直径φ1.2 mm，先焊接边缘板间短焊缝，短焊缝的两端各留200 mm不焊，每道焊缝焊接完毕后，趁热锤击焊道。然后焊接单盘与浮舱连接角钢的焊缝，八名电焊均布，顺时针施焊，焊至丁字焊道处，将短缝预留的200 mm焊道焊完。环缝焊接完毕后，按照同样的方法进行八卦缝的焊接，并趁热锤击焊道。

3.3.6 单盘中幅板正面连续焊

采用二氧化碳气体保护焊，焊丝材质为ER49-1，直径φ1.2，先焊接短焊缝，短焊缝的两端各留200 mm不焊，从中心向两侧扩散，每道焊缝焊接完毕后，趁热锤击焊道。短焊缝焊接完毕后，从中心板带两侧焊缝开始向两侧间隔施焊，焊接前先用[10槽钢在距离焊缝100 mm处通长设置加固（如图4所示），每条通长焊缝均自中心向两侧采用分中逐步退焊，灭弧后立即锤击焊道，焊至丁字缝时，将焊接短缝时遗留的200 mm焊接完成。完成焊道焊接，并充分冷却后，再拆除加固槽钢。

图4 单盘中幅板长缝焊接加固图

3.3.7 单盘支柱等附件安装，胎架拆除

单盘全部焊接完成后，安装单盘支柱及其他附件，开始单盘真空试漏工作，单盘真空试漏完成以后，再拆除胎架，拆除胎架后效果图如图5所示。利用真空试漏的时间，单盘板在胎架上自然放置，残余应力适度消散。

图5 拆除胎架后单盘效果图

4 实施效果

设计文件要求单盘焊接后的凹凸度不大于50 mm,从已经施工完毕的8座钢制内浮顶储罐单盘焊接后变形情况来看，除了第一台施工的5万立方由于控制措施没有执行到位，实测的24点，有4点凹凸度为50 mm～70 mm，合格率为75%，其余7台储罐单盘在施工过程中严格按照工艺方案进行施工，每台实测24点,仅有3～5点凹凸度为46～49 mm,其余均不大于40 mm。有效地控制了单盘焊接后的凹凸变形，受到监理和建设单位的一致好评，收到了良好的社会效益和经济效果，达到了预期效果[3]。

5 结语

在油库单盘施工过程中，多次就储罐单盘焊接变形控制问题进行探讨，在施工过程中单盘下表面采用焊条电弧焊，上表面采用CO2气体保护焊进行焊接，从实施效果来看，最大凹凸度小于50 mm。因此建议在条件允许的情况下，单盘焊接采用焊条电弧焊+CO2气体保护焊，既最大限度的减小了单盘焊接凹凸变形，又缩短了工期。实践证明，只要采用合理的焊接工艺，加上严格的工艺纪律，焊接变形是完全可以控制的。