立式储罐安装中的焊接变形控制探讨

郑 凯

（甘肃一安建设科技集团有限公司， 甘肃 兰州 730000）

引言

大型储罐被广泛应用于石油化工等领域的液态原料及成品储存环节之中，尤其是在石油行业内，受我国石油战略储备库发展以及国际油价变动形势影响，储罐开始逐步进入大规模建设阶段。作为石油化工领域储运调度的重要载体，行业对大型立式圆筒形储罐质量提出了更高的要求。强化焊接变形控制以实现提升储罐安装水平成为当前行业技术人员研究的重点内容之一。

1 大型储罐焊接变形种类以及影响因素

1.1 变形种类

施工人员在实际进行焊接作业过程中，储罐部件在焊接作用下会在不同方向产生不同幅度的收缩变形情况，在水平方向产生的收缩边变形为横向变形，垂直方向产生的收缩变形为纵向变形，在两种收缩变形情况下引发的部件平面角度变化即为角变形。在纵向以及横向方向收缩变形量较大的情况下，部件平面变形幅度也会随之大幅增长，此情况被称之为弯曲变形[1]。薄板焊接作业过程中，在应力受力不均的情况影响下会导致薄板出现翘曲情况，进而导致其外形尺寸与实际安装要求不符，此情况被称之为波浪变形。

1.2 影响因素概述

从技术应用实际角度分析，导致焊接变形的主要因素主要包括以下几种。

第一，焊缝面积因素。技术人员将熔合线范围内金属面积定义为焊缝截面积，从工艺实践经验层面分析，焊接变形量会随着焊缝截面积增加而增加。在实际开展焊接工序过程中，焊缝截面积对纵向、横向以及角变形的影响同等。因此，在板材厚度恒定的情况下，储罐焊缝形变程度会随着焊缝截面积坡口提升而提升[2]。

第二，焊接方式因素。通过工艺实践经验总结可知，在工作环境不发生变化的情况下，焊接产生的收缩值会随着不同焊接方式热输入变化而变化[3]。现阶段应用最为广泛地集中焊接工艺中，埋弧自动焊热输入量最大，其导致的收缩变形量也最大；而二氧化碳气体保护焊热输入量最小，造成的收缩变形也最小。

第三，接头形式因素。现阶段，应用频率最高的焊接方式有堆焊、对焊和角焊。在工作时候保证热输入、焊接方法和焊缝横截面不变的基础上，不同的焊接接头形式也对横向、纵向和角变形造成焊接变形的影响不同。

2 案例概述

为详细分析立式储罐焊接变形控制要点，本文选取实际案例进行具体说明。案例工程为中石油在某地开展的1×104m3储罐安装工程。该储罐规格设计为内径14 000 mm，设置9 圈壁板，具体参数如表1 所示；底部设置厚度规格为7 mm 的中幅板26 张；边缘板厚度规格为10 mm，共设置20 张；顶板厚度规格设计为6 mm，瓜皮板共设置30 张。施工技术人员在总结大量工程经验并结合施工实际进行综合考量后，针对储罐底板以及壁板设计相应的变形控制措施。

表1 储罐壁板设计参数

3 立式储罐焊接变形控制

3.1 排板设计

从实际应用角度分析，储罐底板部分是储罐受力最大部位，通过进行合理排板设计可以有效实现控制罐底焊接变形幅度的目的，进而提升罐底焊接质量。

案例工程在实际进行此工序作业过程中，技术人员首先依照设计图尺寸将底板直径放大约0.15%～0.2%，以满足焊缝纵向以及横向焊接变形收缩量要求。随后技术人员考虑纵向焊缝收缩量会随着焊缝长度变化而变化，因此，技术人员在选材过程中尽可能地选择大规格钢板，通过降低罐底板焊缝长度的方式实现控制纵向收缩量目的。技术人员在针对中幅板设计过程中决定将其长焊缝沿罐底中心线进行对称排列，边缘板则围绕罐底圆心进行中心对称排列。通过上述不仅实现相互抵消大部分焊接变形的目的，为控制焊接变形奠定坚实基础。

3.2 罐底板焊接变形控制要点

案例工程在实际进行中幅板焊接作业过程中，技术人员制定了先短焊缝、后长焊缝、预留收缩缝、大角缝焊接完成后进行收缩缝焊接作业的方案，依据实际情况选择分段退焊法或是分段跳焊法进行均匀焊接，具体工艺如图1 所示。在实际进行焊接作业过程中依照自内向外、由中心向四周扩散的顺序进行对称同步焊接作业，降低焊接部分及未焊接部分的温差，规避因母材温度不均问题，进而实现消除应力，控制变形的目的。

施工人员在实际进行中幅板进行焊接作业过程中，采用分段跳焊工艺对对接焊缝初层焊道进行作业，面层部分则采用分段退焊工艺进行施工。焊接作业开展过程中，施工人员将层间接头进行错开处理，并使其控制在500 mm 以上。T 型焊缝作业过程中施工人员预留200 mm 左右的收缩缝，自纵向长缝施工焊接完成后在进行作业。

技术人员在实际工作中对焊接经验进行总结，得出焊缝收缩变形会随着焊缝截面积、输入线能量等因素增加而增加。同时底层焊缝会对面层焊接变形程度造成影响，变形收缩小，采用多层焊，具有线能量小、应力和变形比单层焊小等特点。

短焊缝焊接作业过程中，施工人员首先对组对板材周围固焊点进行清除处理，为焊缝提供自由的作业环境，最大限度滴降低焊接应力以及波浪变形；在进行长焊缝作业过程中，施工人员利用间断焊工艺，依照由内向外的顺序开展焊接作业，并对焊缝两侧进心刚性固定，焊缝冷却完成后将固定去除，进而实现羌胡焊缝刚度，控制横向变形以及角变形。但是应认识到的一点是，该方式会导致焊接应力提升。

案例工程中，施工人员在针对边缘板进行焊接作业过程中，依照由内向外顺序，从靠近外缘300 mm距离的径向焊缝作为焊接作业起始点，并在大角焊缝焊接完成后，在依照自外向内的顺序对剩余部分进行焊接。通过这种方式预留一定空间承担大角缝以及边缘板外侧焊缝变形情况，进而实现控制内侧板变形情况。

施工人员在实际进行边缘板对接焊缝焊接作业过程中利用如图2 所示的反变形法补偿焊缝角向收缩，确保焊接完成后边缘平整，为边缘板以及壁板安装提供便利条件。

从焊接作业实际情况分析，储罐整体中，大角焊缝是其受力最不利区域，因此，相关部分也是储罐最薄弱的部分。在实际进行大角焊缝焊接作业过程中，其收缩变形量相对较大，因此，技术人员设计方案，依照圆周对焊接作业区域进行划分，平均分为多个部分，并针对每区实际情况进行均分，组织多名焊工依照区域划分情况进行同步焊接作业，实际进行焊接过程中应注意采用分段跳焊工艺进行，首先对内侧以及外侧角焊缝进行打底焊，随后在针对填充部分以及面层进行焊接作业，最大限度地保证边缘板外侧翘起角度控制在规定范围内。

在罐体内部区域，技术人员沿圆周依照1～2 m 间距对其进行45 等分，并将89 mm 钢管依照夹角45°要求与壁板及边缘板进行焊接，使之成为垂直刚性固定，以实现控制底板翘起变形以及降低角焊缝角变形目的。

3.3 壁板变形控制

案例工程在进行壁板焊接过程中，依照相关要求对其进行组对，并确保内部胀圈完全贴紧罐壁，以达成控制变形的目的。同时利用刀板等工具对错边量、垂直度等进行严格控制，为提升焊接质量提供有利条件支持。施工人员在实际进行焊接作业时，依照线纵向后环向的顺序进行焊接作业。技术人员人员依照实际要求将外侧纵缝自下而上均匀分为6 段并对其进行标号，实际作业过程中，施工人员依照编号顺序由小至大进行断续焊。纵缝外侧面层焊接时由下至上连续焊接，完毕后在纵缝外侧设置5 道龙门板，插入方销子在焊道上加以固定，以防止内侧焊接时产生向外变形；内侧焊接时要根据弧板位置进行清根，由下至上分段焊接完毕。

4 结论

1）焊接作业过程中不可避免地会在应力作用下产生变形情况，但是通过对其规律进行分析并结合实际施工经验，可以采用有效措施对焊接变形量进行控制；

2）通过对排板方案进行合理设计有效实现补偿焊接变形收缩量的目的，通过确保焊接应力均匀分布促使大部分焊接变形相互抵消，进而实现控制焊接变形的目的。