大型储罐底板焊接变形控制

2 O 0 2年第 2 5卷第 4期 申建 国 大型储罐底板焊接变形控 制 25 焊接技术 大 型储 罐底板 焊接变形 控制 申建 国 中国石 化集团第 十建设公 司大连 分公 司 大连1 1 6 6 0 0 摘要 主要介 绍了大型储罐底板焊接变形产 生的原 因及残余应力 的计算 提 出了防止焊接 变形 的技术措施 关键词 储罐底板 变形 应力 控制 1 前言 随着石油化工行业 的发展 我 国大 型油罐不 断增 多 在大型油罐的制作安装过程 中 遇到首要问题就是 罐底板焊接变形及防止焊接变形 的技术措施 本文以 大连港务局新港港务公 司原油罐 1 0万 m 3 油罐 中幅板 带垫板对焊接型式为例 对罐底板焊接 变形 产生的原 因及防止变形的技术措施进行讨论 2 简介 2 1 油罐底板的结构 1 O万 m 3油罐底板 由边缘板 和 中幅板组成 边 缘 板 由多块板组成外 圆内多边形 的环状结构 中幅板为 由多块板拼成的多边形 平板结构 边缘 板和 中幅板之 间通过龟 甲缝焊 接在一起 构成 整个底板 底板和罐 壁通过大角焊缝相连 底板的结构如图 1 所示 圈 1 油簟 的排板 结构圈 底板边缘板 材质 为 日本产 S P V 4 9 0 Q 板厚 2 0 mm 属于低合金结构钢 中幅板为 Q 2 3 5 一A F 板厚 l l mm 属于优质碳素结构钢 2 2 底板的焊接型式 底板边缘板为带垫板 的对焊接 中幅板 之间的焊 缝为带垫板的对接焊型式 其焊接坡 口型式如图 2所 示 图 2底 板 焊 接 的 坡 口 型 式 2 3 焊接使用 的材料 边缘板焊接使用焊条 L一6 o 中幅板焊接使用 手弧焊打底 使用焊条 J 4 2 2 中间填充碎丝 Y K C 埋弧焊盖面 使用焊丝 Y C 龟 甲缝焊接使用 手弧焊打底 使用焊条 L一6 o 中间填充碎丝 Y K C 埋弧焊盖面 使用焊丝 Y C 2 4 底板焊后变形情况 以 2 0 罐为例 1 底反边缘板共 4 o条焊缝 使用手 弧焊进行焊 接 焊接时 1 0名焊 工 同时对 称进 行 焊接 焊 接 顺 序 为 先进行底板边缘板外侧 4 0 0焊缝的焊接 待底板中 幅板焊缝焊接完成以后再 进行 剩余 焊缝 的焊接 焊 后 变形很小 2 中幅板四周焊缝焊完后 在板的中间部分发 生 部分波浪变形 最 高处 高出基础 面 1 5 5 5 ra m 每张板 均出现 2 4 个最高点 最高点之间的距离在 2 5 m m 维普资讯 w w w b z f x w c o m 化 工 建 设 工 程 2 O O 2年第 2 5 卷第 4期 之间 从以上 的焊接变形来看 底板 中幅板的焊接变形 是属于典型 的薄板受压失稳变形 如图 3 所示 图 3 底板 的失穗亚彤 3 焊接 时产生的应力与变形 3 1 焊缝的横向 纵向收缩变形 3 1 1 焊缝的横 向 纵 向收缩变形 的计算 单张板长度方向焊缝焊接收缩量可按下式计算 L K F H L F 式 中 I 广 纵 向收缩量 m m F 一构件截面积 删 F H 焊缝截面积 I 构件长度 n l l n o K 1 为系数 与焊接方法 和材料有关 对低碳 钢 的 埋弧焊来说 K 0 0 7 1 因板两边均有焊缝 可以考虑为从两板中间切开 取包含一条焊缝的构件 则 F W 3 O O O l l 3 3 0 咖 F H O 5 6 1 6 l l 1 2 1 r a m 2 L l 8 0 咖 L 0 0 71 1 21 1 4 8 0 0 3 3 00 0 3 8 5 mm 宽度方 向焊缝 的焊接条件 焊接形式与长度方向 相同 焊缝纵 向收缩与焊缝长度是线性关系 因此 其 纵向收缩量与长度方向焊缝收缩量的比值即为宽度与 长度 的比值 焊接纵向收缩在 焊缝及 附近 区域 主要 是塑性 变 形 这个区域叫做塑性变形区 在塑性变形区以外板发 生的变形为弹性变形 3 1 2 焊缝纵 向收缩与底板波浪变形 的关系 由于一张板四周都有与其它板的拼接焊缝 焊缝处 不会发生焊缝横向的位移 即焊缝不会在水平方 向发生 弯曲 这样对一张板来说 板在罐基础表面上的投影仍 是矩形 因为底板厚度较小 为 了分析方便 将单张底 板看作是 由与长度方 向平行 的无数条线组成 在焊缝 处 由于发生了纵向收缩 组成该处板的假想的线缩短 在塑性变形 区以外 各条线所受的压应力随着离焊缝 的 距离增大而减小 在应力作用下 其缩短的量减慢小 即 因焊缝纵 向收缩 组成单张底板 的假想 的长度不再相 同 两焊缝处最短 板 中心线最长 由于周围板 的约束 单张板保持矩形投影 即构成板 的假想线两端点的直线 距离相等 因 而长度不同的 线只有发生上下的弯曲 发 生上下弯曲的线联在一起 底板就发生了波浪变形 波 浪变形在板 中心线处最大 且变形大小与焊缝收缩的大 小有直接的关 系 曲线 波峰 的高度随着 出现波数的增 多而减小 3 2 底板 的焊接残余应力的产生 下面以单张板为例 由于底板中幅板 的厚度较小 厚度方 向的焊接残 余应力很小 可 以不予以考虑 3 2 1 长度方向焊缝的残余应 力 长度方 向焊接缝引 起的焊接 残余 应 力分为 X轴 方 向和 Y轴方向应力两部分 x方 向的应 力分布如图 4 Y轴方向的应力 又可分为两部分 一个是 由于 焊缝及其附近的塑性 变形区纵 向收缩所引起 的 用 o 表示 另一个是由焊缝及其附近塑性变形 区的横 向收 缩的不同时性引起的 用 o 表示 横向应力的两个组 成部分中 的分布如图 5所示 o l 0 0 0 一 l 0 0 枷 一 3 0 0 图 5 由纵 向收缩引起 的横 向应力 的 分布 一 一 一 o 0 7 0 I 0 LL 姗 1l 图 6 横 向应力 d 的分布 从图中可以看出 焊缝起点和终点处为压应力 而 中间部分为拉应力 对 长焊缝来说 中心部分的拉应力 维普资讯 w w w b z f x w c o m 2 O 0 2年第 2 5 卷第 4期 申建国 大型储 罐底 板焊接变形控制 2 7 有所降低 逐渐趋近于零 横向应力的两个组成部分 和 是同时存在 的 两者最终的横 向应力 的分布曲线如图 6 所示 3 2 2 单张底板 的受力分析 设单张板长度为 L 宽度为 w 焊接塑性变形区宽 度为 b 取塑性变形 区以外板 中部作分析对象 放人平 面坐标 系中 如 图 7所示 L Y I 0 L b 图 7 单张板 的受力情况 焊接残应力中 横向应力在离开焊缝以后数值迅 速衰减 并且这个方 向的应力对底 板产生波浪变形 的 影 响较小 这里不予讨论 只讨论纵 向应力影响 在 Y 0及 Y W b 的边上 应力为压应力 数值 为焊缝纵向应力 用 o l 表示 设应力在 Y 0及 Y W b 边上 的合力用 P I 表示 即 P I o l L b 8 同样 在 X 0及 X L b 这个边上 合力用 表示 则 P v w b 8 将 P I P v 是 一假想 的外力 分析 对象的 水平面上的受力如图 8 所示 Y l 1 l O 千 千 r 圈 8在 焊 接 纵 向应 力 下 展 板 的 受 力 图 在垂直方 向 板的重力和基础 的支持力相互平衡 在 以上受力分析的情况下 底板受压失稳 发生波浪变 形 分析 x轴方 向板受压失稳的应力临界值 根据欧拉公式 E I L 2 o A 式中 直杆件受压失稳的临界应力 欧拉屈载荷 卜钢材的弹性模量 低碳钢 E 2 1 1 0 5 N I 截面惯性矩形 对截面来说 I b h 3 1 2 W b 1 2 其 中 b为板宽度 h为板厚度 A为截面积 L为杆 件长度 L 1 4 7 8 0 3 2 1 4 7 4 8 mm 代人数值 得 O a r 0 0 9 N 珊n 2 远小 于材料 的屈服 限 o 2 9 0 N 焊缝处纵 向应力接近 o 因此底板极易 发生失稳 波浪变形 同时在板 角部 由于双 向压力 的作用 使单 块板角部下陷的倾 向很大 底板发生波浪变形后 对焊 缝的约束降低 其应力值减小 并在较低的应力下建立 新 的平衡 失稳变形后 由于凸起部分不与基础接触 这部分 材料的重力需靠周边部 分材料支承 因此可 以说底 材 的 自重对发生波浪变形的区域范围起到限制作用 3 3 整个罐底 的焊接变形 以上几点 的讨 论主要 以单 张底 板为研究对象 对 整个油罐底板来说 边缘板 因厚度较大 焊接发生失稳 变形的可能性较小 对整个 中幅板来说 如果焊接程序 不利于控制变形 便在焊缝 处发生上下凹凸变形 焊缝 两侧板内发生的波浪变形与 之叠加 则整个 罐底在 局 部离开地基 向上拱起高达几百 m n l 这种情况 大大超 出 立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范 中规定 的罐底局部 凹凸变形不超过 5 0 m m 的要求 在施 工 中 应力求避免这种情况 综上几点分析 我们知道 大型油罐底板的焊接变 形主要是受焊接纵向收缩引起 的失稳变形 这种失稳 变形极易发生 变形部位主要是每块板的中间部位 变 形呈波浪状凹凸变形 变形是 相对 稳定 的 这主要 表 现在外力作用于凸起部分时 其局部凸起高度减小 但 外力撤除后 波浪变形 以恢复至原来的变形程度 4 焊接变形的控制 4 1 设计排板法 在油罐的结构设计 中 单从加大底 板的厚度 来提 高底板的刚度 控制焊接变形是不可取的 这样不但会 增加油罐 的材料成本 而且 收益效果不大 底板 厚度 远远小于底板直径 因此 即使厚度增加 较大 对 油罐 底板的刚度影响也很小 采用带垫板的对焊接 不但 能保证焊透底板根部 便 于焊缝成型 提高底板焊缝的焊接质量 并且对底板 结构上说 相 当于增加了加强筋 使油罐底板的整体结 构刚性增加 罐底板 的屈服点增加 在罐底板出现局部 失稳的可能性 降低 更容易抵抗 大范 围的失稳变形 是 控制焊接变形 的有效方法 维普资讯 化 工 建 设 工 程 2 O O 2年第 2 5卷第 4期 设计时底板选 用规格较 大的板材 可 以减少拼接 焊缝 的总量 由于焊缝 的纵向收缩量 的大小 与焊缝 总 长成正 比 罐底板拼接焊缝 的总量减少 了 必然可 以有 效地减少焊缝 的纵向收缩量 焊缝 的纵向收缩量降低 了 产生 的压应力 的数值必然降低 不容易达到罐底板 材料 的屈服点 大大降低 了波 浪变形产生 的可能 板 规格小时 拼接焊缝 的总量增加 焊缝的纵向收缩量增 加 罐底板产生的压应力的数值增加 波浪变形产生的 可能增大 同时 相邻两焊缝 之间 的距离小 罐底板焊 接过程 中产生的焊接应力 更容易互相影 响 产生应力 集 中 使焊缝处发生波 浪变形 实践证 明增大底板材 料的规格 对控制罐底板 的焊后变形效果最为明显 设计时底板 中幅板 的坡 口角度 坡 口间隙 的大小 对焊后罐底板变形 的影响很大 中幅板的坡 口角度大 小的设计 在便于施焊 保 证焊透工件 的前提下 尽可 能的减少坡 口角度 因为 中幅板 的坡 口角越小 焊缝 成型需要填充的金属 就越少 焊接时需要 的焊接热输 入 焊接线能量就小 也就意味着 相 同焊缝长度下 其 产生的焊后变形就小 实践经验表 明 5 5 6 0 o 的坡 口 角度比较适合 底板中辐板的坡 口间隙 在便于施焊 的前提下 适 当的增大 将有利于减少焊后变形 因为 焊接过程 中 在焊接热作用下 中辐板发生膨胀 发生 膨胀的中幅板金属之 间接触后 容易 出现金属相互挤 压而产生 的变形 底 板坡 口间隙适 当增大 在焊接过 程 中 底板 中幅板之 间就 不会因为在焊接热输入下 的 金属膨胀而 出现相互挤压 由于 中幅板之 间相互挤 压 而产生的变形就不会 出现 同时 底板 中幅板之 间的 坡 口间隙适 当增大 焊接完成 以后 焊缝金属 中出现的 多种应力中 其 产生的拉应力会增 大 焊缝金属 中残 余的拉应力越大 出现波浪变形的可能就越低 实验 经验表明 8一l O m m的坡 口间隙 是 比较合理的间隙范 围 油罐底排板时 采用条带 型排板结构 见 图 1 尽 量减少长焊缝的数量 将长焊缝变为分段的短焊缝 更 有利于控制底板 的焊接变形 4 2 采用合理的焊接顺序 油罐底板 的焊接采用合 理焊接顺序 是为了达 到 以下 目的 一 方面是要解决罐底板 中幅板与罐壁板的大角焊 缝焊接时的收缩对 中幅板 的整体影响 大角焊缝为双 面角焊缝 焊脚尺寸较大 如果焊接角焊缝时边缘板与 中幅板相联 就会使 整个 中幅板受周向压力 很容易使 罐底 中幅板产生失稳变形 产生很大的拱起 变形 严重 影响油罐的施工质量 为解决 这个 问题 采用如下组 装焊接程序 先组装边缘板 再组装 中幅板 中幅板边 缘尺寸留 l O O m m的余量 搭在边缘板上 焊接时先将 中幅板焊在一起 焊接顺序是从 中心向外将 中幅板分 成多个区块 焊接 区块 内焊缝 将 区块联 成一个大块 再将通长焊缝焊接 将 整个 中幅板焊在 一起 通长焊 缝焊接时 由于焊缝长 焊缝收缩力较大 这时须保持焊 缝能 自由收缩 而且不影响整体结构 从而控制焊接变 形 整个 中幅板焊接 中 焊接收缩量不受边缘板阻碍 焊接应力小 边缘板焊接时 先焊外部 3 0 0 4 0 0 ra m 内部不焊 预留到边缘板 与壁 板的角焊缝焊接 收缩后 再焊 大角缝及边缘的焊缝全部焊完 将 中幅板收缩 后的放大部分 切焊 组对 中幅板 与边缘 板 间的焊缝 最后进行这条焊缝 的焊接 焊缝收缩受 到边缘 板 的强 力阻碍 使整个中幅板受到拉伸作用 对整个 中幅板来 说起到降低焊接失稳波浪变形 的作用 另一方面是为了尽可能的减少中幅板 中产生的焊 接应力 中幅板焊缝 由中幅板短 焊缝和通长缝组 成 为了在焊接过程 中尽可能地减少 中幅板中产生的焊接 应力 在罐底板 中幅焊缝焊接 以前 先将罐底板 中幅板 以通长缝为界 分为六个相对独立的区块 其焊接顺序为 1 在焊接过程 中 先焊六个相对独立的区块 内所 有 的短焊缝 待短焊缝焊接完成以后 再进行 中幅板通 长缝的焊接 2 在进行独立的区块 内焊缝焊接时 以两块板为 一 个单元 从 中心向两端隔一条缝焊一条缝 使用这种顺序进行焊接 可 以使罐底 中辐 板 的焊 接完全在 自由状态下进行 中幅板焊缝在焊接过程中 不受其他 中幅板 的拘束 焊接 过程 中产生 的拉 应力和 压应力很小 产生的焊接变形必然小 六个相对 独立 的区块 内所有 短焊 缝焊 接完 成 以 后 进行 中幅板通长缝 的焊接时 以中幅板通长缝 的中 心为界 将通长缝 分为两段对称进行焊 接 这 种方式 焊接 一方面可 以减少一次性 焊接 长度 减 少焊后 变 形 另一方面可以通过对称焊接 抵消焊接过程中产生 的焊接应力 最终达到控制焊接变形的 目的 4 3 采用分段退焊 的方法 采用分段焊接 的方法 也会起到减小焊接 收缩 的 作用 由焊接纵 向应力分布曲线 可 以知道 在焊缝开 始和结束 的部位有个区域 应力小 于 8 分段焊接时 焊缝有多个起点和终点 降低 了应力达到屈 服极限 的 长度 焊缝总长范围内应力平均值降低 发生塑性变形 的区域减小 焊接 收缩量变小 我们在实际施工 中 采 f 下转 4 8页 维普资讯 化 工 建 设 工 程 2 O O 3年第 2 5卷第 4期 4 3 原材料进入现场后按规格类别分类摆放 标识清 楚 4 4 材料使用 时严格遵照配 比 随用随配 由专人配 料 专人检查 4 5 每道工序 必须经质检员和 甲方施工代 表共 同检 查合格后 方可转下工序施工 4 6 由于施工期正值雨季 散料库室 内湿度较大 我 们采用了可 以在潮湿表 面施 工的 T 3 1固化剂 以确保 防腐层的质量 4 7 防腐层施工完 7 d 后方可交付使用 5 结束语 由于基层前处理较好 严把材料关 又加强了施工 的过程质量控制 确保了工程竣工时一次验收合格 得 到了化肥厂和公司有关部门的好评 为延长防腐层 的使用 寿命 我们建议 甲方在 日常 的使用 中应尽量避免机械损伤 该 防腐层经过近两年的使用 效果依然很好 未出 现任何翘起 鼓包和脱落现象 参考文献 1 马德彰 等 化学 工 业 出 版 礼 2 0 0 1 收稿 日期 2 0 0 3 0 5 一O 6 上接 2 8页 用的焊接手段为 中幅板短缝打底焊缝焊接时 将一条 缝分 为 6 8段 使用 6 8名焊 工采用分段退焊 的方 式 同时进行打底焊缝 的焊 接 中幅板通长缝 打底焊 接时 中以幅板通长缝的中心为界 将通长缝分为两段 对称进行焊接 在 焊接每段焊缝时 将 每段焊缝分为 1 2 1 4段 使用 1 2 1 4名焊工采用分段退焊的方式同 时进行打底焊缝的焊接 4 4 减少焊接加热次数的方法 在焊接过程 中我们发现 一条焊缝的焊接 焊接热 输入越小 焊后产生焊接变形 的程度越小 焊接过程 中 加热次数越少 焊 后产生焊 接变形 的程度越 小 我们 在施工中 基于减少焊缝加热次数 减少焊接变形 提 高焊接速度的考虑 在中幅板焊缝的焊接过程中使用 新工艺 将中幅板焊缝的填充 盖面焊接一次完成 具 体过程 为 手 弧焊 打底 焊 条牌 号 J 4 2 2 中间填充碎 丝 焊丝牌号 一C 填充 盖面焊接使用埋弧焊一 次完成 由于焊接过程中焊缝加热次数降低 中幅板 焊缝焊接完成 以后 焊接变形非常小 完全满足工艺要 求 4 5 机械矫正法 的使用 由于焊接变形是伴随着焊接 出现 的 是不可避免 的 在实际施工当中 我们只能尽可能地采用合理的工 艺 冶金措施去减少焊后变形 不可能完全消除焊接变 形 在焊接过程 中 为 了把焊接变形控制在一定范 围 内 可以采用适当的矫正变形 的方法 进行一定范围的 变形矫正 采用的手段是 在中幅板焊缝焊接过程