16万方原油储罐底板焊接防变形控制

摘要:大型储罐底板焊接及变形控制是保证储罐整体施工质量的关键环节,采用合理的焊接方法和防变形措施,可有效地避免应力集中,提高施工质量。通过对16万立方米原油储罐底板的组对、焊接,采取的工艺手段,最终使储罐的底板变形得到有效控制。

关键词:储罐底板 残余应力 焊接变形 防变形措施

1 前言

随着石油出口的增长,阿联酋国家石油投资公司新建日输出量约150万桶的原油管线,在富吉拉码头新建中转站,在此共有8台16万立方米储罐。本文以施工的16万立方米原油储罐为例,探讨在施工过程中如何控制底板焊接变形控制。16万立方米原油储罐内径110m,中幅板面积很大,钢板的厚度与长、宽相比,尺寸相差悬殊。这样大面积的搭接角焊缝,如果铺设和焊接顺序安排不妥当,焊后产生较大的内应力,底板失稳就会引起凸凹变形。依次我们对施工工序质量与变形关系及采用的反变形措施予以讨论。

2 罐底板尺寸控制

2.1 罐底板结构形式

储罐底板由边缘板和中幅板组成,边缘板由60块板组成外圆内多边形的环状结构,中幅板为多块板搭接成的多边形结构,边缘板和中幅板之间通过搭接在一起,构成整个底板。

2.2 底板的焊缝型式

底板边缘板为带垫板的对接焊缝,中幅板由多块板搭接而成(储罐底板材质为A283GrC;材料的平均屈服强度为205N/mm2,抗拉强度为380N/mm2)。

2.3 底板焊后变形情况及力学分析

2.3.1 底板焊后变形情况

单张中幅板四周焊缝焊完后,焊缝部位同罐基础贴合较为紧密,只在板的中间部分发生波浪变形,最高处高出基础面20―70mm,每张板均出现1―3个最高点,最高点之间的距离在2.7―4.5m之间,从以上的焊接变形看,底板中幅板的焊接变形如图2所示是典型的薄板受压失稳变形。

2.3.2 焊接的残余应力分析

以单张板为例讨论底板的焊接残余应力,由于底板中幅板的厚度为9mm,厚度方向的焊接残余应力很小,可以不予考虑。焊接时,在焊缝及邻近区温度最高,(可达1600℃以上),产生沿焊缝方向的纵向伸长,但伸长量会因钢板的整体性而受到焊缝两侧未加热区域的限制,由于这时焊缝金属是熔融塑性状态(钢材达到600℃时软化),伸长虽受限制,却不产生应力。随后焊缝金属冷却恢复弹性,收缩受两侧钢板限制而导致焊缝金属受拉,两侧钢板则因焊缝收缩倾向牵制而受压,引起纵向焊接残余应力。焊接残余应力分为X轴方向和Y轴方向两部分。X方向的应力分布如图3所示, 焊缝纵向收缩将使钢板有相向弯曲的趋势。但钢板已焊成一体,弯曲变形将受到一定的约束,因此在焊缝中段产生横向拉应力,焊缝区域的残余应力,拉应力垂直于焊缝长度方向,最大值为σs。

横向残余应力的产生与施焊顺序有关。先焊好的部分冷却凝固恢复弹性较早,将阻碍后焊部分自由收缩,因此先焊部分横向受压,而后焊部分横向受拉,引起如图4所示的应力分布,应力值为σy。

从图中可以看出,焊缝起点和终点处为压应力,向中间部分为拉应力,对长焊缝来说,

中心部分的拉应力有所降低,逐渐趋近于零。

2.3.3 焊缝的纵向收缩量计算分析

单张板长度方向焊缝焊接收缩量可按下式计算:

L=K1FHL/F

式中: L― 纵向收缩量(mm)

F ― 构件截面积(mm2)

FH ― 焊缝截面积(mm2)

L ― 构件长度(mm)

K1为系数,与焊接方法和材料有关。对低碳钢的半自动气体保护焊来说,K1=0.073

则:以2500*12000*9mm的板为例,由于底板搭接50mm.

F=Wδ=2450×9=22050 mm2

FH= 3.14×r2 /4=64.6 mm2

L=12000mm

L=0.073×64.6×12000÷22050=2.496mm.

宽度方向焊缝的焊接条件、焊接形式与长度方向相同,因此,其纵向收缩量同长度方向焊缝收缩量的比值即为宽度同长度的比值,这是因为,焊缝纵向收缩同焊缝长度是线性关系。

焊缝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。

2.3.4 焊缝纵向收缩与底板波浪变形的关系

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,其缩短的量减小,即因焊缝纵向收缩,组成单张底板的假想的线长度不再相同,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,即构成底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,波浪变形的大小在板中心线处最大,且变形的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。

2.3.5 单张底板的受力分析

焊接残余应力中,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,这里只讨论纵向应力影响。

焊缝处纵向应力接近σS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。

2.3.6 整个罐底的焊接变形分析

以上讨论主要以单张底板为研究对象,对整个储罐底来说,边缘板因厚度较大,焊缝长度较短,焊接发生失稳变形的可能性较小,对整个中幅板来说,如焊接程序不利于变形控制,中幅板在焊接过程中受外力作用不能自由收缩,通长焊缝焊接无刚性固定等情况,使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可能高达几十毫米。这种情况超出美标API650 《钢制油罐焊接规范》罐底局部凹凸变形不超过50mm的要求。

综上所述,储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,变形成波浪状凹凸变形,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。

2.4 防变形措施

2.4.1 焊接残余应力控制措施

2.4.1.1合理选择焊接顺序和方向,一般先焊收缩量较大和工作时受力较大的焊缝,把结构分成部件,使不对称的焊缝或收缩量较大的焊缝能较大自由收缩,而不影响整体结构。所以先焊短焊缝,后焊长焊缝。初层焊缝应采用分段退焊或跳焊法.焊接尽量使每条焊缝受拉应力,避免受压应力,然后再拼成整体;

2.4.1.2采用焊缝端部使用反变形法降低局部刚度;

2.4.1.3锤击焊缝,焊完一道焊缝后立即用小锤锤击焊缝区,可降低内应力;

2.4.1.4刚性固定法:将构件加以固定来限制焊接变形;

2.4.1.5选择合适的焊接方法和规范:在生产条件允许下,尽可能选择焊接线能量低的焊接方法。

2.4.2 主要防变形措施

2.4.2.1控制底板预制质量

预制质量是影响罐底板成型的关键因素,预制过程中边缘板、中幅板的预制尺寸偏差必须符合设计规范要求。

中幅板的周边小板切割采用半自动切割机,与边缘板搭接的一边考虑到焊缝的焊接收缩变形,多预留出100mm,待焊接龟甲缝前下料切割。

2.4.2.2保证罐基础的坡度、控制基础的局部凹凸变形

基础验收应按照规范和图纸要求进行验收,应同土建单位共同确认基础中心点、设计方位线等定位点和定位线,划同心圆的直径、测点位置必须符合规范要求,并根据复测结果作出详细的基础验收记录,如基础出现局部凹凸变形较大,底板铺设后造成局部应力集中,增大底板变形趋势。基础验收过程中,对环梁标高应全面测量,环梁施工的高度偏差直接影响到边缘板的铺设质量。检查环梁与沥青砂过度部分是否圆滑过度,以此保证边缘板的平直度。

2.4.2.3罐底边缘板放线尺寸应充分考虑焊缝的焊接收缩量

罐底板实际放线半径尺寸按下式计算:

RC=(R+3N/2π)×1/COSarctgA

式中:RC―实际放线半径(mm)

R―图纸设计半径(mm)

N―边缘板数量

A―基础坡度比值

RC=(55000+3*60/2π)×1/(COSarctg1/120)=55084mm

每一张边缘板的位置线按设计图纸的方位进行放线铺设,边缘板的对焊焊缝组对间隙按外侧间隙6～8mm,内侧间隙8～12mm计算。

2.4.3 采用合理的焊接方法及焊接顺序

2.4.3.1边缘板铺设焊接方法

储罐底板的合理焊接程序,关键是解决底板与壁板的大角焊缝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,严重影响储罐的施工质量,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100mm的余量,搭在边缘板上,焊接时整个中幅板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350～400mm,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割.搭接中幅板与边缘板间的焊缝,最后进行焊接,这条焊缝最后焊接时,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。

2.4.3.2中幅板铺设焊接方法

中幅板铺设采用搭接方法

中幅板铺设前应认真检查中幅板外观,凹凸变形不符合要求的钢板应调直后方可使用。中幅板铺设顺序,从两侧向中心铺设。中幅板每两块板为一单元,单元间搭接长度应调整至图纸要求范围内,然后点焊。

搭接过程中应检查原预制钢板的直线度,搭接完毕后使搭接间距均匀统一,中幅板大板焊接时应注意使所焊底板始终处于自由状态或保持板内为受微拉应力,为达到板内受微拉应力,在施工中使用了板与板连接板技术,即在焊接中间焊缝时,用卡具把相邻两张板点焊到一起。

半自动气体保护焊采用分段退焊、焊工均匀分布焊接工艺

采用分段退焊分段焊接的方法,会起到减小焊接收缩的作用,由焊接纵向应力分布曲线,我们知道,在焊缝开始和结束部位有个区域,应力小于δs,分段焊接时,焊缝有多个起点和终点,这样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。如果焊缝分段数越多,会影响焊接效率。因而焊缝的分段数量应按现场的焊接条件综合考虑。在具体操作过程中,中幅板长边焊缝焊工每隔3m均匀分布,同时施焊。中幅板通长焊缝焊工布置及分段情况参照以上方法,分段长度3米为宜。

选用合理的焊接顺序及焊接工艺减少中幅板焊接变形

焊接顺序应先焊中幅板短缝,后焊中幅板长缝,最后焊接通长缝。通长缝焊接时总体顺序如图5,从两端向中心隔一条缝焊一条缝的跳焊工艺,中幅板长缝焊接从中心向两端,以两块板为一个单元进行焊接。

焊接完成后立即用手锤锤击焊道200mm范围热影响区,以矫正变形和释放残余应力,敲击方法为沿焊道(焊接方向)两侧200mm范围内用手锤捶击钢板。

龟甲缝焊接采用均匀分段焊接方法,周边小板剩余焊缝的焊接应在大角缝、边缘板剩余焊缝焊接完毕,龟甲缝搭接完毕后焊接。边缘板剩余部分对接焊缝焊接,在焊第二层环缝前将龙门卡具拆下进行焊接。龟甲缝点焊时,用龙门卡具防止焊接变形。龟甲缝焊接时,要均匀分部,同时同方向焊接。

3 小结

16万立方米原油储罐底板变形虽很容易发生,但只要严格控制过程,严格遵循各工序,采取合理的焊接程序及相应的控制变形技术措施,还是可以有效控制,保证储罐底板质量的。同时节约人力和物力,提高效益。我公司在南海石化项目十万立方米储罐、独山子项目十万立方米储罐等大型储罐施工中,均采用过以上类似的控制储罐底板变形的技术措施,尺寸偏差均控制在规范和图纸要求范围内,也取得过很好的效果。