立式大型贮罐焊接变形分析及控制

时间:2022-10-14 06:28:24

立式大型贮罐焊接变形分析及控制

【摘要】:在施工过程中,立式大型贮罐焊缝密集,焊缝交叉部位较多,应力状况复杂,易造成焊接变形,影响贮罐的整体尺寸,外形美观及安装质量。本文依据某核电现场安装实际情况,以TER核岛废液排放贮罐为例,就贮罐焊接底板及壁板在焊接过程中的工艺方面,分析出现焊接变形的原因,并根据相关经验,提出在实际施工中控制焊接变形所采取的措施。

【关键词】:金属 贮罐 焊接 变形 控制

中图分类号:TG4文献标识码: A

1工程概况

TER贮罐为立式圆筒形低压碳钢容器, 用于收集和贮存核岛废液排放系统的废水。贮罐外形尺寸约为Φ8500mm×13700mm。由于贮罐高度较高,为尽量减少高空作业,现场施工方法采用群桅杆倒装法。

贮罐底板材质为20R,厚度为8mm,底板采用条形排板,中间为搭接焊口,边缘板为对接焊口的拼接方式,底板拼板方式如下图一:

图一:底板拼板示意图

贮罐罐壁材质为20R,厚度为7mm,对接焊口,壁板拼板方式如下图二:

图二:壁板拼板展开示意图

2罐底板的变形与控制

2.1底板的焊接形式

大罐底部中幅板设计为搭接接头,搭接形式如下图三、图四;边缘板为带垫板的对接接头,对接形式如下图五。大罐与基础接触的底面是无法施焊的,这种搭接接头存在严重的缺口效应,典型的应力集中接头,相当于焊缝的根部像存在裂缝一样。因此,必须限制变形量,以防止由于大罐内部液面变化引起表面焊缝根部撕裂或疲劳断裂。

图三:两块板搭接示意图 图四:三块板搭接示意图

图五:边缘板对接示意图

2.2底板焊接后的主要变形及应对措施

大罐底板设计厚度为8mm,由于厚度较小,焊缝密集,波浪变形倾向大,在焊接过程中先焊的部位先收缩,后焊的一侧相对松弛或没有收缩,导致因为收缩量的不同产生一定的变形。由于收缩量之差产生的变形避免不了,但若采取一定的焊接工艺措施,这种变形就可以控制在设计允许的偏差范围之内。

为了减少这种收缩不均匀性造成的变形,现场施工时可采取如下的焊接工艺和措施:

2.2.1合理的安排焊接顺序,减少焊接变形量。

对构件进行焊接时一般遵循以下几个原则:

①先焊收缩量较大的焊缝,使焊缝能够自由的收缩;

②先焊错开的短焊缝,后焊直通长焊缝,使焊缝有较大的横向收缩余地;

③先焊在工作时受力较大的焊缝使内应力合理分布;

④对于长焊缝,一般采用分段跳焊法。对于环形焊缝,焊工对称分布沿同一方向同步焊接。

根据以往的经验,TER贮罐底板现场焊接时,采用先焊短焊道,后焊长焊道,由中心向外的焊接顺序,如下图六所示。直通长焊缝焊接时,焊工应均匀分布,由中心向外施焊。

图六:焊接顺序示意图

2.2.2预留焊接反变形量。

这种方法即根据焊缝焊后的收缩特性,对构件进行预留相反方向变形以减小由于焊缝收缩引起的变形,使构件整体发生较小的变形。某核电现场TER贮罐底板边缘板设计为带垫板的对接接口,焊接量大,填充金属较多,焊后收缩导致的焊接角变形倾向大,如图七。边缘板对接焊口焊接时,采用反变形法,先将对接口与焊接变形方向垫高一点,以减小焊后的变形量。

图七:角变形示意图

2.2.3对引起焊接变形的热输入量进行有效控制。

即对焊接电流、焊接速度、层间温度等进行有效控制。现场焊接所使用的工艺都是经过多次实践,做了严格的工艺评定。施工人员要随身携带工艺卡片,严格控制工艺参数。

2.2.4 刚性固定法。

即采用加固方式来阻碍焊缝发生变形,根据焊缝焊后的收缩特性,在易于发生变形的地方进行加固,使焊接应力融入焊缝内部,不发生焊接变形,以达到控制变形的目的。 对于底板边缘板对接处及长焊道的焊接前,采用配重快刚性固定。

3罐壁板的变形与控制

3.1罐壁板的接头形式及变形倾向

贮罐壁板是由三块弧形板拼接成的,环焊缝为单边V型对接接头,立焊缝为双V对接接头,环缝与立缝接口处为T型接头.罐壁板的焊接变形主要表现在罐体椭圆度,垂直度及局部凹凸度超标。而影响罐体椭圆度、垂直度的原因,除制作安装过程中下料尺寸精度差,工艺、工序不合理外,主要是焊接因素。立焊缝、环焊缝的纵向收缩(沿焊缝长度方向的收缩)和横向收缩(沿焊缝宽度方向的收缩)均能造成应力变形,致使椭圆度、垂直度、局部凹凸度超标。

为了减少罐壁板在焊接过程中产生的收缩变形,现场采取一定的措施减少焊缝收缩:

3.1.1利用胀圈减少环焊缝的收缩变形。

胀圈选用25#槽钢,根据罐体的内径卷制而成,并使接触面长度满足罐壁的周长要求。由于采用倒装法安装贮罐,所以底板焊接完成后,要进行最上层即第6圈壁板的焊接(该核电现场TER贮罐壁板一共有6层拼接而成)。先组对点焊壁板的立焊缝,焊接立焊缝,留出最后一道立焊缝先不焊接,利用千斤顶将胀圈胀紧到距壁板上口100mm处,确认无误后进行预留立焊缝焊接。

1-筋板δ20×260×70 2-板3-22×800 4-5t螺旋千斤顶

图八:胀圈安装示意图

第6层壁板焊好后,将第5圈壁板围在第6圈壁板外,进行组对,预留一道立缝活口,提升第6圈壁板,到位后再进行环缝点焊,点焊环向焊缝至70%长度后,进行活口坡口处理,将第6圈上的胀圈安装到第5圈下口上方60mm处,然后进行活口焊接,最后进行环缝的焊接。以此类推进行下面几层壁板的焊接。

3.1.2利用弧形卡板减少错边及立焊缝横向收缩引起的角变形。

立焊缝的坡口形式为双V坡口,在焊接加热的过程中,焊缝金属及热影响区受热膨胀,因受两侧冷凝金属压力作用而收缩。而当焊缝及热影响区金属冷却时,两侧母材又收到拉应力作用,且横向收缩在板厚方向是不均匀的,这样就造成平面偏转角,产生角变形。

为了减少这种角变形所引起的罐体椭圆度及局部凹凸度超标,在立焊缝组对后应用弧形板,增加局部刚性,即在施焊前在每道立焊缝上点固焊接2-3块弧形板(应使板弧面与罐壁贴紧,且焊缝两侧点固焊不应少于四处),如下图九。待该层立焊缝焊完冷却后,再去掉弧形板。此种方法对减少焊缝横向收缩产生的角变形有较好的效果。

图九:弧形板示意图(外用)

3.1.3利用点焊限位板来减少环焊缝的错边及变形量。

环焊缝坡口形式设计为双V形式,根据以往的经验,此种坡口形式不易于操作,焊接时容易造成铁水下流影响焊接质量和外观成形,后改为单V坡口。

组对质量对环缝焊接质量和罐体外形有很大影响,为防止环焊缝的错边,在环缝部位点焊限位板和安装楔子来保证焊缝组对质量、控制变形和调整错边量,如图十。由于罐体较大,环焊缝长度较长,为减少焊后由于收缩不均匀造成罐体倾斜,现场采用两名焊工在罐体两侧对称位置同一方向同时施焊。

图十:限位板现场安装图

4 底板与壁板连接角焊缝的变形与控制

大罐底板与壁板连接角焊缝由于焊缝特点,主要变形倾向是影响筒体的垂直度、椭圆度等形位尺寸。在现场施工中采用筋板斜撑进行组对,来保证组对质量,控制焊接变形,如图十一所示。此道焊缝,应在底圈壁板纵焊缝焊完后进行焊接,焊前应进行加固,焊工要对称分布,先焊外侧,后焊内侧,同时施焊,沿同一方向进行分段焊接,并采用分段退焊法,如图十二。

图十一:筋板斜撑现场安装示意图图十二:分段退焊法焊接顺序示意图

5总结

经过近年在核电行业对大型贮罐安装经验的积累,该现场TER贮罐安装结束后各项指标均达到标准要求。虽然大型贮罐的焊接变形很容易发生,但了解焊接应力与变形产生和存在的基本规律,认真分析好变形产生的原因及变形倾向,并采用合理的焊接工艺,选择合适的控制焊接变形的技术措施,还是可以将变形得以有效控制,从而保证焊接质量,满足设计需求的。

【参考文献】:

[1] 陈祝年 焊接工程师手册 机械工业出版社北京 2002.1

上一篇:临江水电站开发方案比选研究 下一篇:浅谈智能电网的调度技术