浅谈大型立式钢制油罐焊接变形原因及预防措施

摘 要：在大型立式钢制油罐施工过程中，由于焊缝密集，应力状况复杂，容易出现油罐罐体局部变形的现象，从而影响了油罐整体的施工质量。本文从罐壁和罐底的焊接过程和焊接工艺方面，分析了造成焊接变形的原因及其它因素（如施焊方法、下料尺寸、卷板质量等）对焊接的影响。同时提出了在施焊过程中控制焊接变形应采取的措施。

关键词：立式钢制油罐 焊接 变形 控制

立式钢制油罐是石油化工、交通运输等行业储油的大型设备，因所储存的介质为易燃品，在施工过程中除保证其严密性外，结构的安全稳定性也至关重要。因此，对罐体的几何尺寸（椭圆度、垂直度、底板平整度等）应严格控制。在施工中由于大型油罐结构焊缝密集，应力状况复杂，并且是在现场安装组焊，组装胎具简单，所以对控制罐体几何尺寸造成很大困难。现从焊接工艺角度对控制焊接变形，保证罐体整体质量谈几点认识：

一、罐壁板的焊接变形分析及控制

罐壁板的焊接变形主要表现在罐体的椭圆度、垂直度及局部凹凸度超标。影响椭圆度、垂直度的原因，除制作安装过程中下料尺寸精度差，工艺、工序不合理或不完善外，主要是焊接因素。纵焊缝的纵向收缩（沿焊缝长度方向的收缩）和环焊缝的横向收缩（沿焊缝宽度方向的收缩）均能造成应力变形，致使罐壁椭圆度、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，应采取一定的工艺措施减少焊缝收缩。在现有条件下，最有效的工艺措施是刚性加固法，即增加结构局部刚性，以限制罐壁板焊缝及热影响区收缩量，具体做法如下：

1.利用胀圈减少环焊缝的收缩变形

1.110000m3油罐，胀圈选用[22a]槽钢，双槽钢口对口相扣组成，根据罐体内径卷制而成，保证胀圈外径与罐体内径尺寸一致。

1.2卷制成形的槽钢用挡板及四个千斤顶拼接成一个整圆，达到一个对该处环焊缝局部加固的作用。

1.3罐壁板吊装前，胀圈应安装在距底板约200mm处的罐壁板上，通过调节千斤顶，使胀圈与罐壁贴紧，然后起吊，组对环缝，然后按排好的焊接顺序，施焊环焊缝，待环焊缝焊完后，将胀圈调节松弛放下，待下带壁板安装、起吊时再用。

2.利用弧形板减少纵焊缝横向收缩引起的角变形

为了保证焊透，一般板厚超过6mm时均应开坡口。在焊接加热过程中，焊缝处及热影响区受热膨胀，因受两侧低温母材压力作用而收缩；而当焊缝及热影响区金属冷却时，两侧母材又受到拉应力作用，且横向收缩在板厚方向是不均匀的，这样就产生角变形。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，在纵焊缝组对完成后，应在纵缝内侧安装弧形板，增加局部刚性，即施焊前在每道纵焊缝上点固焊接3～4块弧形板（应使弧板与罐壁贴紧，且焊缝两边点焊不应少于4处）。示意图见下图：

待该层纵焊缝焊完冷却后，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。另外，焊缝的对口间隙和坡口角度对角变形的形成也有较大影响，增大对口间隙和坡口角度，即增大了焊缝横向收缩量，也就增大了变形倾向。因此，在加工坡口及组对时应严格按规范要求施工，不得随意增大尺寸。在对口间隙和坡口角度超标时，采用弧形板尤为必要。

3.纵焊缝的纵向收缩及失稳对罐体椭圆度、垂直度的影响

纵向收缩与横向收缩机理相同。随着罐壁层高的增加，失稳倾向相应增加。由于纵向收缩和失稳的共同作用，纵焊缝纵向有外翘的趋势。对于这种变形，除要求严格按内外交叉施焊的焊接顺序以外，还可采用增强焊缝两侧壁板刚性的办法，以限制焊缝及焊缝两侧各100mm区域的收缩变形。施焊前，在T字缝处环焊缝上离纵焊缝两侧约300mm处各点焊厚10mm，宽约100mm，长约600mm的两块钢板。钢板要与罐壁板紧贴，以便有效地限制收缩变形，出现这种变形应在胀圈安装之前调直，否则层层叠加起来便会形成总体变形。

二、罐底板变形及控制

l.底板搭接焊缝对变形的影响

通常罐底板设计均为搭接接头，与基础接触的底面搭接处是无法施焊的。这种接头是典型的应力集中焊接接头。因此，必须限制变形量，以防止由于液面变化而引起表面焊缝根部撕裂或疲劳断裂。GB50128《立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范》中明确规定，底板局部凹凸度不应大于5Omm。罐底板由于厚度小、焊缝密集、波浪变形倾向大，局部凹凸再所难免。但如果在施焊时采取一定的措施，这种变形可以控制在标准偏差范围内。中幅板的局部凹凸变形主要是收缩量之差造成的。在焊接过程中，钢板的一侧焊缝先焊先收缩，而钢板的中部和末端焊的一侧相对松弛或没有收缩，导致底板向上拱起。这时如果强行组对施焊，另一侧就会形成较大的应力，发生局部变形。为了减少这种收缩不均匀性造成的变形，施焊采用刚性固定的方法可减少变形。对于中幅板或大面积的拼板，则可采用在焊缝两侧各100mm区域沿焊缝纵向点固临时构件增加其刚性的办法，减少焊缝及热影响区的收缩。

2.焊接顺序对变形的影响

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，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lOOmm的焊接余量，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，将多个区块联成一个大块，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。整个中幅板焊接该处中，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300～400mm，内部不焊，预留到边缘板与壁板的角焊缝焊接收缩后再焊。大角缝及边缘板的焊缝全部焊完，将中幅板收缩后的放大部分切掉，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。

三、影响变形的其它因素

1.焊接电流

随焊接电流的增大，熔化部分比较深、熔池比较宽、热影响区都增大，进而造成收缩量和变形增大。因此，施焊中在保证焊接接头尺寸和焊缝质量的前提下，应尽可能选用较小的焊接电流和较快的焊接速度。

2.施焊方法

施焊时，多名焊工应均匀分布同时施焊，并采用分段退焊或跳焊法。分段间隔越大，焊接长度越短，收缩量和变形就越小。一般每段焊缝连续焊接的长度为500mm左右为宜。

3.卷板质量

油罐的壁板，其卷板质量也是影响变形不可轻视的因素。一旦局部出现大面积的凹凸或者弧度不合格时，必须进行矫正，消除变形及应力，避免为以后各道工序增加累计变形。

4.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中，一边进行焊接，一边趁热使用铁锤，锤击焊道两侧。通过趁热使用铁锤锤击焊道，一方面热影响区金属受力，产生压缩塑性变形，释放部分焊接应力。另一方面，通过铁锤的大力锤击，让焊缝金属产生反方向机械变形，用变形抵消变形。

四、结束语

大型立式钢制油罐焊接变形虽是很容易发生，但只要采取合理的焊接程序及其它控制变形的技术措施，还是可以有效的控制，能够保证整台油罐焊接质量。

参考文献：

[1]GB50128-2005，

[2]SH3530-2001，

[3]粱斌 马永利：，油气储运，1997（6）16，34～35，47。