1、大型储罐罐底板焊接防变形控制探究摘要：本文通过介绍几种大型储罐底板的焊接方式，分析了残余应力与检验要求，给我国的大型储罐罐底板焊接防变形提供借鉴。 关键词：大型储罐；罐底板；焊接防变形 中图分类号：P755.1 文献标识码：A 一、简单介绍几种大型储罐底板的焊接 （一）边缘板的焊接 考虑到边缘板与壁板角焊缝的焊接收缩，在没有组装壁板前，只焊接壁板正下部的边缘板对接焊缝，即先焊自边缘板外侧向内 400mm 的对接缝。焊工均布在罐底边缘板外侧的整个圆周上，同时对称施焊，使焊接速度保持一致，隔一条焊缝焊接一条，避免焊接过程中造成边缘板的收缩不均匀，使整个边缘板外形出现椭圆现象。焊接方向由罐内侧向罐外
2、侧焊接。边缘板剩余部分的焊接在龟甲缝焊接前进行，其焊接具体要求与先焊的 400mm 要求相同。 （二）中幅板的焊接 对每个罐底板的焊接，先进行定位焊，再进行手工打底焊，最后采用自动焊进行填充焊和盖面焊。中幅板的焊接分 4 个对称的 900 扇形区，同时安排 4 个焊接小组对称施焊，先焊短焊缝、后焊长焊缝，并由罐底中心向外施焊，焊接顺序如图 1 所示： 图 1 中幅板带板对接长焊缝打底层采用手工电弧焊的分段退焊法或跳焊法施工，分段间距为 400mm，每条焊缝由两名焊工从中间向两端对称施焊。填充、盖面层采用埋弧自动焊，由焊缝中间分成两段分别向两端施焊；焊接时，带板与廊板 T 形接头部位留 300m
3、m 距离的带板对接缝先不焊接，在廊板与带板对接缝焊接前采用手工电弧焊施焊。 廊板对接短缝的焊接同带板对接缝焊接方法一样。但廊板与带板对接的长焊缝焊接前，应先完成 T 形接头部位留下的带板对接缝和廊板对接缝的焊接，并磨除焊接后焊接长缝。长焊缝打底层同带板对接缝焊接方法一样。填充、盖面层埋弧自动焊由两台焊机自焊缝中间分成两段分别向两端施焊，分段间距为 2000mm4000 mm。中幅板焊接过程中，距边缘板 2000mm 范围内的中幅板焊缝先不焊接，待中幅板焊缝焊完并与边缘板组对好后再焊接。 （三）罐壁与罐底大角缝的焊接 罐壁与罐底大角缝的焊接，在最少完成第二至第三带壁板纵、环焊缝组装和焊接后进行，
4、先采用手工电弧打底焊，然后采用埋弧自动角焊机进行盖面焊。为减小焊接变形，施焊时焊工应沿圆周均匀对称分布，并采用相同的焊接参数、相同的焊接方向进行跳焊或退焊施工。在焊接大角缝内侧时，为减小焊接变形，施焊前在罐壁内侧采用斜支撑进行刚性固定，斜支撑的间距应小于 1200mm，该支撑必须在罐底收缩缝焊完后才可拆除。 （四）龟甲缝的焊接 龟甲缝是罐底边缘板与罐底小板间的焊缝，即收缩缝。龟甲缝的焊接应在边缘板对接焊缝、罐底小板焊缝、大角缝焊接完成后进行焊接。龟甲缝变形较大，所以焊接时有数名焊工均布，并沿同一方向进行，其焊接方法是采用手工打底焊，然后用角缝自动焊机进行两遍自动焊。 二、分析焊接残余应力 以纵
5、向残余应力为例，说明产生焊接残余应力的机理、残余应力的大小和产生焊接残余应力的温度差。 （一）产生焊接残余应力的机理 焊接试板见图 2： 图 2 如图 2 所示的焊接板件，焊缝边缘温度 To，焊缝温度 T，焊缝与边缘温度差T=T-To。如果焊缝没有约束，理论膨胀量。由于母材的约束阻比了焊缝膨胀，在焊缝内形成的温差应变: 式中:K K1)，阻比系数，由于母材不是刚性的，不能完全阻比焊缝的膨胀。温差应变在焊缝内形成温差应力: 当温差应力 温差小于材料的屈服极限 s 时，应变是弹性应变，温差消失后，焊缝内弹性应变也消失，焊缝内就不存在残余应力。当温差应力 温差大于材料的屈服极限 s 时，弹性应变达到
6、最大值： 此时焊缝屈服，开始产生塑性应变 塑性，塑性应变值等于总应变减去弹性应变，即: 温差消失后，焊缝内弹性应变消失，但塑性应变残留在焊缝内，正是这部分残余应变产生了焊接残余应力，残余应力值是: 按残余应力公式计算，焊缝和热影响区的残余应力都超过了材料屈服极限。 （二）产生焊接残余应力的温度差 焊接温差超过某一数值就开始产生焊接残余应力，由残余应力: 得到产生残余应力的温差 按温差公式计算，温差大于 1200C 就产生残余应力，这个温差值可能小于经验预料。 （三）有限元分析 在没有实验条件的情况下，有限元法分析结果是最精确的，可以验证理论的正确性。例如 Q235B 板，温度从 200C 升到
7、 3000C，再降到200C，进行有限元分析。 1、建立分析模型(如图 3) 图 3 2、对模型进行单元格划分（如图 4） 图 4 3、 在焊道和焊道边缘上加载温度分布。 4、进行有限元计算、分析（如图 5） 。分析结果纵向残余应力是 224MPa，理论值应该是 235MPa，误差 4.7%。 图 5 （四）焊缝中的横向应力 横向应力是由焊缝纵向收缩引起的横向应力和焊缝横向收缩引起的横向力组成的。 纵向收缩引起的横向应力 将两块焊接在一起的长板沿焊缝中心纵向剖开，板向焊缝侧弯曲，实验表明在焊缝中存在由纵向收缩引起的横向应力，图 6 是用有限元法模拟板焊件剖开后的弯曲情况，佐证了实验结论。 图
8、6 图 7 是用有限元法模拟的横向焊接残余应力在焊缝中的分布情况。 图 7 2、横向收缩引起的横向应力 由横向收缩引起的横向残余应力与焊接顺序和方向有关。由于熔池的冷却收缩作用，在焊接过程中，先焊的部分横向受压，后焊的部分横向受拉，如果采用合理的焊接顺序和焊接方向会减小这部分横向应力。例如，经常采用的分段退焊工艺，就是使后段焊缝的后焊部分与前段焊缝的先焊部分连接，后段焊缝后焊部分的横向拉应力与前段焊缝先焊部分的横向压应力抵消一部分，由于横向收缩引起的横向应力存在，施工中会出现越向后焊间隙越小的情况。 （五）弯曲力 弯曲力是由坡口形状和焊缝余高引起的，目前还没有资料介绍，从图 8 可以看到 V
9、型坡口下小上大，再加上焊缝余高，焊缝断面的型心在板的中分面上方，焊缝的残余拉应力使板两端上翘，如图 8 所示，这是板变形的重要因素，从防变形角度出发，在满足工艺要求下，坡口越小越好，间隙越小越好，余高越小越好，最好打磨平整。 图 8 另一方面，由于焊缝断面横向收缩不均匀，上大、下小，会在焊缝两侧横向产生屁沟。弯曲应力引起板的翘曲见图 9： 图 9 （六）罐底板焊接变形 罐底板焊接变形是由焊接残余应力引起的失稳和塑性变形引起的，纵向应力、横向应力、弯曲力形成复杂应力场，在复杂应力场作用下，会产生波浪、局部凸凹、翘曲、屁沟等多种变形形态，图 10 模拟了薄板焊接变形形态。 图 10 （七）罐底板焊
10、缝的检验 储罐底板组焊完毕之后，应进行严密性试验。试验方法主要有底板真空试漏法和氨气渗漏法。在工程实际应用中，主要采用真空试漏法。在罐底板焊缝表面刷上肥皂水或亚麻子油，将真空箱扣在焊缝上，其周边应用玻璃腻子密封。真空箱通过胶管连接到真空泵上，进行抽气，观察真空表。当真空度达到一定要求时，所检查的焊缝表面如无气泡产生则为合格，若发现气泡，则应作好标记进行补焊，补焊后再进行真空试漏直至合格。 总之，随着大型储罐施工的增加，焊接工作显得越来越重要，如何减少焊接变形、提高焊接效率是施工所追求目标，所以底板焊接工艺的改进势在必行。大型储罐采用 CO2 气体保护自动焊打底、埋弧自动焊盖面工艺，既能有效地防止焊接变形，又能提高劳动生产率，有广泛的使用和推广价值。 参考文献： 1徐利霞.大型储罐罐底板焊接防变形控制J.化工管理,2013,06:30. 2张健飞,李桂莉,张嘉桐.储罐底板焊接变形机理及控制措施J.石油化工建设,2013,03:74-76. 3黄斌维,孙金禄,贾如磊.大型储罐底板的组装与焊接J.机械工程与自动化,2013,05:110-111+114.
