1、尼日尔储罐罐底板焊接方法分析【摘要】储罐罐底在施工中的平整度控制是储罐整体质量的控制要点，对储罐的生产运营寿命起着至关重要的因素。储罐罐底施工方案及焊接技术在国内外各个工程中无数次的被应用并且得到了良好的验证。本文从罐底施工中焊接顺序及焊接方法的理论出发详细分析在储罐设计及施工角度综合论述在施工中如何保证储罐罐底平整度的措施。 【关键词】储罐罐底变形 变形原理及控制 中图分类号：P755.1 文献标识码：A 1 引言 大港尼日尔公司承建的尼日尔油田地面建设一期工程中共 9 具储罐，储罐施工前，通过对焊工焊接位置及焊缝焊接顺序的周密安排，保证了罐底的平整度。钢制储罐底板焊接变形量的控制对于储罐整
2、体使用寿命至关重要，若底板存在较大凹凸变形，则罐内介质高低液位变化产生的压应力致使罐底承受相应的交变载荷，易导致罐底板弹性疲劳，从而使储罐整体失效。 2 工程概况 大港油建尼日尔工程有限公司承建的 CPF、FPF 站共 9 具拱顶储罐，该项目中罐区的所有储罐均为现场制作安装，以其中的 20000m3 储油罐罐底安装为例进行分析。 该储罐为拱顶油罐，总容积为 20000m3，罐体总高 21m，罐体内径42m，储罐底板设计直径为 42.2m。储罐底板由中幅板和弓形边缘板组成，其中中幅板材质为 Q235-B，单张板规格为 10x 2000x 11500mm；弓形边缘板，材质为 Q345R。 2.1
3、储罐底板设计措施 底板中幅板为搭接形式；边缘板为对接形式； 从设计角度出发，钢板选用较大规格，保证了罐底板总体焊缝数量较少并做到焊缝以底板中心线对称分布，再者，针对焊缝尺寸及形状，对于边缘板之间的焊缝，考虑到焊缝受力情况较为复杂并利用反变形原理，将其设计为带垫板的对接焊缝，如图 1 所示。中幅板之间、中幅板与边缘板之间的焊缝，考虑到其工况 较为单一、受力简单并考虑到焊前的装配简单，故设计为搭接焊缝。另外，针对底板中三层搭接处应力集中较为明显的情况，将三层搭接处的上层板做切角处理，如图 2 所示。 图 1 边缘板对接焊缝 图 2 三层搭接处切角处理 2.2 焊接方法的选用 不同焊缝焊接方法的选用
4、：根据施工条件及施工环境选择焊接方法 （储罐底板手把焊焊接方法可简单分为 1、预留十字收缩缝法；2、隔缝跳焊法；3、焊缝总和定位法。 ）用于储罐容积为 20000 m3， 底板直径为 42 米，根据不同焊接放大的特征，选用隔缝跳焊法；此种焊接方法无论第一次焊接（3 短缝）还是第二次焊接(4 长缝)都采用隔缝焊接(参见图 1、2)。 图 1 隔缝跳焊法施焊顺序图 2 由内向外施焊顺序 在焊接过程中，要求同条焊缝要求 4 个焊工均匀分布在储罐底板上并尽量做到同时匀速，采用逐步退焊、跳焊法进行焊接施工，同时要求焊接过程中始终保证焊接环境良好。 2.3 边缘板焊接 对于储罐底板来讲，在使用中边缘板的受
5、力明显，高于中幅板，所以对焊接技术要求也较高，从结构上看，边缘板为对接式。 3 焊接变形原理 3.1 焊接应力及变形产生机理 焊接接头局部区域的加热和冷却的不均匀性，使局部区域内各部分金属处于从液态塑性状态弹性状态的不同状态，这种不均匀温度造成的应力称为热应力，热应力是焊接应力及焊接变形的主要原因。焊件冷却时，被加热的金属已产生了压缩塑性变形，其长度比未被加热的金属短，由于周围金属的阻碍作用，使焊缝金属受拉应力而周围金属受压应力，压应力大于焊件的屈服极限时，焊件发生塑性变形。 3.2 焊接残余变形、残余应力和约束的关系 不受约束的焊件在加热时，其变形属于自由变形，冷却后不会有任何残余应力和残余
6、变形；焊件受绝对约束，只存在残余应力而无残余变形；焊件若能充分自由伸缩，只存在残余变形而无残余应力；如果焊件收缩不充分，则既存在残余应力又有残余变形。 3.3 焊接的残余应力分析 以单张板为例，由于底板中的厚度相对较小，厚度方向的焊接残余应力很小，可以不予以考虑。 3.4 焊接变形的型式 受焊缝结构型式、焊缝数量及分布、焊接顺序等因素影响，焊接变形分为以下五种基本类型或这几种变形的组合 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的线性关系。 3.5 焊缝纵向收缩与底板波浪变形的关系 因为底板
7、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。 3.6 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，这里不与讨论，只讨论纵向应力影响。 焊缝处纵向应力接
8、近 s 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。 3.7 整个罐底的焊接变形分析 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百毫米。 4 焊缝结构设计措施 4.1
9、尽可能减少焊缝的数量 编制材料计划时，综合考虑底板的直径及中幅板和边缘板的类型、宽度和长度，力求使拼接的焊缝数量最少，避免不必要的焊缝。储罐底板直径一旦固定，尽量选择大规格钢板，由于焊缝的纵向收缩量与焊缝长度成正比，采用大规格钢板后，罐底板的焊缝长度大量减少，纵向收缩变形也相应地减少。 4.2 选择合理的焊缝尺寸和形状 焊缝尺寸与焊接变形量及焊接工作量直接相关，设计时尽量采用较小的焊缝尺寸，但是焊缝尺寸过小易产生裂纹、热影响区硬度过高等缺陷，在保证有足够承载力的前提下，按板的厚度来选取规范上可能的最小焊缝尺寸。 5 焊接施工工艺措施 5.1 预留焊接收缩量 由于焊接收缩量的存在，储罐底板如按设
10、计直径进行下料排版，焊接完成后底板尺寸将会缩减，为此，可事先估算焊接收缩余量，将底板的排版直径在设计直径基础上适度放大。按照实际经验，排版直径宜按设计直径放大 0.15% 0.2%，常取 0.15%，若放大量过大，可能导致储罐经长期使用后会致使罐壁外边缘板向上弯曲，造成大角缝应力过大。 5.2 反变形 焊前将结构装配成与焊接变形相反方向的预先反变形，这样既可以防止构件变形又能减少焊接残余应力，从而达到保证焊件安装精度，储罐底板边缘板之间的对接焊缝便利用了此原理。 5.3 刚性固定法 对于刚性较小的焊件，可采用夹具或临时支撑，增加焊件的刚性，达到减小焊接变形的目的。夹具既可防止钢板移动又可导热以便缩小温度场，进而减小残余变形。在焊接某一条焊缝时，与其相邻的两条焊缝的夹具不可固定太紧，应使焊件尽量保持良好的自由收缩。 5.4 合理的焊接方法和规范 采用较小的焊接能量可以减少焊接变形，底板焊缝施焊时焊接线能量尽量较低，考虑到生产效率，一般每条焊缝分 23 层施焊完。限制和缩小温度场也有利于减小焊接变形，底板焊接中的逐步退焊和跳焊即是利用此原理。 6 结束语 储罐安装中焊接技术起决定作用，在国内外储罐焊接技术成熟的条件下，结合实际从焊接内部的应力及应变分析，联系变形的原理分析防变形措施的可行性。深层次的探讨施工工法及工序的正确性。
