大型储罐罐底焊接工艺

大型储罐罐底焊接工艺

大型储罐在石油化工装置中是不可缺少的设备之一，而罐底严重的焊接变形会降低储罐的承载能力及稳定性，甚至使罐底底板报废。因此，罐底是整个储罐的关键部位，关系到整个储罐制作安装的成败。

随着经济的发展，储罐容量越来越大，现在上万立方米的储罐比比皆是，罐底面积随容量也增大。储罐底板是由多块条型中幅板和多块弓型边缘板拼接而成（见图1 所示），是整个储罐受力最大的部位。其焊接特点为：直径大、板薄、钢板厚度与储罐底的宽度之比很小，刚度差，焊缝数量多，焊接应力大，易产生焊接变形且变形量大，控制难度大。因此分析焊接变形的机理及各种影响因素，掌握其变化规律，采取有效的减少变形措施，控制罐底的焊接变形，确保储罐罐底的制作质量，是整个储罐制作的重要环节。

1、罐底板焊接变形形成的机理

1.1、焊接局部的、不均匀加热和构件的刚性约束

焊接过程是对焊件进行局部、不均匀的加热过程，焊接时，高温区域（焊缝及焊缝的焊接侧）受热膨胀，受周边低温区域的刚性阻碍而不能自由伸长，产生热塑性变形，冷却时，高温区域因热塑性变形而产生收缩量大，低温区域产生收缩量小，这种不平衡的部收缩导致底板产生凝缩应力和凝缩变形。

1.2、金相组织的转变

焊接时，高温区域的组织由珠光体变成奥氏体，冷却后，奥氏体转变为混合体，如珠光体加索氏体、索氏体加屈氏体等，甚至转变马

氏体(如图2 所示)，且焊接的加热与冷却速度都较快，焊后组织极不均匀，因此，焊缝及热影响区的硬度和脆性随之增大，延伸率和断面收缩率也随之加大，底板产生组织应力和组织变形。

凝缩变形和组织变形的共同作用，使底板产生纵向收缩变形和横向收缩变形，通过这两种变形引起底板的各种变形，如收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等，而罐底的焊接变形主要是收缩变形、角变形、波浪变形。

2、防止和减少罐底板变形的方法

防止和减少罐底板变形的方法：在保证焊的前提下，尽量降低焊接线能量；减小焊接区与整体结构之间的温差；最大限度地减少底板在接过程中的刚性约束；提高构件的刚度；控制组织相变，尽量减少淬硬组织，且使组织细化、均匀；减少焊接应力并使应力均匀分布。

3、罐底板变形的控制

3.1、制定合理的排版设计方案

(1)罐底板的排版直径按其设计图纸直径放大0.15～0.2%，以补偿焊缝的纵向和横向焊接变形收缩量。

(2)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，同时减少焊接工作量，降低材料消耗，节约人力和物力，缩短工期，提高效益。

(3)采用带垫板的对接焊缝或者Z 形搭接焊缝，相当于钢板在焊接位置增加了加强筋，增强了底板的结构刚度，抵抗失稳变形的能力

得到加强，使横向收缩变形与角变形变小，同时避免因为提高刚度而增加罐底板整体厚度而造成施工成本的浪费。

(4)罐底板排版时，长焊缝应沿着罐底中心线排列对称，弓形边缘板以罐底的圆心为中心对称布置，这可以相互抵消大部分焊接变形，也为防止变形工艺措施的有效控制创造有利条件

3.2、制定合理的工艺

根据罐底板的变形规律,制定出合理的焊接工艺流程，有效地控制底板变形。以下简要介绍中幅板、边缘板、壁板与边缘板的大角焊缝、中幅板与边缘板的对接缝等焊接工艺措施。

3.2.1、中幅板的焊接工艺措施

(1)中幅板焊接时，先焊短焊缝，后焊长焊缝，在焊接短焊焊缝时，要把这两块钢板与周围的所有固焊点去除再焊；长焊缝焊接时，不要把所有的焊缝全部拼接后再焊，而采拼一段焊一段完后再拼一段。先焊短焊缝，使中幅板短焊缝在自由状态下进行，由向外焊接后，使罐底板变成若干可以自由收缩、基本无应力的中幅长条，再将各长条由向外焊接起来，也属于在无约束的自由收缩状态下成型，这样引起的焊接波浪变形和焊接应力都较小；反之，先焊长缝，再短缝，必然会在焊接短缝时受到已焊的长缝限制，从而使焊接应力和变形变得较大。

(2)中幅板每条焊缝均分2N 段，采用分段退焊法或分段跳焊法对称施焊。这种焊接可缩小焊接区与结构整体之间的温差，减少构件受热和冷却不均匀，能有效地消除应力、减少变形。采用分段退焊时，

每一段长度约200mm,不宜过长，因每段焊缝是头尾相接，前一段焊缝还没完全冷却下来，后一段焊缝的热量又补充到前一段，给前一段退火的机会，消除应力、提高焊接质量。

(3)中幅板的焊接应由向外、由中心向四周方向进行，使部焊缝的纵向和横向变形不受到外部焊缝的约束而降低变形。反之，则变形较大。

(4)每条焊缝由两名焊工同时沿着焊缝中心线对称施焊，整个罐底的长焊缝焊接按底板横向中心线对称布置焊工，同时同速对称施焊，如图1所示，先请４名焊工在１位置上对称施焊，当每名焊工焊约2m 长的焊缝后，另外请４名焊工在２位置上进行对称施焊，等在2 位置每名焊工焊约２m 长的焊缝后，再请另外４名焊工在３位置上进行对称施焊,依此类推。因为先焊的焊接变形大于后焊的焊接变形，若不同时对焊缝进行对称焊接，会引起偏心应力而产生变形，对称的变形就不能最大限度地抵消,同时也不符合由向外的焊接顺序。

(5)中幅板应采用多层焊，一般采用底层和面的双层焊。焊缝的收缩变形总是与焊缝的截面面积、线能量成正比，且面层的焊接变形受到底层焊缝的限制，变形收缩小，采用多层焊，线能量小，应力和变形比单层焊小。

(6)用刚性固定法（如加马、碾压等）对焊缝两侧进行加固，待冷却后再拆除，增强焊缝刚度，减少焊缝的横向变形和角变形，但会增加焊接应力。

3.2.2、边缘板的焊接工艺措施

(1)边缘板的焊接顺序：先由外向对外侧300mm 长的径向焊缝进行焊接，待底层壁板与边缘板的大角焊缝焊接后再由外向焊侧剩下部份。外侧先焊为满足工序需要，以免大角焊缝底下的边缘板对接后而无法进行焊接，侧部分后焊是给大角焊缝和边缘板的外侧焊缝所引起的变形留一定自由空间，防止侧板受到约束翘起，产生变形，消除应力。

(2)边缘板采用外侧小（6～8mm）、侧大（8～12mm）的不等间隙且带垫板的V 形对接焊缝。边缘板面积虽小，但焊接量大，是应力和收缩集中的部位，受到大角焊缝和外侧边缘板的焊缝双重应力的作用而引起侧收缩量比外侧大，因此侧间隙大。

(3)边缘板的径向焊接采用2N 名焊工同时对称由外到进行隔缝跳焊，第一条焊缝的第一层焊完后跳到第二条焊缝上焊，而不是在一条焊缝上各层焊完后再焊另一条，同一条焊缝采用分段退焊。

(4)采用反变形法拼接边缘板的对接焊缝。在垫板下安装楔铁的办法，使反变形角控制在5°～8°的围，当环境温度高，厚度大，反变形角小，反之，反变形角大。这种方法的目的是补偿焊缝的角向收缩，使焊接后边缘板平整，便于壁板与边缘板的拼装。

3.2.3、壁板与边缘板的大角焊缝的工艺措施

大角焊缝是储罐受力最不利的地方，是储罐最薄弱的环节，为保证强度，采用双面多层角缝，焊缝载面尺寸大，焊接收缩变形量大。为减少变形，应采用如下方法。

(1)大角缝按圆周均分N 区，每区均分M 段，由N 名焊工同时

同向对称施焊，各区域的焊缝采用分段退焊法或分段跳焊法施焊。

(2)先焊侧环形角焊道，再焊完外侧环形角焊缝，以防止边缘板外侧翘起。

(3)在罐体部，沿圆周N 等分，等分间距1～2m，在等分点上用12#槽钢以与底板成对45°夹角焊在壁板与边缘板之间，使壁板与边缘板成垂直刚性固定，限定底板翘起变形，从而减少大角焊缝的角变形。

(4)反变形用的槽钢待大角焊缝冷却后再拆除，且在拆除前用大锤敲打一圈大角焊缝，以释放收缩应力、消除变形。

3.2.4、中幅板与边缘板的对接缝的工艺措施

(1)底层壁板与罐底边板的角焊缝焊接完工后，再焊边缘板的侧焊缝，最后焊边板与中板的连接缝。底层壁板与边板连接角焊缝的纵向收缩造成罐底周围边长的缩短而引起罐底边缘板径向收缩，该焊缝又是双面角焊缝，焊接截面大，焊缝长，焊接收缩变形大，通常收缩量为5～15mm，为了罐底边缘板自由收缩，中幅板不受限制，须按上述方法施焊，有效地控制了焊接应力及焊接的波浪变形，是底板施工中及其重要的一个环节。

(2)中幅板与边缘板的对接采用带垫板V 型对接焊，采用较大的对口间隙，这样利用较大的焊接收缩力来增加边缘板对中幅板的拉伸作用，能有效地平衡中幅板的焊接收缩力，使不利因素转为有利因素。

(3)中幅板与边缘板的对接缝按圆周均分N区，由N名焊工同时同向对称施焊，各区域的焊缝采用分段退焊法或分段跳焊法施焊。

(4)中幅板与边缘板的对接缝焊接前，应除原有的固焊点和壁板与边缘板的刚性支撑，切除多余的中幅板，以便中幅板与边缘板能自由收缩。

3.2.5、其它的焊接工艺措施

(1)用CO2 气体保护焊来代替手工电弧焊，坡口角度小，焊缝载面尺寸小，焊速快，焊缝线能量小，焊接受热面小，变形和应力也相应减小，同时提高工效，缩短工期。

(2)在保证焊接质量的前提下，尽量采用较低的焊接电流，较小的坡口间隙和角度，较快的焊接速度。减少焊接截面积，降低焊接线能量，从而减少变形和应力。

(3)焊接后采用缓慢的冷却速度，使组织较均匀且细化，焊缝及热影响区产生较多塑性和韧性较好的组织，而减少淬硬组织，降低脆性，提高焊缝的机械性能，同时减少焊接应力和变形。

(4)施工环境温度要高，不宜在低温下操作，这样，组对和焊接时构件温差小，冷却速度慢，变形和应力也小。

(5)所有的焊工都要持证上岗。在同一种焊接工艺和施工条件下，其焊接速度要差不多，以便同速焊。

4、焊接变形的矫正

虽然采取设计和工艺的预防措施可减少焊接变形，但焊接变形是不可避免的，为了更有效地控制焊接变形，在焊接后可采用机械矫正法和火焰矫正法进行矫正。

4.1、机械矫正法

机械矫正法控制罐底变形的原理：利用外使受力部位产生冷塑性拉伸变形，将尺寸较短部位加以伸展，使之与尺寸较长部位相适应,从而恢复所要求的形状。罐底机械矫正的方法主要有沿着焊缝及其热影响区锻打的锤击法，锤击方向由外向，锤击点由外到逐渐减少，这样有利于伸长，反之，伸长受阻碍，底板越受锤击其变形越大。但在施工时要注意防冷脆而引起焊缝断裂。

4.2、火焰矫正法

火焰矫正法是对罐底的不均匀加热，产生热塑性压缩变形，使受热部位冷却后收缩，以抵消焊接变形。罐底火焰矫正方法主要有点状加热法和线状加热法，加热顺序由向外，加热量应逐渐减少，有利于收缩，且符合外圈收缩量小圈收缩量大的机理；加热温度控制在相变温度以上30℃～50℃，使收缩量最大，但过高的温度会钢材组织晶粒粗大，产生较大的残余应力，大大降低底板的力学性能和承载能力。

5、结论

通过实践证明，掌握储罐罐底的焊接变形和防止变形的机理，制定出合理的设计方案，运用合理的焊接工艺，焊后采取正确的矫正方法，可有效地控制大型储罐罐底的焊接变形，确保储罐制作质量，同时节约人力和物力，提高效益。