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大型油罐底板焊接中的焊接變形及控制

文檔作者：李兆先文檔來源：齊普石化會司機(jī)關(guān)工程管理部		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月07日
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技術(shù)產(chǎn)品版Technology &amp;amp; Products
大型油罐底板焊接中的焊接變形及控制
李 兆 先
(齊普石化會司機(jī)關(guān)工程管理部，山東東營255400)
【摘要]探討時(shí)大型油罐的制作安裝過程中焊接變形的發(fā)生，以及防止變形所采取的技術(shù)措施
!關(guān)鍵詞】角變形波浪變形局部失穩(wěn)機(jī)械矯正
0 前言
隨 著 石 油化工行業(yè) 的發(fā)展 ，
我國大型油罐建設(shè)不斷增多，在
大型油罐的制作安裝過程中，經(jīng)
常遇到的一個(gè)問題就是如何解決
大型儲罐底板焊接過程中出現(xiàn)的
焊接變形。本文以12.5萬立油罐
中幅板帶墊板對接焊型式為例，
對罐底板焊接過程中產(chǎn)生的變形
及防止變形的技術(shù)措施進(jìn)行討論
1.2 底板的徉接型式
底 板 邊 緣板為帶墊板的對接
焊，中幅板之間的焊縫為帶墊板
的對接焊型式。其焊接坡口型式
見圖2:
簡介
圖2 底板焊接的坡口型式
油罐底板的結(jié)構(gòu)
12 .5 萬 立 油罐 底板 由邊 緣 板
和中幅板組成，邊緣板由多塊板
組成外圓內(nèi)多邊形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，
中幅板為由多塊板拼成的多邊形
平板結(jié)構(gòu)，邊緣板和中幅板之間
通過龜甲縫焊接在一起，構(gòu)成整
個(gè)底板。底板和罐壁通過大角焊
縫相連，底板的結(jié)構(gòu)見圖1所示:
2 底板焊后的主要變形
在 儲 罐 底板焊接施工中我們
發(fā)現(xiàn)，儲罐底板焊接完成以后，出
現(xiàn)了不同情況的焊接變形，主要變
形情況見下圖:
21 單塊底板的焊接變形情況見
圖3所示:
%figuhp圖3 單塊底板變形情況
圖， 油罐的排板結(jié)構(gòu)圈
2.2 儲罐底板整體變形情況見圖
4所示:
作者簡介:李兆先，現(xiàn)在濟(jì)魯石化公司
工程部工作圖4 儲罐底板整體變形情況示意圖
通過 分 析 這些變形的特征，我
們可以判斷儲罐底板出現(xiàn)的焊接
變形是一種比較典型的波浪變形
3 儲罐底板產(chǎn)生波浪變形
的主要原因
我 們 在 研 究 儲 罐 底板產(chǎn)生
的波浪變形時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種波浪變
形實(shí)質(zhì)上是一種在焊接過程中焊
接角變形引起的波浪變形以及罐
底板局部失穩(wěn)產(chǎn)生的波浪變形共
同作用產(chǎn)生的綜合變形。
3.1 焊接兔變形引起的波浪變形
3.1.1 焊接角變形的產(chǎn)生
研 究 表 明，儲罐底板產(chǎn)生的
焊接角變形，主要是由焊縫金屬
橫向收縮變形引起的。儲罐底板
焊接中，在焊接電弧熱作用下，
焊縫區(qū)金屬在高溫下的自由伸長
變形受到附近冷金屬的阻礙，產(chǎn)
生壓縮塑性變形;當(dāng)焊縫區(qū)金屬
冷卻到室溫以后，以前產(chǎn)生的那
段壓縮塑性變形不能夠回復(fù)，使
金屬在焊接后出現(xiàn)縮短現(xiàn)象。我
們把這種縮短根據(jù)其方向不同，
分別稱做:縱向收縮變形(沿焊
縫方向)和橫向收縮變形(垂直
焊縫方向)。這兩種縮短變形是不
可避免的，是伴隨焊接的開始而
出現(xiàn)的。
16 2006.3
Technology &amp;amp; Products技術(shù)產(chǎn)品版
我 們 在 研究這兩種焊接變形
時(shí)發(fā)現(xiàn)，焊接過程中，當(dāng)焊縫中
出現(xiàn)的橫向收縮變形沿焊縫厚度
方向卜分布并不均勻時(shí)，就會出
現(xiàn)比較明顯的焊接角變形。簡單
的說，對一個(gè)對接焊縫來說，在
焊接過程中焊縫正面的焊接熱輸
人大，溫度高，相對產(chǎn)生的壓縮
塑性變形量大，焊后焊縫金屬在
垂直焊縫方向上的縮短多;焊縫
背面在焊接過程中相對正面焊縫
來說其焊接熱輸入小，溫度較低，
產(chǎn)生的壓縮塑性變形小，背面焊
縫金屬的焊后在垂直焊縫方向上
的縮短量小。這樣一來就造成了
構(gòu)件的平面偏轉(zhuǎn)，也就出現(xiàn)了焊接
角變形
3.1.2 對接接頭的坡口角度及焊
縫截面形狀對角變形的影響
我 們 在 研究對接接頭的角變
形過程中發(fā)現(xiàn)，焊接過程中，焊
件的坡口角度越大，焊接接頭上
部及下部需要填充焊縫金屬的數(shù)
量的差距就越大，造成焊接接頭
上部及下部橫向收縮量差別就越
大，最后焊件出現(xiàn)的焊接角變形
就越大。另外，部分焊件在不開
坡口的情況下，焊接接頭在整個(gè)
厚度方向上可以同時(shí)進(jìn)行焊接，
焊接寬度接頭上部與下部差距不
大，使焊接接頭處的橫向收縮變
形幾乎一致，此時(shí)的焊接角變形
最小。
3.1.3 焊接的先后順序?qū)亲冃?
的影響
一般 情 況 下，焊接的先后順
序不同，焊接完成以后產(chǎn)生的角
變形也不竟相同。這是因?yàn)橄群?
的焊縫的橫向收縮變形對后焊的
焊縫的橫向收縮變形產(chǎn)生一個(gè)擠
壓作用.使后者產(chǎn)生更大的橫向
收縮變形;橫向收縮變形越大，
焊接接頭由于上下部橫向收縮量
差別造成的角變形也就越大。
3.1.4 焊縫長度、焊接方法和焊
縫層數(shù)對焊接角變形的影響
通 常情 況 下，在其他條件相
同的情況下，焊縫長度越長，焊
后產(chǎn)生的角變形越大。一般情況
下，和手工電弧焊相比，由于自
動焊焊接熱輸人大，焊縫熔深深，
在焊接相同厚度工件時(shí)，采用自
動焊焊接可以減小坡口角度，使
焊接角變形減小;同時(shí)，由于自
動焊焊接線能量高，焊接中板的
正背面的溫差減小，板的正背兩
面的壓縮塑性變形量接近，最后
產(chǎn)生的角變形減小。同樣，在相
同的板厚和坡口型式下，多層焊
比單層焊角變形大，焊接層數(shù)越
多，角變形越大;多道焊比多層
焊角變形大。
3.2 由于結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)產(chǎn)生的波
浪變形
3.2.1 失穩(wěn)
所 謂 失 穩(wěn)是指:在構(gòu)件承受
壓力時(shí)，當(dāng)其中的壓應(yīng)力達(dá)到某
一臨界數(shù)值時(shí)，整個(gè)構(gòu)件將出現(xiàn)
喪失承載能力的現(xiàn)象。
構(gòu) 件 產(chǎn) 生失穩(wěn) 的先決條件就
是:構(gòu)件必須受到一定的壓應(yīng)力
作用，并且壓應(yīng)力在數(shù)值上要大
于等于某一臨界數(shù)值。我們把使
構(gòu)件產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界壓應(yīng)力叫做
失穩(wěn)臨界應(yīng)力。
3.2.2 儲罐底板在焊接過程中的
失穩(wěn)
在 儲罐 焊 接中我們發(fā)現(xiàn)，儲
罐底板一般比較薄，寬度比較大，
又是水平鋪設(shè)，其穩(wěn)定系數(shù)最小，
根據(jù)構(gòu)件的失穩(wěn)臨界應(yīng)力計(jì)算公
式計(jì)算得出的失穩(wěn)臨界應(yīng)力數(shù)值
一般比較低;同時(shí)，由于在焊接
過程中的焊接殘余應(yīng)力在焊道附
近極易集中，集中后的焊接殘余
應(yīng)力雖然在數(shù)值上要小于材料的
屈服點(diǎn)，但可能超過材料的失穩(wěn)
臨界應(yīng)力，所以在焊接過程中底
板非常容易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。
4 儲罐底板波浪變形的控制
在 實(shí) 際 工作中我們主要從兩
方面人手，來控制儲罐底板發(fā)生
的波浪變形，即:一方面控制焊接
角變形，減少由于角變形出現(xiàn)的
波浪變形;另一方面，降低結(jié)構(gòu)
壓應(yīng)力提高材料失穩(wěn)臨界應(yīng)力值，
減少由于儲罐底板局部失穩(wěn)出現(xiàn)
的波浪變形。具體措施包括:
4.1 采用不同焊接方法，拉制焊
接熱輸入，減少焊接次數(shù)和焊縫
層數(shù)
在 焊 接 過程中我們發(fā)現(xiàn)，一
條焊縫焊接長度越短，焊后產(chǎn)生
焊接變形的程度越小;焊接過程
中加熱次數(shù)越少，焊后產(chǎn)生焊接
變形的程度越小。我們在施工中，
基于減少焊縫加熱次數(shù)，減少焊
接變形，提高焊接速度的考慮，
在中幅板焊縫的焊接過程中使用
手工焊打底，埋弧焊填充、蓋面
焊接的工藝。具體過程為:手弧
焊打底，中間填充碎絲，填充、
蓋面焊接使用埋弧焊一次完成。
由于焊接過程中焊縫加熱次數(shù)的
降低，我們發(fā)現(xiàn)中幅板焊縫焊接
完成以后，焊接變形非常小，完
全滿足工藝要求。
4.2
4.2.1
采用合理的排版方式
采 用帶墊板的對接焊
20063 17
技術(shù)產(chǎn)品版Technology &amp;amp; Products
在 油 罐 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，單從
加大底板的厚度來提高底板的剛
度來控制焊接變形是不可取的。
這樣不但會增加油罐的材料成本，
而且收益效果不大，相對底板的
直徑來說，底板厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于底
板直徑。因此，即使厚度增加較
大，對油罐底板的剛度影響也很
小。現(xiàn)在使用比較多的是:采用
帶墊板的對接焊，對底板結(jié)構(gòu)上
說，相當(dāng)干增加了加強(qiáng)筋，使油
罐底板的整體結(jié)構(gòu)剛性增加，罐
底板的屈服點(diǎn)增加，在罐底板出
現(xiàn)局部失穩(wěn)的可能性降低，是控
制焊接變形的有效方法。
4.2.2 使用合理的坡口角度和坡
口間隙
底 板 中 幅板的坡 口角度對焊
后罐底板變形的影響很大。在保
證焊透工件的前提下，應(yīng)該盡可
能的減少坡口角度。因?yàn)橹蟹?
的坡口角度越小，焊縫成型需要
填充的金屬數(shù)量少，焊接時(shí)需要
的焊接熱輸人、焊接線能量低，
也就意味著在相同焊縫長度下，
其產(chǎn)生的焊后變形降低。實(shí)踐經(jīng)
驗(yàn)表明:55-600的坡口角度比較
適合。
在 便 于 施焊的前提下，適 當(dāng)
增大底板中幅板的坡口間隙，將
有利于減少焊后變形。在焊接過
程中，在焊接熱輸人作用下的中
幅板金屬發(fā)生膨脹，發(fā)生膨脹的
中幅板金屬之間接觸后，容易出
現(xiàn)金屬相互擠壓而產(chǎn)生的變形。
底板坡口間隙適當(dāng)增大，在焊接
過程中，底板中幅板之間就不會
因?yàn)樵诤附訜彷斎讼碌慕饘倥蛎?
而出現(xiàn)相互擠壓，那么由于中幅
板之間相互擠壓而產(chǎn)生的變形就
不會出現(xiàn)。同時(shí)，底板中幅板之
間的坡口間隙適當(dāng)增大，焊接完
成以后，焊縫金屬中出現(xiàn)的拉應(yīng)
力會增大，焊縫金屬中殘余的拉應(yīng)
力越大，出現(xiàn)波浪變形的可能就越
低。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明:8-10 mm的坡
口間隙，是比較合理的間隙范圍。
4.2.3 采用合理的底板排板形式
油罐 底 板 排板時(shí)，采用條帶
型排板結(jié)構(gòu)(見排版圖)，可以盡
量減小長焊縫的數(shù)量;同時(shí)，設(shè)
計(jì)時(shí)底板一般選用規(guī)格較大的板
材，可以減少拼接焊縫的總量，
由于焊縫的縱向收縮量的大小與
焊縫總長成正比，罐底板拼接焊
縫的總量減少了，必然可以有效
的減少焊縫的縱向收縮量;焊縫
的縱向收縮量降低了，產(chǎn)生的壓
應(yīng)力的數(shù)值必然降低，不容易達(dá)
到罐底板材料的屈服點(diǎn)，大大降
低了波浪變形產(chǎn)生的可能。
4.3
4.3J
控制
采用合理的焊接順序
大 角焊縫 的焊接順序的
大 角 焊 縫為雙面角焊縫 ，焊
腳尺寸較大，如果焊接大角焊縫
時(shí)邊緣板與中幅板相聯(lián)，就會使
整個(gè)中幅板受周向壓力，很容易
使罐底中幅板產(chǎn)生失穩(wěn)變形，產(chǎn)
生很大的拱起變形，嚴(yán)重影響油
罐的施工質(zhì)量，為解決這個(gè)問題，
采用如下組裝焊接程序:先組裝
邊緣板，再組裝中幅板，中幅板
邊緣尺寸留100 mm的余量，搭在
邊緣板上，焊接時(shí)先將中幅板焊
在一起，焊接順序是從中心向外
將中幅板分成多個(gè)區(qū)塊，焊接區(qū)
塊內(nèi)焊縫，再將區(qū)塊聯(lián)成一個(gè)大
塊，再將通長焊縫焊接，將整個(gè)
中幅板焊在一起。通長焊縫焊接
時(shí)由于焊縫長，焊縫收縮力較大，
這時(shí)，須保持焊縫能自由收縮，
而且不影響整體結(jié)構(gòu)，從而控制
焊接變形，整個(gè)中幅板焊接中，
焊接收縮量不受邊緣板阻礙，焊
接應(yīng)力小。邊緣板焊接時(shí)，先焊
外部350-400 mm，內(nèi)部不焊，預(yù)
留到邊緣板與壁板的大角焊縫焊
接完成以后再焊。這條焊縫最后
焊接時(shí)，焊縫收縮受到邊緣板的
強(qiáng)力阻礙，使整個(gè)中幅板受到拉
伸作用，對整個(gè)中幅板來說起到
降低焊接失穩(wěn)波浪變形的作用。
4.3.2 中幅板焊縫的焊接順序
控制
中 幅 板 焊縫 由中幅板短焊縫
和通長焊縫組成。為了在焊接過
程中盡可能的減少中幅板產(chǎn)生的
焊接應(yīng)力，在罐底板中幅板焊縫
焊接以前，先將罐底板中幅板以
通長縫為界，分為若干個(gè)相對獨(dú)
立的區(qū)塊。其焊接順序?yàn)?①先
焊相對獨(dú)立的區(qū)塊內(nèi)所有的短焊
縫，待短焊縫焊接完成以后，再
進(jìn)行中幅板通長縫的焊接，最后
進(jìn)行區(qū)塊之間焊縫的焊接;②在
進(jìn)行獨(dú)立的區(qū)塊內(nèi)焊縫焊接時(shí)，
以兩塊板為一個(gè)單元，從中心向
兩端隔一條縫焊一條縫。(焊接
順序如圖5所示)
① ② ① ② ① ②
① 為第一次焊接焊縫煩序
② 為第二次捍接順序
圖5 底板中幅板焊接順序示意圖
使用 這 種 順序進(jìn)行焊接，可以
使罐底板中幅板的焊接完全在自
由狀態(tài)下進(jìn)行、焊接過程中產(chǎn)生
18 200&amp;amp;3
Technology &amp;amp; Products技術(shù)產(chǎn)品版
的拘束應(yīng)力很小，最終產(chǎn)生的焊
接變形較小。
獨(dú) 立 區(qū) 塊內(nèi)所有短焊縫焊接
完成以后，再進(jìn)行中幅板通長縫
的焊接。在焊接通長焊縫時(shí)，我
們以中幅板通長縫的中心為界，
將通長縫分為兩段對稱進(jìn)行焊接。
以這種方式焊接，一方面可以減
少一次性焊接長度，減少焊后變
形;另一方面可以通過對稱焊接
抵消焊接過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，
來最終達(dá)到控制焊接變形的目的。
最 后 進(jìn) 行各區(qū)塊之間焊縫 的
焊接。在區(qū)塊之間焊縫焊接過程
中，可以適當(dāng)加大區(qū)塊之間焊縫
的坡口間隙，增加焊縫金屬的橫
向縮短量，使中幅板產(chǎn)生向外的
拉應(yīng)力，降低中幅板內(nèi)部的壓應(yīng)
力，減少波浪變形產(chǎn)生的可能性。
4.3.3 龜甲焊縫的焊接順序控制
在 儲 罐 底板中幅板焊縫焊接
全部完成以后，最后進(jìn)行底板中
幅板與底板邊緣板之間龜甲焊縫
的焊接。我們將龜甲焊縫均勻分
成8等份，對稱進(jìn)行焊接。在焊
接前，將龜甲焊縫的坡口間隙適
當(dāng)加大，大約8-10 mm,目的是
增加焊縫金屬的橫向縮短量，使
底板中幅板產(chǎn)生向外的拉應(yīng)力，
降低底板中幅板內(nèi)部的壓應(yīng)力，
減少波浪變形產(chǎn)生的可能性
的中心為界，將通長縫分為兩段對
稱進(jìn)行焊接。在焊接每段焊1疇，
將每段焊縫分為12-14段，使用
12-14名焊工采用分段退焊的方
式同時(shí)進(jìn)行打底焊縫的焊接。打
底焊接完成以后，6-8米焊縫為
一段，采用退焊的方式，使川埋
弧焊進(jìn)行填充、蓋面焊接。焊工
布置及分段情況如圖6所示
圖6 中幅板焊縫焊工布置及
分 段 情 況 示 意圈
4.5 反變形法與機(jī)械矯正法的使用
由 于 焊 接變形是伴隨著焊接
出現(xiàn)的，是不可避免的，在實(shí)際
施工當(dāng)中，我們只能盡可能的采
用合理的工藝、冶金措施去減小
(如圖7所示)，用變形抵消變形;
另一方面，在采用反變形法的同
時(shí)，為了降低罐底板的焊接變形，
采用機(jī)械矯正變形的方法進(jìn)行一
定范圍的變形矯正。采用的手段
為:在中幅板焊縫焊接過程中，
一邊進(jìn)行焊接，一邊乘熱使用鐵
錘在焊道兩側(cè)200 mm范圍內(nèi)進(jìn)行
錘擊。乘熱錘擊焊道，一方面熱
影響區(qū)金屬受力，產(chǎn)生壓縮塑性
變形，釋放部分焊接應(yīng)力。另一
方面，通過鐵錘的大力錘擊，讓
焊縫金屬產(chǎn)生反方向機(jī)械變形，
用變形抵消變形。(如圖8所示)
5 結(jié)束語
大 型 油 罐底板焊接變形雖很
容易發(fā)生，但只要采取合理的焊
接程序及其它控制變形的技術(shù)措
扁楔子
兩側(cè)各預(yù)留300mm不焊，
待組對通長縫使用手工焊
扁楔子
扁楔子
+W&amp;amp;
中幅板扁楔子
圖7 中幅板的反變形法示意圖
0 -0
4.4 分段退焊方法的使用
分段 退 焊 的焊接方法，是減
小焊接變形的重要措施之一。我
們在實(shí)際施工中，采用的手段為:
中幅板短縫打底焊縫焊接時(shí)，將
一條焊縫分為6-8段，使用6-8名
焊工采用分段退焊的方式同時(shí)進(jìn)
行打底焊縫的焊接。中幅板通長
縫打底焊接時(shí).以中幅板通長縫
C:}m_內(nèi)熱。區(qū)采用_消。
里O
荻
圈8 機(jī)械矯正變形示意圖
焊后變形，不可能完全消除焊接
變形。所以在焊接過程中，為了
把焊接變形控制在一定范圍內(nèi)，
我們在焊接前采用反變形法，即在
底板的兩端用墊鐵將鋼板墊高
施，還是可以有效控制，
板的焊接質(zhì)量的。
參考文獻(xiàn):
1.焊接冶金工業(yè)出版社，1987
2.焊接手冊機(jī)械工業(yè)出版社.
保證底
2000
200&amp;amp;3 19

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