大型油罐浮顶单盘波浪变形的控制工艺

摘 要：介绍大型浮顶油罐采用水浮法安装时，控制浮顶单盘焊接波浪变形的一种工艺方法。大型油罐（50*103m以上）浮顶单盘的焊接一般采用自然收缩法的焊接工艺,由于母材是薄板,厚度一般为4.5mm，面积大，焊缝密度高，交叉点多，此工艺法很难控制焊后产生的波浪变形不仅影响浮顶单盘焊后的外观质量，而且严重影响油罐的中央排水能力。

关键词：大型油罐 浮顶 单盘波浪变形 控制 工艺
水浮法安装油罐是在油罐底板及油罐第一圈壁板环焊缝焊接完成后，往罐内进水，使浮顶上升，利用浮顶作为工作平台完成剩余壁板焊接的一种安装方法。它的优点是不需要在罐外搭钢架，比较经济。水浮法安装的单盘铺设在油罐底板上，罐底板形状为中间高而两边低，而且单盘下面有多个立柱垫板（厚6mm）垫在下面，致使单盘在焊前就表现出明显的不平整，给组装焊接时控制变形带来较大的难度，所以必需研制出一个好的焊接工艺方案，尽量减少焊后的波浪变形。结合本人在惠洲市马鞭洲岛华德石化有限公司原油码头的10#、12#罐中（板厚4.5mm，板宽1400mm），采用“应力集中释放法”使得波浪变形比一般的自由收缩法大大的减少，外观质量得到了良好的效果。




一、变形机理

焊接实际上是对焊件进行局部不均匀加热的过程。在加热过程中，焊件温度较低的周围金属因受压应力而产生压塑性变形，在冷却过程中又因受拉应力而受拉塑性变形。焊接变形的基本形式有：1）收缩变形2）弯曲变形3）角变形4）扭曲变形5）波浪变形。单盘板是薄板，焊接后存在于其中的内应力在焊缝附近是拉应力，离开焊缝较远的区域为压应力，在压应力σ的作用下达到临界应力σsr时，薄板就会产生失稳，产生波浪变形。

σsr = K（δ/B）2

δ——板厚

B ——板宽

K ——与板的支承情况有关的系数

从上式看出，板厚与板宽的比值越小，临界应力就越小，薄板也就越容易失稳。那么，从降低压应力和提高临界应力两方面着手就可以减少波浪变形了。而实际上，水浮法安装的单盘板尺寸（δ和B）已经是定值，所以可以通过降低压应力的办法来达到减少波浪变形的目的了。

二、调节内应力的措施

在焊接工程中采用一些简单的工艺措施往往可以调节内应力，降低残余内应力的峰值，避免在大面积内产生较大的拉应力，并使内应力分布更为合理。这些措施不但可以降低残余应力，而且能减低焊接过程中的内应力，有利于消除焊接裂纹。一般来讲，从以下四个方面着手：

1．采用合理的焊接顺序和方向，把结构分成几个部分分别焊接，使各部分都能自由地收缩，先焊收缩量比较大的焊缝；在拼板时，就应先焊错开的短焊缝，然后直通长焊缝。本文涉及到薄板拼缝，采用的工艺，主要是利用这一点。

2．在焊接封闭焊缝或其他刚性较大，自由度较小的焊缝时，可以采用反变形法来增加焊缝的自由度。由于水浮法安装油罐的浮顶单盘也有一定量的封闭焊缝（与船舱连接最近的焊缝），却因整体的安装方式和单盘板摆放方式的限制，所以无法运用反变形法。

3．锤击或碾压焊缝，每焊一道焊缝用带小圆弧面的风枪或小手锤锤击焊缝区，使焊缝得到延伸，从而降低内应力。

4．在结构适当部位加热使之伸长。加热区的伸长带动焊接部位，使它产生一个与焊缝收缩方向相反的变形，在冷却时加热区的收缩和焊缝的收缩方向相同，使焊缝能自由地收缩，从而降低内应力达到降低内应力的目的。这个方法，理论上可以在单盘焊接时得到应用，但由于单盘的焊缝太多，面积大，将会消耗大量的人力物力，非常不经济，与油罐建设的经济性背道而驰，所以放弃这一方法。

三、预防变形的工艺措施

1．刚性固定法，焊接薄板时，可以在焊缝两侧用夹具紧压固定，防止波浪变形。单盘板焊缝多，面积大，它的布置特点不允许用夹紧装置，所以我们用压铁（短缝）或槽钢（长缝）压在焊缝两侧。



2．合理地选择焊接方法和规范，选用线能量较低的焊接方法可以有效防止变形，采用CO2半自动焊比手工电弧焊更能减少变形，但这两个油罐的单盘焊接由于各方面的因素而采用了手工电弧焊。经过焊接工艺评定合格，采用的规范参数是J422，ø3.2的焊条，电流90~110A，电压24~26V，在保证成型的情况下尽快施焊。

四、工艺方案

单盘板状况：材料为Q235-A .F,δ=4.5。主要由环形边缘板和中间的条形带板组成，其接头型式：中间条形带板自身及其与环形边缘板的连接均为搭接接头，搭接宽度分别为30mm和50mm。

单盘板的摆放总体为一个圆状，中间高，两边低，方形板搭接，高的一端指向十字走廊（摆放在圆盘中间的两组板材），因而一路从圆边上向十字走廊进行施焊。如图2.所示，粗实线的“梯形”焊缝和中间的十字走廊将整个单盘分成8份结构。



工艺措施总则：先短缝，后长缝，焊接时，用铁块或槽钢压在焊缝两边。采用分段退焊或跳焊的方法进行焊接。

使用焊条：φ3.2,J422。I=90—110A。

1．短缝

（1）整个长板上有两条短缝以上的,留下一条较为中间的短缝,到焊完此两条长缝时再焊。

（2）在三板搭接接头处先割下一个三角后,将此短缝全部焊完.

（3）图2.中的“梯形“焊缝留整个1/8板块焊完后再焊.

2．长缝

（1）总体上按照图2.中所示的数字标签进行顺序施焊。

（2）所有大于2米以上的长焊缝一律采用从长焊缝中间向两边施焊的方法。

（3）中间的”十”走廊焊缝留到结束整板焊接时再焊.

3．完所有大圆的1/8区域后,再把该区域内的短缝焊接起来,使1/8区域成为一个整体.

4．每1/8区域为整体后先焊”梯”形焊缝，梯形焊缝的焊接顺序是由周边向中间施焊，连成1/4板块后再焊与”十”字走廊垂直的短缝,再焊十字走廊上的长缝,其他各1/8区域焊接顺序与此相同.

（1）短缝长约1400mm,也要间隔焊,焊200mm,间隔200mm以上.

（2）长缝的焊接要间隔焊,设一条焊条焊200mm,则间隔400mm以上再焊一道。　　

（3）单盘环形边缘板的焊接:

先焊短缝,再焊长环缝。

焊接短缝时,每隔一条短缝焊一条短缝,把每两块板均连接起来后,其他短缝先搁下,先把长环缝焊完,再把余下的短缝全部焊完。

焊短缝也要间隔焊,焊200mm间隔200mm ；焊长环缝的方法与单盘板长缝的焊接方法相同。

外环缝要等到单盘板上升后才与船舱焊在一块,也要间隔焊,与内环缝焊接方法相同.

五、波浪变形结果表现（凹凸度的数据比较）

实施此方案前（10#罐调整前）


六、讨论

虽然从工艺措施上可以得到较好的防变形效果，但是如果能从整个油罐安装的方法考虑，将整个单盘板利用平整的桁架托起来，先焊接下面的间断焊以及加强筋板（角钢），可以起到一种刚性固定的作用，再配以合理的焊接工艺，单盘的变形将表现得更小。

本工艺在广石化马鞭洲岛原油码头的10#、12#罐建设中得到很好的实施，在外观和进度上相处融洽，收到良好的效果，可为水浮法安装油罐的施工提供借鉴。

参考文献

[1] 《焊接手册》第三卷-焊接结构．中国机械工程学会焊接学会编．机械工业出版社出版．

[2] 《焊接结构》．哈尔滨工业大学．田锡唐主编．机械工业出版社出版．

[3] 《广石化科技》1998年12期．《广石化科技》编辑部编．广石化情报档案馆出版．