金属贮罐壁板底板焊接变形机理与预防措施

金属贮罐壁板底板焊接变形机理与预防措施
张文革
摘要：阐述了引起贮罐筒身和底板变形的机理，并提出了合理的焊接方法和防止变形的措施，制定出合理的装配和焊接顺序。应用表明，焊接电流适中，慢速度焊接，以限制径向内收缩变形，焊工均布分段跳退焊是防止金属贮罐焊接变形的有效方法。
关键词：金属贮罐焊接变形机理预防
在实际的工作中，金属贮罐的壁板、底板的厚薄随着罐的容积变化而不同，刚性差、柔性大，焊接容易产生变形。在金属贮罐的安装焊接时，当焊接工艺或方法不当时，常会出现筒身或底板较大变形。这些变形既影响美观又会影响使用寿命，危害性很大。因此，分析引起贮罐筒身和底板变形的机理，寻找一种合理的焊接方法和防止变形的措施非常必要。
一、贮罐壁板的变形机理及预防措施
1.1机理
（1）焊贮罐壁板纵缝时收缩变形。由于焊缝在焊接时，由高温降到低温，焊缝沿长度方向和横向必然会收缩，因壁板是经过碾压过的，在内侧施焊，则纵向收缩引起的变形往外凸。
（2）焊贮罐壁板环缝时收缩引起的变形。焊接环缝时，由于周长较大，焊接收缩量大，含塑性收缩和弹性收缩。塑性收缩量较小，但产生内应力，而弹性收缩量较大，环缝的周向收缩必引起径向变化。这种变化必引起罐壁的纵向和水平的挤压。而因罐壁柔性相对较大，在焊接过程中，由于热应力作用，收缩挤压力引起的弹性变形会向焊接方向移动，当形变波浪传递积累到一定量值时，而在传递中遇到某一较刚的纵向焊缝而不能越过时，便集结一起向内鼓包变形，以消解挤压力，而未收缩的壁板亦是通过这样变形来跟进并适应因焊接收缩了的半径。
1.2预防措施
（1）焊接电流适中，较慢速度焊接。
（2）焊纵缝时每隔500mm点一块刚性钢板，并分段退焊。
（3）焊接壁板环缝时，在靠近环缝约200mm处加环形刚性胀圈（胀圈用槽钢制做），以限制径向内收缩变形，焊接时焊工均布分段跳退焊。第一层焊顺时针方向，第二层焊为逆时针方向，以控制焊接收缩均布而不柔动集结。见图1。

二、贮罐底板的变形机理及预防措施
2.1机理
（1）底板搭接焊缝的收缩变形。底板搭接焊缝的焊接，亦包括横向收缩和纵向收缩，因底板为搭缝平放，焊接时纵收缩引起的变形不是很大，而角焊缝的横向收缩引起板上翘的作用较大，是搭接焊缝变形的主要原因。
（2）底板圆周角焊缝的变形。罐壁与底板之间由双面角焊缝连接（见图2），此处的焊接尺寸较大，受力较大，焊后产生较大的收缩力。底板圆周角焊缝焊接，虽然角焊缝收缩产生的内应力引起底板上翘，但引起的变形不是最大的。引起底板变形鼓包的最大因素是底板周围焊缝的周向收缩而引起的径向变小，径向变小挤压力迫使底板上拱来适应变小的半径。当底板某处的综合焊接收缩力累积最大时，在内向压迫拱顶力作用下，则大变形便在一局部突破，形成鼓包。

2.2预防措施
（1）焊接电流适中，慢速焊。
（2）先焊中幅板。①先把中幅焊制成带板。组对焊缝的间隙要均匀，焊接顺序应是由中心向两边点焊短缝，每隔一段点焊40mm，然后焊接，焊接应由中心向两边分段倒退焊，使其收缩量均匀。点焊第二条带板时，应将原长焊缝定位垫板的焊点全部铲除，然后将垫板点焊到短焊缝焊完一侧带板上，这样焊接另一侧带板时可以自由收缩，从而避免了带板拱起的现象发生。如此类推，将中幅板拼成各条带板，待短缝全部焊完后，再点焊和焊接长焊缝，长焊缝点焊一条、焊一条，依次焊完。②长焊缝焊接时，焊工必须沿焊缝均匀分布，分段焊接、分段跳焊的方法进行焊接。其目的是分散焊接应力，减少焊缝变形。
③中幅板的短焊缝焊接时，其边缘部分的边板只点焊，不焊接，待短焊缝焊接基本结束后，根据焊接后收缩情况重新组对坡口点焊，然后焊接，其焊接顺序仍为先焊短缝、再焊长缝。④中幅板与边缘板的对接焊缝，只作简单的点固定，正式点焊对接前该点应铲除，释放一部分应力。⑤焊接引起弓形边缘对接焊缝时，在坡口垫板下面，再垫一块厚板为δ＝8mm的条形垫板，做焊接角向反变形之用。⑥弓形边缘板面坡口只点焊垫板与单侧边缘板，而另一侧边缘板不与垫板点焊以保证焊接时边缘板自由收缩，以减少焊接残余应力。⑦先焊接边缘板端部350mm段，每焊接一道（层）的收弧处必须错开一段距离以上，以防止接头重叠而产生的应力集中，施焊时，焊工均布，隔缝焊接，焊后抽出反变形垫板。
（3）罐壁板与边缘板角焊缝的焊接，是由数对焊工从罐内外两侧沿同一方向分段对称焊接，初层焊道采用分段退焊、分段跳焊法，待角焊缝完成后，再焊接剩余的边缘板间焊缝，焊工仍然是均布、分散的跳焊。
（4）中幅板与边缘板的对接焊缝焊接前，先全面铲除原点焊点，使原焊接应力释放一部分，然后由数名焊工同时，对称点焊，焊工均布在圆周上，沿同一方向分段退焊、跳焊。
（5）罐底对接焊缝的焊接，为了防止角变形，在实际中可在采取反变形法，箭头方向表示用力打进去。见图3。

2.3组装方法
组装见图3。做一块筋板、块提板、斜铁销子。沿箭头方向锤击销子，提板可把焊缝提起焊接，每2—4m加一组，待焊缝坡口基板焊后，将其撤掉，再组完成焊接。
三、结束语
只要依据焊接收缩变形的机理，制订出合理的预防措施和焊接工艺参数，就可以避免。制定出合理的装配和焊接顺序：罐底板中幅板焊接从中心四周逐步扩大，焊制成带板，再将各带板焊成整体，焊接边板与壁板接触焊缝焊，最后焊接边板与中幅板的联接焊缝，组对时配以适当的刚性卡具。
参考文献：
[1]万仁溥.采油工程手册[M].石油工业出版社.2000.