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管道 技 术 与 设 备 ２００ ２年 １ ０ ０ ０ ０ ｍ３原油贮罐底板的施工 李建平 大化集团工程公司安装一队 辽宁省大连市 １ １ ６ ０３１ 【 摘要】在大型贮罐施工中， 底板的施工是非常重要的， 文中主要叙述了在底板施工过程中应 该注意的问题，以及应如何合理安排焊接施工顺序等。 关键词：原油贮罐 底板 敷设 焊接 应力 分析 中图分类号：ＴＥ９ ７ ２ １ 前言 所示。 ．ＪＪＪ Ｊ，才， ，， ，，，川 片 Ｌ 在底板施工之前， 首先要分析焊接时产生的应力情况， 确定焊接工艺， 选择适当的排板形式来满足焊接需要。 下面对两板搭接角焊应力进行分析。 两板搭接角焊施焊时， 焊接面温度高， 非焊接面温 度低， 且焊缝熔池呈上宽下窄倒锥形， 温度高的一面产 生压缩性变形较大， 温度低的一面变形则较小。冷却 时， 沿板厚出现不均匀收缩， 这就产生了角变形。其大 小不仅与板的厚度有关： 还与焊缝的焊接层数及施焊 Ｅ 口尸甲尸一７ｅ ｅ，一气尸一ｒ ， ．， ￣ｒ ｅ ｓ７ ｅ ｓＴｅ ｓ 丈 冷 却 后 ｇｒｏｇ ２ 焊接应力分析 底板焊后变形的主要原因是 由于搭接焊缝 的纵 向、 横向收缩以及环形角焊缝的纵向收缩造成的。因 此应从实际出发， 拟定合理的施工方法， 使焊缝按照人 们的意愿收缩， 来达到以防止底板焊接变形的 目的。 火 加 热 时 大型贮罐底板是贮罐施工的一个关键部位， 因为 中幅板表面积很大， 钢板的厚度与长、 宽相比， 尺寸相 差悬殊。这样大面积的搭接， 如果铺设和焊接顺序不 对， 焊接后容易产生较大的内应力， 就会引起底板失 稳， 产生较大的凸鼓变形， 局部必须重新返工， 因此在 大型贮罐底板施工中， 施工人员必须给予足够重视， 合 理安排焊接施工顺序。 长， 当焊缝冷却时， 由于中间部分金属在加热时产生压 缩性变形的缘故， 最后的长度要比原来短些， 中间的应 力与两边应力是相互牵制影响的， 所以在焊后冷却时， 中间部分产生拉应力， 而在两边金属内部产生压应力 并相互达到平衡， 最终焊缝纵向产生收缩变形， 如图 １ Ｉ八Ｌ 图 １ 纵向应力引起的焊接变形 由经验得知： 钢板搭接连续角焊缝纵向收缩量为 ０． ２－ －０． ４ ｍｍ／ ｍ， 即纵向收缩量很小， 对底板焊接影响 不大， 可由搭接余量来弥补。 ２． ２ 横向应力引起的变形 在平行及方向相反的两外力作下两板搭接焊， 施 焊过程中是有先后的， 先焊的一部分焊缝因受后焊部 分对它的压缩作用， 从而减低了横向拉应力的数值， 而 邻近焊缝区域内金属因受热产生的膨胀， 受到相邻冷 金属的约束产生压缩性变形， 随热源移动， 各点不断重 复这种过程， 冷却后生成横向收缩变形。如图 ２所示。 方法有关。 如果在两板搭接缝两侧施加横向水平力， 两板在 近似刚性固定条件下施焊， 这样焊后的焊缝应力为双 向应力， 即焊缝纵向应力近似横向应力。 ２． １ 纵向应力引起的变形 电弧从板的一端到另一端的过程中， 对钢板进行 加热，由于中间温度高的金属受到两边温度低的金属 反作用力而产生压应力，当中间金属所受压力超过屈 服点时， 该部位就出现了压缩性变形， 此时钢板中存在 压应力和拉应力，并处于平衡状态，所 以就较原来伸 万方数据 图 ２ 外力固定焊接时横向应力变形图 由经验得知， 对于 １ ２－ － －１ ４ ｍｍ厚的钢板搭接连续 角焊缝横向收缩量如果没有外力固定的情况下，由于 搭接焊缝不是在同一时间内完成的， 先焊部分受到后 · 施工与焊接 · 第 ２期 焊焊缝横向收缩作用， 而它又限制后焊焊缝的横向收 缩， 因此在焊缝末端受到拉应力作用， 先焊部分受到压 应力作用。如图 ３所示。 ︸ 一 一－ ︼－ －－ － 一 一 一 ︸ 少 十 － ﹃ 节尸 ＋ ﹃叼 ＋ － 一－ 十 － 贮罐底板铺设前， 在基础上划出十字中心线， 按排 板图直径在基础上划底圆线， 将已预制的弓形边缘板 按基础底圆线铺设。弓形边缘板在预制时其内圆焊缝 间隙应大于外圆焊缝间隙 １． ５一２． ５ ｍｍ左右，以供壁 板焊缝收缩之用。弓形边缘板铺设合格后进行中幅板 的铺设。先铺设在罐中心的那块板， 在这块钢板上画 两条互相垂直的中心线， 使这两条中心线与基础上已 划好的两条中心线重合， 则基础中心线与底板中心线 重合。中心板定位后， 继续铺设中间的一条长板， 再以 图 ３ 搭接焊应力图 总的横向应力是 由上述两部分应力合成的结果。 由于这种横向应力作用而产生变形，即焊缝中间部分 起拱或凹下， 这对底板施工是不利的。必须设法防止 当这两种应力共同作用形成双向应力时， 即钢板四周 焊缝的纵向应力和横向应力共同作用时， 使钢板中部 拱起或凹下这一现象的发生。为此应采取合理排板及 施焊工艺， 将影响底板施工质量不利因素减少到最低 限度， 从而保证底板的施工质量。 综合上述应力分析，归纳施焊条件应满足在有外 力固定的条件下， 选择合理的焊接方法和焊接工艺， 使 焊缝均匀横向收缩。为防止焊缝中间起拱， 必要时可 在焊缝上加一槽钢做背杠固定（ 钢板越薄时越有必要 加背杠） 和在焊缝采用拱形板（ 俗称“ 马”） 进行刚性固 定和控制变形。 ３ 底板的排板与敷设 １ ０ ０ ０ ０ ｍ”原油贮罐排板纵向以条形排板为主，横 向边幅板为丁字形排板， 底板的排板是根据来料的几 何尺寸对中幅板进行一次排列。 排板图应符合下列要求： （ １ ） 为补偿焊接收缩， 罐底的排板直径应比设计直 径大 １． ５％一２％０ （ ２） 罐底中幅板的宽度不应小于 ５ ０ ０ ｍｍ， 长度不 应小于 ｌ ０ ００ｍｍｏ （ ３）罐底边缘板沿贮罐半径方向的最小尺寸为 ６ ００ｍｍｏ （ ４） 贮罐内径等于或大于 １ ６． ５ ｍ时， 罐底周边宜 采用弓形边缘板。 （ ５） 罐底板任意相邻两个接头之间的距离不应小 于２ ０ ０ ｍｍｏ 底板排板在满足上述有关要求条件外， 还应满足 底板在施焊过程中受热面不集中而且能迅速将热传 递， 铺设方便、 速度快， 施工作业面大等要求。 万方数据 此长条板为准， 由罐中心向两侧铺设中幅板， 找正后采 用卡具或定位焊固定。 ４ 底板的焊接 ４． １ 焊接顺序的确定 ４． １． １ 要合理安排好焊接顺序 合理的焊接顺序是减少焊接应力及变形的最有效 的方法之一， 通常在选择焊接顺序时，应遵循下列原 则： （ １ ） 尽可能考睿焊缝能自由收缩， 对大型构件的焊 接应从中间向四周进行 ； （ ２） 收缩量大的焊缝先焊； （ ３） 采用对称焊接； （ ４） 采用不同顺序焊接。 ４． １． ２ 在施焊过程中， 应首先分清哪些焊缝施焊后能 影响到底板变形 研究表明以下焊缝收缩时容易产生底板变形： （ １ ） 第一带壁板与弓形边缘板环焊缝会引起 弓形 边缘板收缩； （ ２） 弓形边缘板对接焊缝会引起周向收缩； （ ３ ） 中幅板与弓形边缘板搭接角焊缝会引起周向 收缩 ； （ ４） 中幅板本身焊缝纵横方向收缩。 上述影响相互牵连， 所以底板施焊应合理选择施 焊顺序， 焊接顺序建议按如下安排： （ １ ） 首先焊接弓形边缘板对接焊缝中第一带壁板 底部 ８ ０一ｌ ０ ０ ｍｍ长焊缝， 供组装之用； （ ２） 施焊中幅板短缝 ； （ ３） 施焊中幅板长缝； （ ４） 施焊中幅板封闭焊缝； （ ５） 第一带壁板立缝和底板环形角焊缝施焊完后， 将弓形边缘板其余未焊的对接焊缝焊完， 同时采取一 定措施防止弓形板上翘； （ 下转第２ ２页） 管遨 技 术 与 设 备 表 ５ 焊接工艺参数 焊接方法 层数 手工氢弧焊 电弧电压 焊材及尺寸 电流种类及极性 焊接电流（ Ａ） 直流正接 ＥＲＣｕＮｉ似 焊接速度 钨极直径 （ Ｖ） ｍｍ／而 ｎ ８一１ ０ ７５一８５ ０ 气体流量 喷嘴直径 ￥１ ８ １ ２ ０－１ ３０ Ｌ／ｍｉ ｎ Ａｒ ９９． ９９％ １ ５一１ ８ ７ 检验 ７． １ 渗透检测 管一板接头全部焊完２ ４小时之后， 进行 １ ０ ０％渗 透检测， 没有发现裂纹和气孔。 由于气体侵入而使焊缝产生气孔， 所以在焊接时力求使 用短弧， 弧长略低于焊条直径， 电弧电压为２ ３ －２ ５ Ｖ， ４． ２． ３ 焊接速度 焊接速度大小直接影响焊接生产率和质量， 应该 万方数据 ︑ ．．夕 ︑．夕 在焊接过程中， 要求电弧不宜过长， 否则不但会出现 电弧燃烧不稳定， 增加金属飞溅产生咬边现象， 而且还会 １ ︸ 式中 Ｉ — 焊接电流，Ａ； ｄ— 焊条直径，ｍｍｏ ４． ２． ２ 焊接电弧 ︑ ！ Ｉ＝ （ ４５一 ５５） ｄ 尹．ｋ 焊接电流大小对焊接质量和生产率有较大影响： 电流过小， 电弧不稳定， 会造成未焊透和夹渣等缺陷， 且生产效率低； 电流过犬， 则容易产生咬边，同时增加 了金属飞溅。具体操作可根据经验式来掌握： 沪． ｋ ４． ２． １ 焊接电流 内Ｊ ４ 底板焊接采用手工电弧焊， 在施焊过程中焊工分 布应对称， 焊接方法以跳焊法和逐步退焊法为宜。连 续施焊前， 先较密连续点焊， 并随之除去焊缝上卡具， 加拱形板（ “ 马”） 进行刚性固定， 并将相邻两侧焊缝上 的卡具卡紧， 在达到有足够外力固定条件下焊接： 先短 缝后长缝， 最后焊封闭焊缝。 参 考 文 献 产卫． ︑ ４． ２ 焊接工艺选择 （１）根据焊接工艺评定及 实际焊接结果证 明， ＢＦｅ ３ ０ － １ － １白铜管与 ＢＦｅ ３ ０ － １ － １ ／ ｌ ６ Ｍｎ Ｒ爆炸复合板连 接接头的焊接性良好， 不用采用预热措施。 （ ２） 采用符合标准的焊接材料， 正确的焊接程序和 适宜的焊接工艺参数， 能够避免产生焊接裂纹和气孔， 从而得到满足使用要求的焊接接头。 （ ３） 焊接时必须填丝以获得优质的焊接接头。 （ ４） 该组设备已经安全运行近两年， 说明采用此焊 接工艺施焊的这批产品质量良好， 完全符合设计要求。 勺‘ （ 上接第 １ ９页） （ ６） 最后焊接 弓形边缘板与中幅板搭接焊缝。 ｇ 结论 于 ．．‘ 工艺评定试板中取三块试样。取样采用线切割， 这样 可以保证切面的粗糙度较好， 便于加工剖面和试样复 位的完好性。试样经研磨和腐蚀后， 对其中 ４个剖面 的８个观察面进行检查，没有发现裂纹和内部气孔。 所有受检查剖面的角焊缝 Ｈ值均大于管壁厚的 １． ４ 倍即２． ８ ｍｍ， Ｈ的平均值为 ３． ５ ｍｍ。符合 ＧＢ１ ５ １－ １ ９ ９ ９ （ 钢制管壳式换热器》附录Ｂ的指标要求。 ︐人 ７． ２ 宏观金相 由于制造白铜管换热器在我所尚属首次， 对白铜 的焊接性不十分熟悉， 为此， 按 ＧＢ１ ５ １一１ ９ ９ ９（ 钢制管 壳式换热器）附录 Ｂ标准做了焊接工艺评定。在焊接 ２００ ２年 傅积和． 焊接数据 资料 手册 北 京：机械工业 出版 社， １ ９９７， ５５０一５５２． 俞尚知． 焊接工艺人员手册． 上海： 上海科学技术出版社， １９９１，１６４一１ ６６． ＧＢ１ ５１一１ ９ ９ ９． 钢制管壳式换热器． 季杰． 铜及铜合金的焊接． 焊接技术， １ ９ ９ ９， （ ２） ： １ ３一１ ５． （ 收稿 日期 ：２ ００１年 １ ０月 １１日） 在保证质量的前提下采用较大焊条直径和焊接电流， 以获得最大焊接速度。 １ ０ ０ ０ ０ｍ３原油贮罐罐底中幅板厚度为 １ ２ｍｍ，弓 形边缘板厚度为 １ ４ ｍｍ， 底板搭接焊缝施焊速度考虑 到满足焊肉高度， 减少焊缝重复受热， 提高生产效率等 要求， 可选用 ｝ ５． Ｏ ｍｍ焊条，电流为 ２ ５ ０一２ ７ ０ Ａ， 焊接 速度可根据焊缝形式及焊接层数合理掌握。 ４． ２． ４ 焊条角度 对于弓形边缘板对接平焊采用直线性运条方法， 其焊条和焊件坡口垂直并向运条方向倾斜。对于中幅 板搭接平焊， 其实是一种填角焊， 焊接时主要困难是上 板边缘受电弧高热熔化而产生咬边， 且易造成假满焊 状态， 同时焊缝容易产生单边， 故运条方向夹角最好为 ４ ５ ０ ， 焊条与焊缝夹角宜在 ３ ００ 一６ ０ ０ 之间， 首次打底焊， 焊条与焊缝夹角以４ ５ 。 为好。 ４． ２． ５ 引弧与收弧 施焊收弧时将焊把沿运条相反方向回一点， 使焊 条角度为 ２５ 。 一３ ０ ０ ，引弧前用焊条在上一根焊条收弧 处来回划几次， 使焊渣划开再引流， 这样可以避免在焊 缝接头处产生夹渣和气孔， 且每层焊接接头相互错开， 确保接头处的焊接质量。 上述底板铺设与焊接方法， 我们在大化集团３ ０万 吨合成氨厂 １ ０ ０ ０ ０ ｍ３原油贮罐施工中得以实践， 证实 其效果良好。 （ 收稿日期： ２ ０ ０ １年１ ２月２ ０Ｅ ｌ ）