大型油罐浮頂單盤波浪變形的控制工藝略談
2016-04-27 17:41:31 安裝信息網(wǎng)
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摘 要：介紹大型浮頂油罐采用水浮法安裝時，控制浮頂單盤焊接波浪變形的一種工藝方法。大型油罐（50*103m以上）浮頂單盤的焊接一般采用自然收縮法的焊接工藝,由于母材是薄板,厚度一般為4.5mm，面積大，焊縫密度高，交叉點多，此工藝法很難控制焊后產(chǎn)生的波浪變形不僅影響浮頂單盤焊后的外觀質(zhì)量，而且嚴(yán)重影響油罐的中央排水能力。
關(guān)鍵詞：大型油罐 浮頂 單盤波浪變形 控制 工藝
水浮法安裝油罐是在油罐底板及油罐第一圈壁板環(huán)焊縫焊接完成后，往罐內(nèi)進水，使浮頂上升，利用浮頂作為工作平臺完成剩余壁板焊接的一種安裝方法。它的優(yōu)點是不需要在罐外搭鋼架，比較經(jīng)濟。水浮法安裝的單盤鋪設(shè)在油罐底板上，罐底板形狀為中間高而兩邊低，而且單盤下面有多個立柱墊板（厚6mm）墊在下面，致使單盤在焊前就表現(xiàn)出明顯的不平整，給組裝焊接時控制變形帶來較大的難度，所以必需研制出一個好的焊接工藝方案，盡量減少焊后的波浪變形。結(jié)合本人在惠洲市馬鞭洲島華德石化有限公司原油碼頭的10#、12#罐中（板厚4.5mm，板寬1400mm），采用“應(yīng)力集中釋放法”使得波浪變形比一般的自由收縮法大大的減少，外觀質(zhì)量得到了良好的效果。
一、變形機理
焊接實際上是對焊件進行局部不均勻加熱的過程。在加熱過程中，焊件溫度較低的周圍金屬因受壓應(yīng)力而產(chǎn)生壓塑性變形，在冷卻過程中又因受拉應(yīng)力而受拉塑性變形。焊接變形的基本形式有：1）收縮變形2）彎曲變形3）角變形4）扭曲變形5）波浪變形。單盤板是薄板，焊接后存在于其中的內(nèi)應(yīng)力在焊縫附近是拉應(yīng)力，離開焊縫較遠的區(qū)域為壓應(yīng)力，在壓應(yīng)力σ的作用下達到臨界應(yīng)力σsr時，薄板就會產(chǎn)生失穩(wěn)，產(chǎn)生波浪變形。
σsr = K（δ/B）2
δ——板厚
B ——板寬
K ——與板的支承情況有關(guān)的系數(shù)
從上式看出，板厚與板寬的比值越小，臨界應(yīng)力就越小，薄板也就越容易失穩(wěn)。那么，從降低壓應(yīng)力和提高臨界應(yīng)力兩方面著手就可以減少波浪變形了。而實際上，水浮法安裝的單盤板尺寸（δ和B）已經(jīng)是定值，所以可以通過降低壓應(yīng)力的辦法來達到減少波浪變形的目的了。
二、調(diào)節(jié)內(nèi)應(yīng)力的措施
在焊接工程中采用一些簡單的工藝措施往往可以調(diào)節(jié)內(nèi)應(yīng)力，降低殘余內(nèi)應(yīng)力的峰值，避免在大面積內(nèi)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，并使內(nèi)應(yīng)力分布更為合理。這些措施不但可以降低殘余應(yīng)力，而且能減低焊接過程中的內(nèi)應(yīng)力，有利于消除焊接裂紋。一般來講，從以下四個方面著手：
1．采用合理的焊接順序和方向，把結(jié)構(gòu)分成幾個部分分別焊接，使各部分都能自由地收縮，先焊收縮量比較大的焊縫；在拼板時，就應(yīng)先焊錯開的短焊縫，然后直通長焊縫。本文涉及到薄板拼縫，采用的工藝，主要是利用這一點。
2．在焊接封閉焊縫或其他剛性較大，自由度較小的焊縫時，可以采用反變形法來增加焊縫的自由度。由于水浮法安裝油罐的浮頂單盤也有一定量的封閉焊縫（與船艙連接最近的焊縫），卻因整體的安裝方式和單盤板擺放方式的限制，所以無法運用反變形法。
3．錘擊或碾壓焊縫，每焊一道焊縫用帶小圓弧面的風(fēng)槍或小手錘錘擊焊縫區(qū)，使焊縫得到延伸，從而降低內(nèi)應(yīng)力。
4．在結(jié)構(gòu)適當(dāng)部位加熱使之伸長。加熱區(qū)的伸長帶動焊接部位，使它產(chǎn)生一個與焊縫收縮方向相反的變形，在冷卻時加熱區(qū)的收縮和焊縫的收縮方向相同，使焊縫能自由地收縮，從而降低內(nèi)應(yīng)力達到降低內(nèi)應(yīng)力的目的。這個方法，理論上可以在單盤焊接時得到應(yīng)用，但由于單盤的焊縫太多，面積大，將會消耗大量的人力物力，非常不經(jīng)濟，與油罐建設(shè)的經(jīng)濟性背道而馳，所以放棄這一方法。
三、預(yù)防變形的工藝措施
1．剛性固定法，焊接薄板時，可以在焊縫兩側(cè)用夾具緊壓固定，防止波浪變形。單盤板焊縫多，面積大，它的布置特點不允許用夾緊裝置，所以我們用壓鐵（短縫）或槽鋼（長縫）壓在焊縫兩側(cè)。
2．合理地選擇焊接方法和規(guī)范，選用線能量較低的焊接方法可以有效防止變形，采用CO2半自動焊比手工電弧焊更能減少變形，但這兩個油罐的單盤焊接由于各方面的因素而采用了手工電弧焊。經(jīng)過焊接工藝評定合格，采用的規(guī)范參數(shù)是J422，ø3.2的焊條，電流90~110A，電壓24~26V，在保證成型的情況下盡快施焊。
四、工藝方案
單盤板狀況：材料為Q235-A .F,δ=4.5。主要由環(huán)形邊緣板和中間的條形帶板組成，其接頭型式：中間條形帶板自身及其與環(huán)形邊緣板的連接均為搭接接頭，搭接寬度分別為30mm和50mm。
單盤板的擺放總體為一個圓狀，中間高，兩邊低，方形板搭接，高的一端指向十字走廊（擺放在圓盤中間的兩組板材），因而一路從圓邊上向十字走廊進行施焊。如圖2.所示，粗實線的“梯形”焊縫和中間的十字走廊將整個單盤分成8份結(jié)構(gòu)。
工藝措施總則：先短縫，后長縫，焊接時，用鐵塊或槽鋼壓在焊縫兩邊。采用分段退焊或跳焊的方法進行焊接。
使用焊條：φ3.2,J422。I=90—110A。
1．短縫
（1）整個長板上有兩條短縫以上的,留下一條較為中間的短縫,到焊完此兩條長縫時再焊。
（2）在三板搭接接頭處先割下一個三角后,將此短縫全部焊完.
（3）圖2.中的“梯形“焊縫留整個1/8板塊焊完后再焊.
2．長縫
（1）總體上按照圖2.中所示的數(shù)字標(biāo)簽進行順序施焊。
（2）所有大于2米以上的長焊縫一律采用從長焊縫中間向兩邊施焊的方法。
（3）中間的”十”走廊焊縫留到結(jié)束整板焊接時再焊.
3．完所有大圓的1/8區(qū)域后,再把該區(qū)域內(nèi)的短縫焊接起來,使1/8區(qū)域成為一個整體.
4．每1/8區(qū)域為整體后先焊”梯”形焊縫，梯形焊縫的焊接順序是由周邊向中間施焊，連成1/4板塊后再焊與”十”字走廊垂直的短縫,再焊十字走廊上的長縫,其他各1/8區(qū)域焊接順序與此相同.
（1）短縫長約1400mm,也要間隔焊,焊200mm,間隔200mm以上.
（2）長縫的焊接要間隔焊,設(shè)一條焊條焊200mm,則間隔400mm以上再焊一道�！ �
（3）單盤環(huán)形邊緣板的焊接:
先焊短縫,再焊長環(huán)縫。
焊接短縫時,每隔一條短縫焊一條短縫,把每兩塊板均連接起來后,其他短縫先擱下,先把長環(huán)縫焊完,再把余下的短縫全部焊完。
焊短縫也要間隔焊,焊200mm間隔200mm ；焊長環(huán)縫的方法與單盤板長縫的焊接方法相同。
外環(huán)縫要等到單盤板上升后才與船艙焊在一塊,也要間隔焊,與內(nèi)環(huán)縫焊接方法相同.
五、波浪變形結(jié)果表現(xiàn)（凹凸度的數(shù)據(jù)比較）
實施此方案前（10#罐調(diào)整前）
六、討論
雖然從工藝措施上可以得到較好的防變形效果，但是如果能從整個油罐安裝的方法考慮，將整個單盤板利用平整的桁架托起來，先焊接下面的間斷焊以及加強筋板（角鋼），可以起到一種剛性固定的作用，再配以合理的焊接工藝，單盤的變形將表現(xiàn)得更小。
本工藝在廣石化馬鞭洲島原油碼頭的10#、12#罐建設(shè)中得到很好的實施，在外觀和進度上相處融洽，收到良好的效果，可為水浮法安裝油罐的施工提供借鑒。
參考文獻
[1] 《焊接手冊》第三卷-焊接結(jié)構(gòu)．中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會編．機械工業(yè)出版社出版．
[2] 《焊接結(jié)構(gòu)》．哈爾濱工業(yè)大學(xué)．田錫唐主編．機械工業(yè)出版社出版．
[3] 《廣石化科技》1998年12期．《廣石化科技》編輯部編．廣石化情報檔案館出版．
關(guān)鍵詞：大型油罐 浮頂 單盤波浪變形 控制 工藝
水浮法安裝油罐是在油罐底板及油罐第一圈壁板環(huán)焊縫焊接完成后，往罐內(nèi)進水，使浮頂上升，利用浮頂作為工作平臺完成剩余壁板焊接的一種安裝方法。它的優(yōu)點是不需要在罐外搭鋼架，比較經(jīng)濟。水浮法安裝的單盤鋪設(shè)在油罐底板上，罐底板形狀為中間高而兩邊低，而且單盤下面有多個立柱墊板（厚6mm）墊在下面，致使單盤在焊前就表現(xiàn)出明顯的不平整，給組裝焊接時控制變形帶來較大的難度，所以必需研制出一個好的焊接工藝方案，盡量減少焊后的波浪變形。結(jié)合本人在惠洲市馬鞭洲島華德石化有限公司原油碼頭的10#、12#罐中（板厚4.5mm，板寬1400mm），采用“應(yīng)力集中釋放法”使得波浪變形比一般的自由收縮法大大的減少，外觀質(zhì)量得到了良好的效果。
一、變形機理
焊接實際上是對焊件進行局部不均勻加熱的過程。在加熱過程中，焊件溫度較低的周圍金屬因受壓應(yīng)力而產(chǎn)生壓塑性變形，在冷卻過程中又因受拉應(yīng)力而受拉塑性變形。焊接變形的基本形式有：1）收縮變形2）彎曲變形3）角變形4）扭曲變形5）波浪變形。單盤板是薄板，焊接后存在于其中的內(nèi)應(yīng)力在焊縫附近是拉應(yīng)力，離開焊縫較遠的區(qū)域為壓應(yīng)力，在壓應(yīng)力σ的作用下達到臨界應(yīng)力σsr時，薄板就會產(chǎn)生失穩(wěn)，產(chǎn)生波浪變形。
σsr = K（δ/B）2
δ——板厚
B ——板寬
K ——與板的支承情況有關(guān)的系數(shù)
從上式看出，板厚與板寬的比值越小，臨界應(yīng)力就越小，薄板也就越容易失穩(wěn)。那么，從降低壓應(yīng)力和提高臨界應(yīng)力兩方面著手就可以減少波浪變形了。而實際上，水浮法安裝的單盤板尺寸（δ和B）已經(jīng)是定值，所以可以通過降低壓應(yīng)力的辦法來達到減少波浪變形的目的了。
二、調(diào)節(jié)內(nèi)應(yīng)力的措施
在焊接工程中采用一些簡單的工藝措施往往可以調(diào)節(jié)內(nèi)應(yīng)力，降低殘余內(nèi)應(yīng)力的峰值，避免在大面積內(nèi)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，并使內(nèi)應(yīng)力分布更為合理。這些措施不但可以降低殘余應(yīng)力，而且能減低焊接過程中的內(nèi)應(yīng)力，有利于消除焊接裂紋。一般來講，從以下四個方面著手：
1．采用合理的焊接順序和方向，把結(jié)構(gòu)分成幾個部分分別焊接，使各部分都能自由地收縮，先焊收縮量比較大的焊縫；在拼板時，就應(yīng)先焊錯開的短焊縫，然后直通長焊縫。本文涉及到薄板拼縫，采用的工藝，主要是利用這一點。
2．在焊接封閉焊縫或其他剛性較大，自由度較小的焊縫時，可以采用反變形法來增加焊縫的自由度。由于水浮法安裝油罐的浮頂單盤也有一定量的封閉焊縫（與船艙連接最近的焊縫），卻因整體的安裝方式和單盤板擺放方式的限制，所以無法運用反變形法。
3．錘擊或碾壓焊縫，每焊一道焊縫用帶小圓弧面的風(fēng)槍或小手錘錘擊焊縫區(qū)，使焊縫得到延伸，從而降低內(nèi)應(yīng)力。
4．在結(jié)構(gòu)適當(dāng)部位加熱使之伸長。加熱區(qū)的伸長帶動焊接部位，使它產(chǎn)生一個與焊縫收縮方向相反的變形，在冷卻時加熱區(qū)的收縮和焊縫的收縮方向相同，使焊縫能自由地收縮，從而降低內(nèi)應(yīng)力達到降低內(nèi)應(yīng)力的目的。這個方法，理論上可以在單盤焊接時得到應(yīng)用，但由于單盤的焊縫太多，面積大，將會消耗大量的人力物力，非常不經(jīng)濟，與油罐建設(shè)的經(jīng)濟性背道而馳，所以放棄這一方法。
三、預(yù)防變形的工藝措施
1．剛性固定法，焊接薄板時，可以在焊縫兩側(cè)用夾具緊壓固定，防止波浪變形。單盤板焊縫多，面積大，它的布置特點不允許用夾緊裝置，所以我們用壓鐵（短縫）或槽鋼（長縫）壓在焊縫兩側(cè)。
2．合理地選擇焊接方法和規(guī)范，選用線能量較低的焊接方法可以有效防止變形，采用CO2半自動焊比手工電弧焊更能減少變形，但這兩個油罐的單盤焊接由于各方面的因素而采用了手工電弧焊。經(jīng)過焊接工藝評定合格，采用的規(guī)范參數(shù)是J422，ø3.2的焊條，電流90~110A，電壓24~26V，在保證成型的情況下盡快施焊。
四、工藝方案
單盤板狀況：材料為Q235-A .F,δ=4.5。主要由環(huán)形邊緣板和中間的條形帶板組成，其接頭型式：中間條形帶板自身及其與環(huán)形邊緣板的連接均為搭接接頭，搭接寬度分別為30mm和50mm。
單盤板的擺放總體為一個圓狀，中間高，兩邊低，方形板搭接，高的一端指向十字走廊（擺放在圓盤中間的兩組板材），因而一路從圓邊上向十字走廊進行施焊。如圖2.所示，粗實線的“梯形”焊縫和中間的十字走廊將整個單盤分成8份結(jié)構(gòu)。
工藝措施總則：先短縫，后長縫，焊接時，用鐵塊或槽鋼壓在焊縫兩邊。采用分段退焊或跳焊的方法進行焊接。
使用焊條：φ3.2,J422。I=90—110A。
1．短縫
（1）整個長板上有兩條短縫以上的,留下一條較為中間的短縫,到焊完此兩條長縫時再焊。
（2）在三板搭接接頭處先割下一個三角后,將此短縫全部焊完.
（3）圖2.中的“梯形“焊縫留整個1/8板塊焊完后再焊.
2．長縫
（1）總體上按照圖2.中所示的數(shù)字標(biāo)簽進行順序施焊。
（2）所有大于2米以上的長焊縫一律采用從長焊縫中間向兩邊施焊的方法。
（3）中間的”十”走廊焊縫留到結(jié)束整板焊接時再焊.
3．完所有大圓的1/8區(qū)域后,再把該區(qū)域內(nèi)的短縫焊接起來,使1/8區(qū)域成為一個整體.
4．每1/8區(qū)域為整體后先焊”梯”形焊縫，梯形焊縫的焊接順序是由周邊向中間施焊，連成1/4板塊后再焊與”十”字走廊垂直的短縫,再焊十字走廊上的長縫,其他各1/8區(qū)域焊接順序與此相同.
（1）短縫長約1400mm,也要間隔焊,焊200mm,間隔200mm以上.
（2）長縫的焊接要間隔焊,設(shè)一條焊條焊200mm,則間隔400mm以上再焊一道�！ �
（3）單盤環(huán)形邊緣板的焊接:
先焊短縫,再焊長環(huán)縫。
焊接短縫時,每隔一條短縫焊一條短縫,把每兩塊板均連接起來后,其他短縫先擱下,先把長環(huán)縫焊完,再把余下的短縫全部焊完。
焊短縫也要間隔焊,焊200mm間隔200mm ；焊長環(huán)縫的方法與單盤板長縫的焊接方法相同。
外環(huán)縫要等到單盤板上升后才與船艙焊在一塊,也要間隔焊,與內(nèi)環(huán)縫焊接方法相同.
五、波浪變形結(jié)果表現(xiàn)（凹凸度的數(shù)據(jù)比較）
實施此方案前（10#罐調(diào)整前）
六、討論
雖然從工藝措施上可以得到較好的防變形效果，但是如果能從整個油罐安裝的方法考慮，將整個單盤板利用平整的桁架托起來，先焊接下面的間斷焊以及加強筋板（角鋼），可以起到一種剛性固定的作用，再配以合理的焊接工藝，單盤的變形將表現(xiàn)得更小。
本工藝在廣石化馬鞭洲島原油碼頭的10#、12#罐建設(shè)中得到很好的實施，在外觀和進度上相處融洽，收到良好的效果，可為水浮法安裝油罐的施工提供借鑒。
參考文獻
[1] 《焊接手冊》第三卷-焊接結(jié)構(gòu)．中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會編．機械工業(yè)出版社出版．
[2] 《焊接結(jié)構(gòu)》．哈爾濱工業(yè)大學(xué)．田錫唐主編．機械工業(yè)出版社出版．
[3] 《廣石化科技》1998年12期．《廣石化科技》編輯部編．廣石化情報檔案館出版．
關(guān)鍵字：建筑
