李樹謙

中國天辰工程有限公司 天津 300400

焊接變形原理及其在儲罐底板施工中的應用

李樹謙

中國天辰工程有限公司 天津 300400

儲罐底板焊接變形量的控制是儲罐施工質量控制的關鍵環(huán)節(jié)，底板的不平整度直接影響了儲罐的整體使用壽命，為有效避免過大的焊接殘余變形和殘余應力，本文利用焊接變形原理，從設計和施工角度綜合論述了保證儲罐底板平整度的措施。

儲罐底板 焊接變形 殘余應力 設計和施工

鋼制儲罐底板焊接變形量的控制對于儲罐整體使用壽命至關重要，若底板存在較大凹凸變形，則罐內介質高度變化產生的壓應力致使罐底承受相應的交變載荷，易導致罐底板彈性疲勞，從而使儲罐整體失效。

為防止上述失效形式，本文以焊接變形原理為出發(fā)點，綜合考慮設計和施工因素，確保儲罐底板平整度達到相應標準要求。

1 焊接變形原理

1.1 焊接應力及變形產生機理

焊接接頭局部區(qū)域的加熱和冷卻的不均勻性，使局部區(qū)域內各部分金屬處于從液態(tài)→塑性狀態(tài)→彈性狀態(tài)的不同狀態(tài)，這種不均勻溫度造成的應力稱為熱應力，熱應力是焊接應力及焊接變形的主要原因。焊件冷卻時，被加熱的金屬已產生了壓縮塑性變形，其長度比未被加熱的金屬短，由于周圍金屬的阻礙作用，使焊縫金屬受拉應力而周圍金屬受壓應力，壓應力大于焊件的屈服極限時，焊件發(fā)生塑性變形。

另外，焊縫金屬在焊接加熱和冷卻過程中，發(fā)生δ→γ→α組織轉變，各組織的比容不同，焊縫金屬在冷卻時體積發(fā)生變化，各組織的比體積也不相同，這種變化受周圍金屬的約束，使焊縫及周圍區(qū)域產生應力和應變[1][2]。

再者，焊接應變和應力還受到焊件本身的剛性影響，焊件剛性大或受夾具的限制，焊接變形量小，但會產生較大殘余應力。

因此，焊接熱應力、金相組織的比體積差異、焊縫金屬冷卻時產生收縮、焊件本身的剛性及受約束度共同導致了焊接殘余變形及殘余應力的產生。

1.2 焊接殘余變形、殘余應力和約束的關系

焊接殘余變形是指由焊接引起的焊件尺寸改變，殘余應力指焊件完全冷卻后殘留在焊件內的焊接應力。

不受約束的焊件在加熱時，其變形屬于自由變形，冷卻后不會有任何殘余應力和殘余變形；焊件受絕對約束，只存在殘余應力而無殘余變形；焊件若能充分自由伸縮，只存在殘余變形而無殘余應力；如果焊件收縮不充分，則既存在殘余應力又有殘余變形。

1.3 焊接變形的型式

受焊縫結構型式、焊縫數(shù)量及分布、焊接順序等因素影響，焊接變形分為以下五種基本類型或這幾種變形的組合[1]：

（1）縱向收縮和橫向收縮變形：變形分別平行于焊縫和垂直于焊縫，是最基本的兩種變形；

（2）角變形：橫向收縮量在焊縫厚度方向上不均勻分布所產生的變形，變形使構件平面繞焊縫發(fā)生了轉動；

（3）彎曲變形：由于焊縫的布置偏離焊件形心軸，而由焊縫的縱向收縮和橫向收縮引起的變形；

（4）扭曲變形：由于裝配不良及施焊順序不合理，致使縱向收縮和橫向收縮沒有一定的規(guī)律而引起的變形。

（5）失穩(wěn)變形：由于焊縫收縮，使剛性較小的構件失穩(wěn)而引起的變形，也稱為波浪變形，此類變形在薄板焊接時出現(xiàn)較多。

在罐底板焊接冷卻后，近縫區(qū)受拉應力，離焊縫較遠的區(qū)域受壓應力，壓應力大于等于臨界應力時，底板就會產生波浪變形而失穩(wěn)。

式中：

δ—板厚；

B—板寬；

K—與板的支撐情況有關的系數(shù)。

1.4 焊接變形影響因素

影響焊接收縮變形量的主要因素有：焊縫截面尺寸的大小，它是產生焊接收縮變形的動力；焊接結構剛度的大小，它是焊接收縮變形的阻力和條件。底板焊縫在設計和施工時應重點從上述兩因素出發(fā)。

2 焊縫結構設計措施

2.1 盡可能減少焊縫的數(shù)量

編制材料計劃時，綜合考慮底板的直徑及中幅板和邊緣板的類型、寬度和長度，力求使拼接的焊縫數(shù)量最少，避免不必要的焊縫。儲罐底板直徑一旦固定，盡量選擇大規(guī)格鋼板，由于焊縫的縱向收縮量與焊縫長度成正比，采用大規(guī)格鋼板后，罐底板的焊縫長度大量減少，縱向收縮變形也相應地減少[3]。

2.2 選擇合理的焊縫尺寸和形狀

焊縫尺寸與焊接變形量及焊接工作量直接相關，設計時盡量采用較小的焊縫尺寸，但是焊縫尺寸過小易產生裂紋、熱影響區(qū)硬度過高等缺陷，在保證有足夠承載力的前提下，按板的厚度來選取規(guī)范上可能的最小焊縫尺寸。

焊接坡口形式,采用開坡口的焊縫所需的填充金屬量少，有利于焊接變形的控制；焊接接頭形式，在工作條件良好、不太重要的構件中，廣泛使用搭接接頭，搭接接頭雖然應力分布不均，疲勞強度低，但因其焊前準備和裝配較對接接頭簡單且橫向收縮量較小，在底板拼接時使用較多,焊腳尺寸，選取工藝上合理的最小焊腳尺寸。

2.3 合理布置焊縫

焊縫盡可能對稱于截面中心軸，或者使焊縫靠近中性軸，以減少結構總的彎曲變形。中幅板搭接焊縫應沿著罐底中心線對稱排列，弓形邊緣板以罐底的圓心為中心對稱布置，以相互抵消大部分殘余變形。

3 焊接施工工藝措施

3.1 預留焊接收縮量

由于焊接收縮量的存在，儲罐底板如按設計直徑進行下料排版，焊接完成后底板尺寸將會縮減，為此，可事先估算焊接收縮余量，將底板的排版直徑在設計直徑基礎上適度放大。按照實際經(jīng)驗，排版直徑宜按設計直徑放大0.15%～0.2%，常取0.15%，若放大量過大，可能導致儲罐經(jīng)長期使用后會致使罐壁外邊緣板向上彎曲，造成大角縫應力過大。排版直徑計算公式：

式中：

D—儲罐底板排版直徑；

D0—儲罐底板設計直徑。

3.2 反變形

焊前將結構裝配成與焊接變形相反方向的預先反變形，這樣既可以防止構件變形又能減少焊接殘余應力，從而達到保證焊件安裝精度，儲罐底板邊緣板之間的對接焊縫便利用了此原理。

3.3 剛性固定法

對于剛性較小的焊件，可采用夾具或臨時支撐，增加焊件的剛性，達到減小焊接變形的目的。夾具既可防止鋼板移動又可導熱以便縮小溫度場，進而減小殘余變形。在焊接某一條焊縫時，與其相鄰的兩條焊縫的夾具不可固定太緊，應使焊件盡量保持良好的自由收縮。

3.4 合理的焊接方法和規(guī)范

采用較小的焊接能量可以減少焊接變形，底板焊縫施焊時焊接線能量盡量較低，考慮到生產效率，一般每條焊縫分2～3層施焊完；選用能量密度較高的焊接方法，利用等離子弧焊或CO2保護焊代替手工電弧焊可減小焊接變形量；另外，限制和縮小溫度場也有利于減小焊接變形，底板焊接中的逐步退焊和跳焊即是利用此原理。

3.5 合理的焊接順序

3.5.1 底板焊接工藝流程

根據(jù)排版圖及底板焊接變形的規(guī)律，制定合理的焊接施工工藝，儲罐底板基本焊接工藝流程如圖3所示。

合理的焊接順序能夠保證底板焊接時處于相對自由收縮狀態(tài)，使焊接變形量和殘余應力最小。儲罐底板總體焊接順序為倒裝法：邊緣板對接由外向內300mm徑向焊縫焊接→中幅板短焊縫焊接（由底板中心處開始，由內向外展開）→中幅板長焊縫焊接→邊緣板與壁板大角縫焊接→邊緣板間剩余對接焊縫→邊緣板與中幅板間伸縮縫焊接。

3.5.2 邊緣板焊接工藝及其原理

邊緣板之間的焊縫一般設計為帶墊板的對接焊縫，因邊緣板連接處受力復雜且應力集中系數(shù)較高，為改善此處的受力情況，故采用該焊接方法。采用帶墊板的對焊接利用了焊接反變形原理，不但能保證焊透底板根部，提高底板焊縫的焊接質量，對于底板結構，相當于增加了加強筋，使儲罐底板的整體結構剛性增加，降低了局部失穩(wěn)的風險。

邊緣板之間的焊接順序為，先焊接由外向內的徑向300mm對接焊縫，剩余的焊縫在大角縫焊接完成后施焊。究其原因，先焊外側是為滿足施工需要，以免大角焊縫底下的邊緣板對接后而無法進行焊接，內側后焊是為了使大角縫和邊緣板外側對接焊縫處于相對自由收縮狀態(tài)，防止內側板翹曲變形。

3.5.3 中幅板焊接工藝及其原理

中幅板的總體焊接順序為：從底板中心開始，先焊短焊縫，后焊長焊縫。其原因仍是為了控制焊接殘余變形與殘余應力，應使焊縫自由伸縮，故先焊接變形量大和工作時受力較大的焊縫。

焊接時從底板中心處開始，目的是使內部焊縫的橫縱向變形不受外部焊縫的約束，從而達到整體變形量較小的效果。

焊接短焊縫時，焊工均勻分布，采用分段退焊或跳焊，采用此方法的原理主要是縮小焊接溫度場，這樣總的焊接熱應力所導致的壓應力不至于大于材料的屈服極限而導致材料塑性變形，從而避免了過大的應力集中和殘余變形。

焊接長焊縫時，應從底板中心處開始，分段進行拼接，盡量使中幅板處于自由伸縮狀態(tài)。另外，長焊縫的焊接最好采用對稱焊，施工現(xiàn)場有長焊縫隔條焊接的情況，從實際情況分析，對稱焊能夠使變形相互抵消，從而避免偏心應力，而隔條焊接的總體變形量控制不如對稱焊。

4 工程實例分析

4.1 工程概況

殼牌（天津）潤滑油擴建項目為中國天辰工程有限公司總承包，該項目中罐區(qū)的所有儲罐均為現(xiàn)場制作安裝，筆者以其中的T2126儲罐為例進行分析。

該儲罐為拱頂油罐，總容積為5000m3,罐體總高20m，罐體內徑18.8m，儲罐底板設計直徑為18.932m。儲罐底板由中幅板和弓形邊緣板組成，其中中幅板，弓形邊緣板，材質為Q345R。

4.2 儲罐底板設計措施

從設計角度出發(fā)，鋼板選用較大規(guī)格，保證了罐底板總體焊縫數(shù)量較少并做到焊縫以底板中心線對稱分布，再者，針對焊縫尺寸及形狀，對于邊緣板之間的焊縫，考慮到焊縫受力情況較為復雜并利用反變形原理，將其設計為帶墊板的對接焊縫，如圖5所示。中幅板之間、中幅板與邊緣板之間的焊縫，考慮到其工況較為單一、受力簡單并考慮到焊前的裝配簡單，故設計為搭接焊縫。另外，針對底板中三層搭接處應力集中較為明顯的情況，將三層搭接處的上層板做切角處理，如圖6所示。

4.3 儲罐底板施工措施

施工工藝方面，儲罐底板在排版時考慮到焊接收縮量的存在，宜將底板直徑適當放大，該儲罐底板設計直徑為18.932m，根據(jù)3.1分析可知，放大量宜為0.15%，故排版直徑應為18.932×（1+0.15%）=18.960m。

由于儲罐底板厚度尺寸遠遠小于其徑向尺寸，故底板屬于柔性結構，為了防止儲罐底板在焊接后出現(xiàn)失穩(wěn)變形，因此，在儲罐底板焊接過程中，對于邊緣板之間的對接焊縫、3層搭接處的焊縫以及通長焊縫處設置臨時夾具，在焊接時，與該焊縫相鄰的兩條焊縫不可用夾具固定太緊。

選擇合理的焊接參數(shù)，選用J427(4.0)焊條，焊接電流150A。

根據(jù)3.5中對焊接順序進行的分析及排版圖，該儲罐底板的具體焊接施工順序如圖8所示。

在焊接過程中，要求4個焊工均勻分布在儲罐底板上并盡量做到同時勻速，采用逐步退焊、跳焊法進行焊接施工，同時要求焊接過程中始終保證焊接環(huán)境良好。需要注意的是，在底板焊接時對于三層搭接焊縫，應在切角后先行焊接一道焊縫，另外，邊緣板與中幅板間的收縮縫在大角縫焊接完成后施焊。

5 結論

儲罐底板焊接變形是焊接殘余應力與殘余應變共同作用的結果，通過對焊接變形原理進行深入分析并在儲罐底板設計和施工措施中充分應用焊接變形原理，采用具體合理的施工工藝措施，如焊接參數(shù)、焊接順序、焊接方法、剛性固定及反變形法等，能夠有效控制儲罐底板的焊接變形。筆者利用上述原理在實際工程應用中，對大型儲罐底板焊接變形量的控制取得了良好效果。

1王寬福.壓力容器焊接結構工程分析 [M].北京：化學工業(yè)出版社,1998.20～25.

2張文鉞.焊接冶金學基本原理 [M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.4.10.

3焊接結構設計與制造(XV)委員會等編.焊接結構設計手冊（第一篇）.北京：機械工業(yè)出版社,1990.47-51.

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1672-9323（2011）04-0060-04

2011-06-06）