梁福田

摘 要：分解底板焊接及變形控制是保證儲(chǔ)罐整體施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用合理的焊接方法和防變形措施，可以有效地避免應(yīng)力集中，提高施工質(zhì)量。經(jīng)過(guò)在濱州施工點(diǎn)的95臺(tái)分解槽施工實(shí)踐中總結(jié)出合理、有效的分解槽底板焊接方法及防變形措施。

關(guān)鍵詞： 分解槽底板；焊接；變形；控制

1.概述

山東魏橋鋁電公司氧化鋁工程分一期、二期、三期工程，由我部施工的大型分解槽共計(jì)有95臺(tái)。分解槽底板的焊接質(zhì)量在很大程度上決定了分解槽的使用壽命及在用狀態(tài)。采用合理的焊接方法和防變形措施可以有效地避免應(yīng)力集中，提高槽底板施工質(zhì)量。我們?cè)谂沙黾夹g(shù)過(guò)硬的又有責(zé)任心的焊工進(jìn)行施焊的同時(shí)通過(guò)采用合理的焊接方法、焊接順序、焊接工藝參數(shù)及行之有效的防變形措施，使槽底板的焊接質(zhì)量得到了有效控制。

2.底板的排版及施工順序

2.1.底板的排版

罐底板由中幅板與邊緣板兩部分組成，中幅板搭接在邊緣板上。中幅板厚度為10mm，邊緣板板硬度為16mm，材質(zhì)均為16MnR。具體形式見(jiàn)下圖1

2.2.施工順序

邊緣板的鋪設(shè)焊接→中幅板的對(duì)接后鋪設(shè)再長(zhǎng)縫的焊接→中幅板與邊緣板焊接→邊緣板與底層筒體（大角縫）焊接

3.焊接變形分析

3.1.焊接變形產(chǎn)生的原因

焊接時(shí)一般采用集中熱源在局部加熱，因此在焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)。這種溫度場(chǎng)在絕大多數(shù)情況下時(shí)非線性分布的。不均勻的溫度場(chǎng)使材料不均勻膨脹，處于高溫區(qū)域的材料在加熱過(guò)程中膨脹大，受到周圍溫度較低膨脹量小的材料的限制而不能自由的產(chǎn)生，于是焊件中出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，使高溫區(qū)的材料受到擠壓，產(chǎn)生局部壓縮塑性應(yīng)變。冷卻過(guò)程中已經(jīng)受壓縮塑性應(yīng)變的材料由于不能自由收縮而受到拉伸，于是焊件中又出現(xiàn)一個(gè)與焊接加熱時(shí)方向相反的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)。焊后焊件溫度降至常溫時(shí)，殘留在焊件中內(nèi)應(yīng)力則為焊接殘余應(yīng)力，殘留在焊件上的變形則為焊接殘余變形?？v向方向的應(yīng)力是使底板焊接產(chǎn)生起拱的原因，表現(xiàn)在焊縫旁金屬凸起；橫向方向的應(yīng)力使底板產(chǎn)生側(cè)部變形，再由于受施工條件的影響，兩者合力（矢量）較大時(shí)可使底板產(chǎn)生較嚴(yán)重的波浪變形。

3.2.底板焊接縱向收縮變形量的成因與估算

底板主要焊縫集中在中幅板上，最容易產(chǎn)生變形也是中幅板上，下面就主要對(duì)中幅板的變形量進(jìn)行估算。焊后由于焊縫及其附近金屬縱向收縮，就引起了平板的縱向變形。

單層焊的縱向收縮量：

=

其中：Aw──焊縫截面積mm2 △L──縱向收縮量mm

A──構(gòu)件截面積mm2 L──構(gòu)件長(zhǎng)度mm

k1──修正系數(shù)，當(dāng)采用CO2焊接時(shí)為0.043

多層焊的縱向收縮量：將上式中的Aw改為一層焊縫金屬的截面積，并將所計(jì)算的縱向收縮量再乘以k2即可，

一道焊縫的截面積為：Aw=（3+14.55）×10/2=87.4mm2

A=12440×10=124400 mm2

L=12440mm k2 =1.8

△L=1.8×0.043×87.4×12440/124400

=0.68mm

在排版圖中可以看出共有6道焊縫。0.68×6=4.08 mm

因此此種焊接類型的對(duì)接焊縫縱向收縮變形為4.08mm。

3.3.底板焊接橫向收縮變形量的成因與估算

對(duì)接焊縫橫向變形可以通過(guò)下面這一公式進(jìn)行估算：

=k

式中 —對(duì)接焊縫的橫向變形量mm

Aw—焊縫的橫截面積mm2

δ—焊件的厚度mm

k—系數(shù)。V形坡口時(shí)，氣焊k=0.26，焊條電弧焊k=0.2；X形坡口焊條電弧焊時(shí)k=0.12

根據(jù)上述公式來(lái)估算焊接橫向收縮變形量為：

k=0.26

Aw=87.4 mm2

δ=10mm

=0.26×87.4/10

=2.27mm

在排版圖中可以看出共有6道焊縫。2.27×6=13.62 mm

因此此種焊接類型的對(duì)接焊縫縱向收縮變形為13.62mm。

4.邊緣板焊接的焊接

4.1.由于中幅板搭接在邊緣板上，所以必須先鋪設(shè)邊緣板并焊接完才能鋪設(shè)中幅板。邊緣板對(duì)接坡口形式見(jiàn)下圖2

由于中幅板是搭接在邊緣板上，所以此焊縫需要搭接的部份打磨平整。

4.2.在鋪設(shè)點(diǎn)焊完畢后在每個(gè)對(duì)接焊縫處點(diǎn)焊龍門卡具，做剛性反變形處理。如圖3所示

龍門卡具樣式如圖所示，采用鋼板厚度為10～16mm邊角余料切割而成，長(zhǎng)度為1000mm左右，高度200mm左右。中間開(kāi)一缺口避開(kāi)焊縫，以不影響焊接操作。龍門卡具在全部焊接完畢并冷卻至常溫后再清除。龍門卡具是可以多次反復(fù)利用的。

4.3.焊接方法采用熱輸入較CO2氣體保護(hù)焊焊接方式進(jìn)行，先打底一面再填充一面，最后蓋面成形。焊絲牌號(hào)為H08Mn2SA（新牌號(hào)為CHW-50C6），焊絲直徑為Φ1.2mm

5.中幅板的焊接

中幅板的焊接分為兩個(gè)部份：一是短焊縫的焊接，這一工序在制作現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)接焊接完成；二是長(zhǎng)焊縫的焊接，這一工序在安裝現(xiàn)場(chǎng)的拼接焊接。

5.1.中幅板的短焊縫設(shè)計(jì)圖紙為X型60度坡口，如圖5所示，所以此部份我們?cè)谥谱鳜F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)接焊接。

焊接仍采用熱輸入較CO2氣體保護(hù)焊焊接方式進(jìn)行，先焊接一面成型后翻面清根再焊接成型。焊絲牌號(hào)為H08Mn2SA（新牌號(hào)為CHW-50C6），焊絲直徑為Φ1.2mm 。焊接參數(shù)參照4.3進(jìn)行。

焊接前仍要點(diǎn)焊龍門卡具做出剛性反變形（見(jiàn)圖6），以免焊接完后造成接頭變形。如果焊接完后還會(huì)出現(xiàn)接頭不平現(xiàn)像，要進(jìn)行校直工作。校直方法常用有兩種，一是用大錘反復(fù)錘起拱部份，這種方法往往用于變形較小且是局部現(xiàn)象時(shí)；二是用校平機(jī)進(jìn)行校平，如果沒(méi)有專用校平機(jī)也可以采用常用的卷板機(jī)進(jìn)行校平即可。校平合格后就可以運(yùn)至安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行中幅板現(xiàn)場(chǎng)的整體拼裝、焊接。

5.2.中幅板長(zhǎng)焊縫的焊接

此焊縫坡口形式如圖7所示。由于中幅板長(zhǎng)焊縫長(zhǎng)度長(zhǎng)，焊接量大，要由多人同時(shí)來(lái)完成，所以對(duì)焊接的順序等要求特別嚴(yán)格。同樣在焊接前需要點(diǎn)焊龍門卡具，龍門卡具數(shù)量要合適，不能太多造成不必要的麻煩，也不能太少就起不到防止變形的作用。一般要求每項(xiàng)隔1.2米～1.5米設(shè)置一件，如圖8所示。由于中幅板在焊接完后會(huì)發(fā)生收縮現(xiàn)象，如果與邊緣板之間的焊縫焊接后會(huì)拉扯邊緣板向上翹。但如果不進(jìn)行固定的話是在中幅板中幅板在焊接完后也會(huì)產(chǎn)生上翹變形。為了解決這種情況，故選擇此焊縫是在全部中幅板焊接完后進(jìn)行，但需要在此焊縫上采用七形卡具和楔鐵進(jìn)行固定，所以在一圈均要加設(shè)七形卡具用楔鐵固定，間隔距離在1米～1.2之間。分布如圖8所示。七形卡具樣式如圖9所示。

焊接方法采用熱輸入較CO2氣體保護(hù)焊焊接方式進(jìn)行，先打底一面，最后蓋面成形。焊絲牌號(hào)為H08Mn2SA（新牌號(hào)為CHW-50C6），焊絲直徑為Φ1.2mm ，焊接參數(shù)仍參加4.3進(jìn)行。

多人作業(yè)時(shí)，要均勻分開(kāi)，防止焊縫熱量集中。熱量集中則應(yīng)力集中，易產(chǎn)生底板變形。所以焊接順序是先焊接中心焊縫再焊接兩邊焊縫。每條焊縫焊接時(shí)也由兩名焊工同時(shí)由中間向兩邊開(kāi)始焊接并采用跳焊法即分段焊。

3 5 2 4 1 4 2 5 3

焊向 中 焊向

跳焊每段長(zhǎng)度500mm為宜，分段跳焊方向是從中向兩端延伸焊接冷卻至常溫后在連成一條整縫即打底完畢，第二層蓋面方法，焊向依此進(jìn)行。

6.中幅板與邊緣板焊接

在中幅板焊接全部完成后并冷卻至常溫后方可進(jìn)行中幅板與邊緣板焊接。此焊縫是角縫，采用一面打底，二層蓋面成型即可。焊接參數(shù)仍參照4.3進(jìn)行。多人焊接時(shí)仍采用分期段跳焊法，焊接方向一致。

焊接完后冷卻至常溫后清除所有龍門卡具和七字卡具。

7.邊緣板與底層筒體（大角縫）焊接

大角縫焊接由于焊腳高度較大，須先打底二面，再壓焊二至三面成形。焊接參數(shù)仍參照4.3進(jìn)行。多人焊接時(shí)仍采用分期段跳焊法，焊接方向一致。焊接前仍采用防變形三角筋板做剛性反變性，以防止焊接后引起的角變形。如圖10所示

8.結(jié)論

該工程中分解槽底板的焊接施工中采用了有效的防變形措施來(lái)保證焊接質(zhì)量。在焊接前大量采用各種樣式剛性卡具在各個(gè)工序進(jìn)行反變形措施。在焊接中嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)范， 嚴(yán)格控制焊接順序，經(jīng)焊后實(shí)測(cè)，底板的局部凹凸度均小于15mm，完全滿足了規(guī)范要求，達(dá)到了預(yù)期的效果，受到了用戶的好評(píng)。

參考資料：

[1]JB/T4735-1997 鋼制常壓容器

[2]GB50221—95 鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

[3]GB50184—93 工業(yè)金屬管道工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

[4]GB50205—2001 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范

[5]GB985-986—80 鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭

[6]東北大學(xué)設(shè)計(jì)院 分解槽技術(shù)要求說(shuō)明書(shū)