贮罐制作安装中焊接变形的控制对策

鲁振华1 李茹娟2

摘要：本文分析了贮罐焊接产生应力的原因，介绍了引起变形的各种类型，重点阐述了在工程施工中如何采取措施控制焊接变形，提出了解决大型贮罐在工程施工中焊接变形的有效措施。
关键词： 贮罐  焊接变形  应力
关于焊接变形
工件焊接后一般都有程度不同的变形，最常见的几种焊接变形有角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形等。如果变形量超过允许值就需要进行矫正。有的矫正虽然能够达到使用要求，得要占用较多的时间，如果变形量较大，还可能会引发事故。化工企业的容器、设备、构架等尺寸较大，如发生整体变形就很难矫正。为此，我们在制作安装大型贮罐、容器时必须制定周密地焊接方案和措施，使变形控制在设计允许的范围内。以下笔者就焊接变形和应力产生的原因及控制办法谈一些粗浅的体会。
焊接变形与产生应力的原因分析
众所周知金属有热胀冷缩的规律。在焊接时，焊缝及近缝区金属承受了局部高温加热，而与之相邻的“冷”金属又约束它们不能自由膨胀，这就必然产生不可恢复的压缩性变形。另外，产生了高温压缩性变形的焊缝及近缝区，如果自由冷却到常温，它们的长度必然比原来缩短，然而仍然由于邻近金属的制约而使之不能自由缩短，这不仅带来金属构件的变形而且还在其内部产生巨大应力。因此，局部的，不均匀对焊件的加热，是最终导致了焊件的变形及应力产生的根本原因。

焊接变形的收缩形式及应力分析

焊缝和热影响区金属的横向收缩及引起的应力
当工件在焊接时加热膨胀，这时由于焊接区处于液体状态，金属的膨胀不会使钢板长度增大而保持原来的装配尺寸，对双面对称焊口（如X型）对接焊缝冷却时，由于焊缝金属和热影响区母材的收缩，长度会缩短，收缩量与溶敷金属的线膨胀系数和焊缝截面宽度（包括热影响区）成正比。同样，工件单面剖口或双面不对称剖口（如V型）对焊接时的横向收缩将造成角变形。
      在同样情况下，当此工件两端固定而无法收缩时，则整个工件受到很大的拉力，这就是所谓的工件内部产生了横向拉应力。如果工件没有足够的刚性抵御焊接应力，必然会产生变形。工件焊接成型后还保留的应力及变形称为残余应力及残余变形。
焊缝和热影响区金属的纵向收缩及引起的应力
    当工件在焊接时，除有上述的横向收缩外，纵向也要发生膨胀和收缩。钢板原有长度是L0，受热后伸长L1，因为金属的线膨胀系数在加热和冷却时一样，所以冷却后的钢板欲恢复到原来的数值L0，但由于钢板的宽度远远大于焊缝的宽度，这时焊缝和热影响区的金属不能自膨胀和收缩，它将受到邻近的钢板的牵制，这就使钢板产生复杂的变形和应力。
下面就焊缝纵向收缩引起的变形和应力进行分析：
当金属在焊接区周围金属之间的温差很大，沿垂直焊缝方向的温度分布为焊缝处的温度最高，离焊缝稍远处急剧下降，根据钢板各点温度不同，它们各点的伸长也不一样，但事实上，这种变形是不可能的，因为焊缝两侧的金属不允许它伸长，所以产生拉伸应力；冷却时，焊缝及管焊缝的温度降低很多，应该有很大的收缩，但由于两侧金属温度变化不大的制约，它们的收缩受阻而只能部分收缩，则内部将存在残余拉应力。而相反，两侧金属受焊缝的压迫将存在残余压应力。另外，焊缝的纵向收缩同时会引起横向应力。
焊缝先后冷却引起的应力分析
人们往往会忽略焊缝的冷却凝固的先后问题，好像整条焊缝是同时加热同时冷却的。实际上每条焊缝总是逐步焊成并依次加热和冷却，前一段已经冷却凝固，必然要妨碍后一段的横向收缩，结果在先焊的焊缝中引起横向压应力，后焊的焊缝中则有横向拉应力存在。如一条长焊缝，从一端至另一端的单向焊，从两端向中心施焊，从中心向两端施焊三种工况下，引起的横向应力分布明显不同。其中第二种的施焊方法最不好，因为焊缝纵向收缩会引起的横向应力叠加，不仅拉应力还有压应力都要大大增加，所以我们在施焊长焊缝时，大多采用向两端而不采用从两端向中心施焊的焊接工艺，就是为了减小应力这个道理。
大型贮罐焊接组装谈形的对策
根据上述对焊接变形原因及应力产生原因的分析，笔者认为，虽然理论上我们可以采取很多措施减少应力产生和控制焊接变形，但最有效又实用的方法还是通过刚性固定和调整焊接顺序两种手段。在此，我按贮罐的几大主要部件安装顺序，阐述其在制造过程中的灵活运用。

罐壁板的焊接
焊前措施：
检查设备基础。基础的质量对贮罐底板的形式有很大的影响。如果基础偏差数据不合格，基础沉降超标，均应要求土建单位处理合格后方能接收。
壁板下料时要严格控制壁板的宽度偏差在1mm范围内。在壁板滚圆时，弧度要达到要求，且要减少板两头直边量。
焊接措施：
罐壁板焊接坡口形式通常有X和V型两种，焊缝截面宽，焊接工程量大，如处理不当，极易造成罐体焊接变形。
罐壁板变形一般易发生在较薄的壁板部位。一般是由于环缝反面清根较深，焊接时局部受热过大而引起的较大收缩变形，失稳造成局部较大面积内凹。经过实践证明，如果在环缝开坡口不留钝边且预留三～五处50mm的部位不开坡口的办法较好。一可保证环缝间隙，二可单面焊透性好，三可使反面清根较浅且相对均匀，焊接量也相对减少。
为防止带板直缝的横向收缩引起罐壁向内凹陷的角变形，焊前在带板内侧加防变形弧形板，弧形板点焊在带板上，并在近焊缝处开凹槽。为防止带板环缝的纵向收缩，用相隔一定距离的定位板通过楔子对上、下壁板进行对口找正、固定，然后以长度40～60mm，且每隔0.5m左右点焊，这时应由几名焊工沿圆周平均分布同时向一个方向边打磨坡口，边施焊，先焊罐内，后焊罐外，直到结束。在上、下壁板对接组焊时，对有丁字缝处的焊缝，必须遵循先焊完立缝、再焊环缝的原则。这样有利于立缝焊接时的横向收缩、有利于改善丁字缝的变形和降低产生的热应力。
罐底板的焊接

罐底板的焊接要求及采取的措施
底板排版时应尽使焊缝最少，且焊缝以中心线对称布置。为补偿罐底板焊接收缩，排底板时，应将设计直径放大2/1000。底板拼缝宜采用带垫板的对接焊缝或者Z型搭接焊缝，这种结构相当于钢板在焊接位置增加了加强筋，增强了底板的结构刚度，增强了抵抗失稳变形的能力，还能使横向收缩变形与角变形变小。
底板按要求铺好后，按排版图在罐底中心条板上划出十字线，十字线与罐基本中心线应重合，并在罐底的中心点打样眼冲出中心标记。以此为圆心，以等于底板的安装半径在底板上画圆。检查底板铺设是否符合要求。如有偏差，应加以调整，直至符合要求方可点焊。
罐底板采用V型对接焊缝时，为了减小焊缝引起的横向收缩变形，必须使罐底在焊接时在垂直于焊缝的方向能自由伸缩，应采取先焊短缝，后焊长缝的办法。焊接时应遵循 “长焊缝焊接应从中间向两端施焊”的原理，由多名焊工采用基本相同的工艺同时从中间向两边对称施焊，焊时采用分段倒退焊，并注意控制温升。
底板施焊时，宜按下述程序进行：即先焊边缘板对接靠外侧300mm部分再焊中幅板短缝，再焊中幅板长缝，待罐壁与底板间的丁字角焊缝焊完后，焊边缘板剩余对接焊缝，最后施焊边缘板与中幅板间的搭接缝。其具体程序和方法如下：
先施焊边缘板对接焊缝靠外侧300mm部分（边缘板内侧的焊缝间隙应比外侧的焊缝间隙大2～3mm，因为边缘板外部收缩大，内部收缩小），再焊中心条板短缝，再焊相邻两侧中幅板短缝，短缝施焊时，应将长缝的定位焊割开，相邻两板短缝焊完后，再焊两板间的对接长缝。长缝施焊时，中幅板要用定位板事先固定，焊工应均匀对称分布，由中心开始向外依次分段（每段400～500）倒退焊，当焊至距边缘300mm时停止施焊，依次类推，直至所有中幅板焊完。
罐底焊接时，须采取以下防变形（刚性固定法）措施：
A）焊接短缝时，应在焊缝的两端离边缘150mm打上背板（背板长度不小于600mm，宽度不小于150mm）。
B）焊接通长缝时，用龙门定位板将槽钢固定于焊缝两侧，离焊缝200mm并卡紧。
C）在中腹板对接焊缝、边缘板对接焊缝焊完后，进行下一工序前，用大锤敲击焊缝两侧，可以消除部分残余焊接应力并使应力分布较均匀。
底板与底部带板焊接的要求及采取的措施
当罐体采用倒装法施工，底板与底部带板的角环焊缝是罐壁结构的最后一道长焊缝。施焊前，底圈罐内壁与边缘板之间每隔1.5m应打一斜撑，与罐壁成45度角，支杆长度1.2左右。以防底板变形。
施焊底板与带板的丁字环焊缝时，数名焊工均匀布罐内侧，以同样的焊接方向和速度，同时进行分段（每段500mm）的倒退焊。当内侧丁字环缝第一遍施焊完后，焊工转到罐外侧，以同样方法施焊外侧丁字缝。当外侧丁字缝施焊至规定的高度后，再进入罐内，完成内侧丁字缝的施焊。
上述丁字缝施焊完后，开始施焊弓形边缘板间剩余的对接焊缝。施焊时，数名焊工均匀布对称隔缝施焊。最后，施焊边缘板与中幅板间搭接缝。施焊时，数名焊工均匀布以同样焊接方向和焊接速度进行分段（每段500mm）倒退焊。
罐顶板焊接
顶板组对完后，用样板对其进行检查，合格后，即可组织焊工进行焊接。施焊时，先按施工图要求，在罐内侧组焊两相邻瓜皮板下筋板间的所有连接板，然后，按图中所要求的间断焊，施焊罐内侧瓜皮相间的纵向搭接缝。最后，数名焊工均匀布置于罐内，按图中焊接要求，以同样施焊方向施焊顶板与锥形加强圈的环向搭接缝。
当顶板内侧所有组对焊缝施焊完后，开始施焊板外侧的组对焊缝，施焊时，4名焊工于中央位置，以相同的速度同时由中心向外，以分段（每段400mm）倒退焊的方式，对称施焊。
当所有径向搭接缝焊完后，施焊顶板与锥形加强圈外的环向搭接缝，施焊时8名焊工均匀分布，以同样焊接方向和焊接速度，进行分段（每段400mm）倒退焊，直至该焊缝焊完。
瓜皮板组焊完毕后，组焊中心顶板，当中心顶板吊装就位且检查合格后，点焊定位，然后2名焊工站在相对的位置，以同样焊接方向和速度，分段倒退施焊此缝。
控制焊接变形的其他措施
尽量选择大规格的钢板。由于焊缝的纵向收缩量与焊缝长度成正比，采用大规格钢板后，焊缝长度大量减少，纵向收缩变形相应减少，同时减少了焊接工作量，降低材料消耗，节约了人力物力，缩短了工期，提高了效益。
采用自动焊、半自动焊等先进施工工艺控制焊接变形。控制焊接线能量，减少焊接电流，采用自动焊或二氧化碳气体保护焊进行焊接，在保证能焊透的前提下，降低焊接线能量，提高焊速等焊接工艺措施可有效减少焊接变形。
小结
随着国民经济的高速发展，贮罐制作安装工作量正朝着体积大、重量重、材质多样化等方向发展，对焊接中焊接变形的控制越来越严格。只有对焊接变形产生的根源做好认真分析，在焊接过程中采取有效的防范措施，才能将焊接变形控制在合理的范围内。