石油储罐焊接变形原因分析及控制对策程志芳

李鸿庆

【摘 要】储罐是石油石化行业必不可少的重要装备。其中，焊接是储罐建造的主要工序，对储罐的性能质量具有决定性意义。本文介绍了石油储罐焊接技术，分析了储罐焊接应力的产生、焊接过程中出现变形原因，并提出了储罐焊接变形的控制对策。

【关键词】石油储罐；安全技术；焊接；变形原因；控制对策

石油储罐是存储和运输原油及其相关制品的重要设施。石油储罐的建设一般工作量较大，技术应用也普遍较多，其中最为常见的安全设计、储罐焊接技术等。这些技术的应用使储罐建设日渐完善，但是在实际操作过程中也存在不足，有待于进一步创新和完善。

一、石油储罐焊接变形原因分析

1.焊接应力的产生

在大型立式储罐焊接过程中，残余应力和残余应力场产生的主要原因是，焊接后冷却时，热影响区冷却快，很快进入弹性状，而焊接区温度高处于塑性状态，此时焊接区收缩较热影响区慢，焊接区阻碍热影响区收缩，焊接区仍受压力热影响区受拉应力，但焊接区处于塑性状态，焊接处的塑性墩粗，松弛了此应力。随着热影响区温度不断降低，冷却速度变慢。当焊接区冷却速度高于热影响区时，焊接区收缩较快，热影响区阻碍它的收缩，应力方向发生变化，焊接区受拉应力，热影响区受压应力。当焊接区也进入弹性状态后，因没有塑性变形，焊接区随着温度的降低所受的拉应力越来越大。当储罐工作时，外加应力与焊接残余应力叠加，很容易造成叠加应力超过屈服极限而破坏。尤其是大型立式储罐的接管、清扫孔、人孔部位往往发生几次焊接过程叠加，如罐壁与管线焊接，罐壁与加强板焊接，这些部位所产生的残余应力及应力场最大，这种应力在一定的条件下影响着储罐的使用性能、疲劳强度及尺寸稳定性，有时甚至导致裂纹和应力腐蚀，对盛装成品油的立式容器，其危害性更大，往往造成意想不到的后果。

2.焊缝在结构的影响

从结构的设计上，要避免出现焊缝的不对称，否则容易造成焊接部分变形。受到同样大小的力，刚性大的结构变形小，刚性小的结构变形大。对于刚性小的焊接结构，可通过采用胎夹具或其他临时支撑等方法，增加结构在焊接时的刚性就能达到减小焊接变形的目的。

3.储罐焊接变形

石油储罐是一种管壁相对较薄的容器，这种容器的焊接方法较多，但是在实际操作中也会遇到较多问题，其中焊接变形是最常见的技术问题之一。特別是在罐底部位，底板薄、焊缝多，是焊接变形问题的高发区。储罐焊接过程中出现变形问题的原因：（1）径向收缩使中幅板应力发生变化或导致底边板角变形；（2）接缝在焊接后沿着横方向收缩会直接对储罐壁产生应力导致变形。（3）接缝焊接以后沿着纵向方向收缩产生应力造成变形。（4）上述三种应力共同出现造成波浪变形，变形效果严重。

4.大角焊缝承受集中应力

大角焊缝指的是原油储罐的底圈壁与底边缘板之间的内角焊缝，其通常为T型。大角焊缝往往承受着集中的应力，是应力峰值区，无论液压引起的拉伸应力、弯矩，还是风载、地震等引起的剪切力和弯矩，都需要大角焊缝来承受。一般随着原油储罐内液体位置的上升和下降，大角焊缝周围底板会形成一定弹性变形，并且还可能会致使高应力循环疲劳破坏。所以在大角焊缝的设计中，不能将其设计成为全焊透结构，并且节点的刚性也不能设计得过大，而是应当从焊接工艺、焊缝结构以及探伤检测方法上来采取相应措施，从而尽量将大角焊缝处的峰值应力降到最低，并增加其柔韧性。

5.装配和焊接顺序对结构变形的影响

采用先装配成整体，然后再焊接的顺序来进行。对大型油罐底板一般采取先焊横向焊缝，再焊纵向焊缝的焊接顺序来减小变形。

6.其他因素的影响变形

焊接电流、焊接速度和焊接方向对结构都有一定影响。对大多数焊接结构来说，变形随着焊接电流的增加而增加，而随焊接速度的增加而减小。不同方向的焊接会引起不同的变形情况和内应力状态。

二、石油储罐焊接变形控制对策

1.优化排板方式

排板方式的优化能有效减少焊接变形。在对石油储罐的焊接中，我们可以选择板幅较大的储罐建材，使焊缝以分散、对称的形式分布，最大程度上减少石油储罐焊接中出现的变形问题，保证焊接质量。

2.优化焊接设备

高性能的焊接设备能在一定程度上降低焊接变形几率，设备的使用也最好做到专机专用。木材和焊材的选择。为确保材料的可焊性好，专业的技术人员需要经过专门的计算、试验来进行确定。焊接环境和焊接工艺对储罐的焊接质量也有着重要影响，一些特殊的焊接材料需要在特定的环境下保存以营造良好焊接环境。焊接工艺的选择也需要综合考虑相关参数等信息。

3.加强底板焊接变形控制

由于合理的焊接方法减小了焊接热输入，同时在中幅板焊缝焊接前，采取了沿焊缝长度方向进行，刚性固定以及在所有焊缝两端加防翘曲的垫板等措施，另外，焊接每条焊缝之前，每隔3m，垂直于焊缝方向用长度约为800mm的背杠进行加固，待整条焊缝全部焊完并彻底冷却后拆除背杠，可有效地减小了中幅板焊接后的波浪变形。

4.合理地安排组装顺序

罐底中幅板焊接施工应先焊短焊缝，后分片施焊较长焊缝，最后施焊分片间的搭接焊缝；对于边缘板的对接焊缝焊接，先只焊靠外侧的焊缝300mm的部位，且在组装罐壁之前焊接；最后进行中幅板与边缘板搭接缝的焊接。

5.采用分段退焊法和跳焊法

采用分段退焊法同向施焊，钢材较厚、焊缝较长时设挡弧板，并可多人同时焊接，该焊法可减小热影响区，避免变形。同样，对于6～12mm厚钢板的长焊缝和铸铁、不锈钢、铜的焊接，可以采用跳焊法分散焊缝热量，避免或减小变形。

6.严格控制焊接线能量

焊接线能量主要影响焊缝的冲击韧性，因此焊接过程中要严格控制线能量，线能量不能过大，否则会降低焊缝的冲击韧性。决定焊接线能量的主要参数为焊接电流和电弧电压，因此宜采用小电流，比如CO2气体保护焊时焊接电流应小于300A，埋弧自动焊时焊接电流应小于600A。

7.提高焊接工人职业素质及操作技能，增强其质量意识

在石油储罐焊接中，通过优化提高相关焊接人员的自身技术水平，可以有效的降低石油储罐焊接中出现的变形问题。

8.确定罐底板中幅板对接焊缝的焊接顺序

按隔条焊接原则，先焊接中、长焊缝，其次焊接短焊缝，然后焊接其问的廊板缝，依此类推。罐底板的焊接原则：先焊短焊缝，后焊中长焊缝，然后焊接通长焊缝（即廊板缝），预留收缩缝（即龟甲缝），待罐底大角焊缝焊接完毕再进行收缩缝的焊接。罐底板的焊接顺序：由于排板时中幅板由中心向四周对称排列，因此，焊接时应由中心向四周对称焊接，采用分段退焊，焊接时焊工均匀分布，等速、等参数同步施焊。中幅板与边缘板的焊接方法：底板中幅板与边缘板对接焊缝的焊接采用焊条电弧焊打底，埋弧焊盖面。打底焊采用焊条LB一62，盖面焊采用焊丝US一49、焊剂MF一38A。中幅板对接焊缝的焊接：中幅板每条焊缝焊接前，沿焊缝长度方向用12m长的12#工字钢进行加固，待焊接完毕拆除。焊条电弧焊打底的起始点距丁字缝500mm（这部分暂不焊，待大角焊缝焊后、焊接龟甲缝之前再完成），埋弧焊起始点距打底焊的起始点100mm。

三、结束语

综上所述，石油储罐焊接变形常常成为影响储罐性能的主要因素。为了解决这一问题，研究了储罐焊接变形的控制方法。给出了储罐焊接过程工艺要求，并分析了储罐焊接变形主要成因，在此基础上提出了储罐焊接变形预防措施以及焊接变形控制方法。

【参考文献】

[1]郭建波.大型储罐罐底中幅板焊接变形控制[J].石油和化工设备，2014，02：42-44.

[2]司昊亮.大型储罐浮船底板焊接变形控制研究[J].中国科技信息，2014，11：150-151.

[3]孟勇.大型LNG储罐铝浮盘焊接变形控制[J].石油化工建设，2014，03：69-71.