大型原油儲罐罐板焊接及反變形工程解決方案

張衛正 蔡正茂 任洪理 張為民 張恩儉 李阿偉

中國石油工程建設公司北京100120

隨著我國在海外承攬工程項目的增多，原油儲罐的規模也越做越大。在公司承建的某國外原油管線項目中包括10 臺單體1.6 ×105m3外浮頂原油儲罐，這是公司首次在國際市場承建單體容量最大的儲罐。該批儲罐直徑110m，高度21.73m。壁板共有8 圈，最大厚度43mm，最小厚度13mm。邊緣板厚度22mm，中幅板厚度9mm，船艙底板8mm，船艙頂板5mm。目前我國大型原油儲罐施工焊接技術開發及實踐較為成熟，有多種焊接方法應用于施工中。主要有:氬弧焊(GTAW)、手工電弧焊(SMAW)、藥芯焊絲自保護焊 (GSFCAW)、埋弧焊自動焊(SAW)等焊接方法。焊接變形問題一直是焊接過程中存在的主要問題。在施工過程中解決這個問題的施工方案尤為重要。如果焊接過程中不采取適當的反變形措施，可能產生各種變形，如底板產生波浪變形、壁板水平方向凹凸不平等，影響儲罐的外觀和內在質量。為了防止焊接變形，對儲罐各個部位的焊接都采取了相應的保護措施，運用合理的焊接作業程序，優化工程施工方案。

1 中幅板和邊緣板焊接作業程序

①邊緣板外側約350mm 長的部位→②中幅板短縫→③中幅板長縫→④大角縫(底圈壁板與邊緣板之間的焊縫)→⑤邊緣板剩余部分→⑥龜甲縫(邊緣板與中幅板之間的焊縫)。焊縫位置見圖1。

圖1 邊緣板中幅板局部排版圖

其中部分步驟根據情況可以同時進行焊接，但是步驟⑥必須在步驟③和⑤焊接完成后才能焊接。因此，焊接順序是至關重要的。整個底板焊接的原則是由內向外，對稱焊，先焊短焊縫，后焊長焊縫，最后完成預留收縮縫的焊接，并采取必要的反變形措施。

2 壁板焊接作業程序

壁板焊接先焊縱向縫，后焊環向焊縫。焊完兩圈相鄰壁板縱縫后，再焊接兩圈之間的環焊縫。工程焊接過程對環焊縫的質量要求是較為苛刻的。

3 邊緣板焊接施工方案

邊緣板焊接方法主要采用自保護半自動焊(GSFCAW)。邊緣板是厚度22mm 的弓形鋼板，焊縫下面是寬50mm、厚度9mm 的墊板。邊緣板切割打磨后，每張邊緣板與一張墊板組對在一起，點焊在邊緣板底部。

原油儲罐土建基礎驗收合格后，首先開始安裝邊緣板。因為每塊邊緣板在安裝之前已經與一塊墊板在反面組對點焊，安裝邊緣板的過程中再點焊正面，在坡口兩側對稱點焊。邊緣板組對完畢后，先對邊緣板外側大概350mm 長的部分進行焊接。為防止焊接過程中產生角變形，在邊緣板打底焊接完后，把焊縫部位抬高，用臨時墊板把焊縫墊起來(見圖2)，然后填充和蓋面焊接。邊緣板焊接要交叉進行，每隔一條縫焊接。邊緣板剩余的部分焊接要在第一圈壁板與邊緣板連接處內部角焊縫和底板中幅板焊接完畢后，中幅板和邊緣板之間焊接前進行焊接，也要交叉焊接。

圖2 邊緣板焊接臨時墊板圖

4 大角焊縫的焊接作業程序

大角焊縫要在第一圈壁板立縫焊接完成后才能開始進行焊接。第一圈壁板罐底板組對完畢后，為防止產生焊接變形，四名焊工分布于罐周圍四個對稱位置同時朝順時針方向開始大角縫焊接。先焊罐內側，打底一遍填充一遍后做泄漏性試驗。如果發現泄漏，再進行返修，返修部位重新做泄漏性試驗。試驗合格后，開始對外側進行打底一遍填充一遍焊接，焊接完成后，內側進行填充和蓋面。內側焊接完成后開始焊接外側填充和蓋面。

5 中幅板的焊接作業程序

中幅板短縫焊接主要采用藥芯焊絲自保護焊(GSFCAW)，長縫采用藥芯焊絲自保護焊(GSFCAW)或者埋弧焊(SAW)。中幅板焊接要按照合理的順序進行，首先焊接短縫，從中間往周邊焊接。短縫大部分焊接完成后開始焊接長縫，長縫從中間往周邊交叉焊接，第一條縫開始每隔一條縫先焊接，焊接完畢后再組對和焊接剩余的焊縫，也要從中間往四周焊接。在焊接過程中為防止變形，可采用臨時墊板固定，局部電焊的方法防止變形，并且密切注意是否有變形產生，如有變形立即采取矯正措施。底板焊接完畢后，所有焊縫都要做真空測試。

中幅板和邊緣板焊接完畢后，可以開始龜甲縫的焊接。龜甲縫焊接也要采用多名焊工對稱分布進行。

6 壁板立縫的焊接作業程序

壁板立縫焊接主要采用藥芯焊絲自保護焊(GSFCAW)。組對采用卡具(見圖3)，組對完后檢查錯邊量和間隙。所用卡具臨時點焊在管壁外側，在外側打底焊接完后，拆除卡具。

圖3 壁板組對卡具

(1)打底焊接先從罐外側進行，為防止變形，整個焊縫分為4 個部分，從第一部分開始，從下向上焊接。第二、第三、第四部分打底焊接按順序采用同樣的方法進行焊接。各部分位置見圖4。

圖4 立縫根部焊接示意圖

(2)填充和蓋面焊接要從底部開始向上焊，先從罐外側焊接。當罐壁外側焊接完成25%后，開始焊接罐壁內側，內側完成25%后再焊接外側。外側和內側交替焊接直到焊縫完成。

(3)以上焊接適用于壁厚大于20mm 的焊縫，如果壁厚小于20mm，可以在外側焊接完成后再焊接內側。

7 壁板橫縫焊接施工方案

壁板立縫焊接主要采用藥芯焊絲自保護焊(GSFCAW)打底，埋弧焊填充和蓋面的焊接工藝。

(1)組對完畢后，先用自保護焊在罐內側打底。打底焊接要用多名焊工對稱分布，同時進行，對大型原油罐壁板焊縫焊接時有8 名焊工同時進行。

(2)罐內側打底焊接完畢后，采用埋弧焊從內側開始填充。

(3)埋弧焊填充第一遍完成后，開始對罐外側根部進行打磨處理。

(4)內側焊接完成25%后，對外側焊接，焊接交替進行，直到焊接完畢。如果壁厚小于20mm，可以在內側焊接完成后再焊接外側。

(5)埋弧焊每道焊接前，要檢查焊縫表面是否平滑。如果凸起需適當打磨，凹陷可用自動焊或者半自動焊進行補焊，使焊縫表面平滑過渡，以保證埋弧焊的焊接質量。

8 壁板開孔接管和補強圈的焊接作業程序

圖5 壁板開孔接管和補強圈的焊接反變加強板示意圖

孔開完后，把壁板垂直放在預制好的胎具上，先組對壁板與補強圈，再組對接管。首先焊接罐壁內側接管與壁板之間的角焊縫，然后在罐壁內側焊接反變形加強板(見圖5)。由于補強圈的焊接量比較大，為防止焊接過程中壁板變形，補強圈焊接之前，焊接一定數量的加強板在罐壁內側，加強板數量及大小根據罐壁開孔的大小而確定。加強版焊接完后，先焊接罐壁外側接管與罐壁之間的角焊縫，填充完后凸出部分焊接大約25%，然后焊接補強圈周邊角焊縫，焊接25%后焊接接外側接管角焊縫，如此交叉焊接直到所有焊接完成。完成后把壁板從胎具上拿下來水平放下，開始焊接補強圈底部與壁板之間的角焊縫，完畢檢查合格后，可以準許批復做熱處理。

9 浮頂及包邊角鋼的焊接作業程序

浮頂底板和頂板的焊接與罐底中幅板的焊接方法及焊接順序相同，船艙隔板焊接要盡量做到均勻分布，對稱焊接。包邊角鋼焊接焊工也要對稱分布，沿同一方向施焊。

10 結語

綜上所述，對大型原油儲罐焊接的各個環節采用合理的焊接工藝方法和合理的焊接作業程序是至關重要的。在焊接過程中要隨時檢查是否產生了變形，根據情況及時調整焊接工藝方法和作業程序，才能保證工程的焊接質量。

1 美國石油學會標準，API 650 -2007 Welded Steel Tanks for Oil Storage.

2 吳德印. 鋼制儲油罐焊接變形原因分析及控制預防措施.科技資訊，2007 NO. 11.