關于儲罐焊接變形的防治措施

【摘 要】油田建設以及原油集輸的生產過程中，無論是原料、中間產品，還是最終產品都離不開儲存設備，其中又以立式儲罐最為常見。儲罐組裝都離不開焊接，而絕大多數焊接方法都采用局部加熱，故不可避免地將產生內應力和變形，而且在一定條件下將影響結構的承載能力。能否保證儲罐的焊接質量，關系到國家經濟和人民的安全，如果不易事先發現和預防，一旦發生事故，往往造成人身傷亡和財產的巨大損失。下面將對焊接變形產生的原因，影響變形的因素，以及預防和消除變形的措施加以分析。

【關鍵詞】儲罐；焊接應力；焊接變形

1 焊接應力與變形的特殊性

焊接應力與變形主要表現在焊接時的溫度變化范圍比較復雜，在焊縫上最高溫度可高達材料的沸騰點，而離開熱源溫度急劇下降直至室溫。金屬在高溫下性能隨溫度發生變化，屈服限σs隨時間變化而變化，這些變化必然會影響到整個焊接過程中的應力分布，使問題復雜化。

2 焊接殘余變形的分類

焊接殘余變形是焊接后殘余于結構中的變形。大致可以分七類：

（1）縱向收縮變形：構件焊后在焊縫方向發生收縮。

（2）橫向收縮變形：構件焊后在垂直焊縫方向發生收縮。

（3）撓曲變形：構件焊后發生撓曲，撓曲可由焊縫的縱向收縮引起也可由焊縫橫向收縮引起。

（4）角變形：焊后構件的平面圍繞焊縫產生的角位移。

（5）波浪變形：焊后構件呈波浪形，這種變形在薄板焊接時最容易發生。

（6）錯邊變形：焊接過程中，兩焊接件的熱膨脹不一致，可能引起長度方向上的錯邊和厚度方向上的錯邊。

（7）螺旋形變形：焊后在結構上出現的撓曲。

3 焊接變形產生的原因

3.1 影響縱向收縮變形的原因

同樣截面的焊縫可以一次焊，也可以分幾層焊成，多層焊每次所用的線能量比單層焊時小得多。每層焊縫所產生的塑性變形區的面積比單層焊時小，而且多層焊時所引起的總變形量并不等于各層焊縫的總和。因為各層所產生的塑性變形區面積是疊加的。所以分的層數越多，所用線能量越小，變形也就越小。

3.2 影響橫向收縮變形的原因

對于對接接頭的橫向收縮，隨焊縫金屬量的增加而增加。板厚和坡口角度增大變形也增加，埋弧自動焊的收縮量比板厚相近的手工電弧焊變形小，氣焊的變形比電弧焊的大。多層焊時，各層焊縫所引起的橫向收縮，以第一層為最大，以后逐層遞減，到第五層后，每層焊后收縮小，控制橫向變形關鍵在于控制最初幾層，主要是因為隨著層數的增加，剛度亦增加，每層焊道所引起的橫向收縮則隨之下降。

3.3 影響角變形的原因

影響角變形的主要因素在于橫向收縮變形在厚度方向上的不均勻分布。焊縫正面的變形大，背面的變形小。這樣就造成了構件平面的偏轉。

角焊縫所產生的角變形包括兩方面內容：筋板與主板的角變形和主板本身的角變形。前者的角變形相當于坡口為90°時的對接焊縫的角變形。而對主板來說，它就相當于在平板上進行堆焊時引起的角變形，這兩種角變形的綜合結果，使丁字形接頭兩板之間的角度發生破壞了垂直度，也破壞了平板的平直度。筋板與主板就相當于儲罐的底板和壁板，主板就想當于底板。

3.4 影響波浪變形的原因

薄板在承受壓力時，當其中的壓應力達到某一臨界數值時，薄板將因出現波浪變形而喪失承載能力，這種現象稱為失穩。板厚與板寬的比值越小，平板也就越容易出現失穩現象，產生波浪變形。降低波浪變形可以從降低壓應力和提高臨界應力兩方面著手。

3.5 影響焊接錯邊變形的原因

影響焊接錯邊變形的主要原因是焊接過程中對接邊的熱不平衡造成的。對于兩邊不同鋼度對接鋼板，鋼度越大位移越小，兩邊進度不一樣，進一步增加錯邊。對于儲罐的罐頂和罐壁身間環焊縫焊接過程中，由于罐頂一側和罐壁一側位移不一致，隨著焊接向一個方向進行，錯邊不斷增加。

4 預防焊接變形的措施

焊接殘余變形可以從設計和工藝兩個方面來解決。設計上如果考慮得比較周到，注意減少焊接變形，往往比單純從工藝上來解決問題方便得多。相反地，如果設計考慮不周，則往往給生產帶來許多額外的工序，大大延長生產周期，提高產品成本。因此除了要研究工藝措施外，還必須重視設計措施。

4.1 設計措施

4.1.1 合理地選擇焊縫的尺寸和形式

焊縫尺寸直接關系到焊接工作量和焊接變形的大小。焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大。但是并不是焊縫越小越好，因為焊接尺寸太小的焊縫，冷卻速度過大，容易產生一系列焊接缺陷，如裂紋、熱影響區硬度過高等。因此，在保證結構的承載能力和焊接質量的條件下，設計時應該盡量采用較小的焊縫尺寸。

4.1.2 盡可能減少不必要的焊縫

在焊接結構中應該力求焊縫數量少，避免沒必要的焊縫。在設計焊接結構中，常常筋板來提高板結構的穩定性和剛性，比如儲罐的包邊角鋼。

4.1.3 合理地安排焊縫的位置

在設計時，安排焊縫盡可能對稱于截面中性軸，或者使焊縫接近中性軸，這對減少結構的撓曲變形有良好的效果，有可能使焊縫所引起的撓曲變形相互抵消，這在儲罐底板和頂板中還是比較實用的。

4.2 工藝措施

4.2.1 反變形法

這是生產中最采用的方法，事先估計好結構變形的大小和方向，然后在裝配時給予一個相反方向的變形與焊接變形想抵消，使焊后構件保持設計的要求。

4.2.2 鋼性固定法

這個方法是在沒有發變形的情況下，將構件加以固定來限制焊接變形。用這種方法來預防構件的撓曲變形，只能在一定程度上減少這種變形，效果遠不及反變形法。但是利用這種方法來防止角變形和波浪變形，還是比較好的。

4.2.3 合理選擇焊接材料

焊接材料的選擇通常有兩種原則：一為“等成分原則”即選用焊接材料在化學成分上與母材相同；二為“等強度原則”即選用的焊接材料在化學成分上與母材相近，主要保證焊接接頭的強度與母材相同，提高焊縫質量。

4.2.4 合理地選擇焊接方法和規范

選擇線能量較底的焊接方法，可以有效地防止焊接變形。如采用CO2半自動焊來代替氣焊和手工電弧焊，不但效果高，而且可以減少薄板結構的變形。如果在焊接時，沒有條件采用線能量較小的焊接方法，又不能進一步降低規范，則可采用直接水冷，或采用銅冷卻塊來限制和縮小焊接熱場的分布，達到減小變形的目的。對于儲罐焊接可以采用氬弧焊打底，手工電弧焊填充的方法焊接。

5 矯正焊接變形的方法

5.1 機械矯正法

利用外力使構件產生與焊接變形方向相反的塑性變形，使兩者互相抵消。除了采用壓力機外，還可以用錘擊法來延展焊縫及周圍壓縮塑性變形區域的金屬，達到消除焊接變形的目的。這方法簡單，經常用來矯正不太厚的板結構。勞動力強度大，表面質量不好，是錘擊法的缺點。

5.2 火焰加熱矯正法

火焰加熱矯正法是利用火焰局部加熱時產生壓縮塑性變形，使較長的金屬在冷卻后收縮，來達到矯正變形的目的?；鹧婕訜岱ú捎靡话愕臍夂负妇?，不需要專門的設備，方法簡便，比較機動，可以對儲罐的變形進行矯正，關鍵在于正確地選擇加熱的位置和加熱范圍。

6 小結

通過對焊接變形產生的原因，影響的因素進一步的分析，來制定預防和消除變形的措施，以及在發現變形后處理的方法。對于儲罐來說，可以通過合理選擇焊縫尺寸和形式、減少不必要的焊縫、合理安排焊縫位置等設計措施預防變形。通過反變形法、鋼性固定法、合理選擇焊接材料、合理選擇焊接方法和規范、合理選擇焊接裝配順序等工藝措施防止變形。當發現變形后可以采用機械矯正法或火焰加熱矯正法進行矯正。

【參考文獻】

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[責任編輯：劉帥]