摘要：大型储罐因结构尺寸庞大，焊接变形控制是组装过程中最为重要的工作之一。本文详细探讨了钢板焊接变形的影响因素及控制措施。
关键词：油罐焊接；变形因素；控制措施
大型储油罐底板由中幅板和边缘板构成，采用对接和搭接接头，底板厚度较薄、面积大、焊缝数量多。因焊接应力和焊缝收缩的存在，焊接时易产生严重的焊接变形。通过制定合理的焊接工艺措施和对焊接过程进行有效控制，以达到控制焊接变形的目的。
一、焊接变形产生的机理
焊接变形的产生是因焊接工程中温度在构件上分布不均匀，造成高温区域冷却后产生的收缩量大，低温区域收缩量小，这种不等量的收缩导致构件形状改变。对具体结构而言，其最终的变形与焊缝的位置、数量、大小及焊缝收缩量有关。此外，构件内部由于焊接过程产生的内因力，也会影响构件焊后变形。另外，钢板波浪变形产生原因有两种，一种是钢板焊接时产生的上下相间的角变形而形成，另一种由于焊缝附近的拉应力及较远区域的压应力共同作用造成钢板失稳。因此，为控制焊接变形，一方面要增加构件的刚度或外界对构件的约束力，另一方面要降低焊接时温度场的分布不均匀，减少焊接变形。
二、变形的影响因素
1、焊缝截面积的影响。焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积，焊缝面积越大，冷却收缩引起的塑性变形量越大。焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势一致。因此在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。
2、焊接热输入的影响。一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大，不论对纵向、横向或角度变形都有增大的影响。
3、工件的预热、层间温度影响。预热温度和层间温度越高，相当于热输入增大，使冷却速度减慢，收缩变形增大。同理，如焊后立即实施消氢热处理，也会有同样的影响。
4、焊接方法的影响。各种焊接方法的热输入差别较大，在其他条件相同情况下，收缩变形值不同。在常用的几种焊接方法中，除电渣焊外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大；手工电弧焊热输入居中，收缩变形比埋弧焊小，CO2气体保护焊热输入最小，收缩变形相应也最小。
5、接头形式的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。其中角焊又有搭接接头、T形角焊接头、T形角焊和坡口对接焊的组合接头三种形式。在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方法等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。T形角焊接头和搭接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。T形接头由于焊缝横向收缩方向与接头的翼板面成45。，因此角变形较大，而且数值为翼板和腹板角变形之和。
6、焊接层数的影响。横向收缩：在对接接头多层焊时，第一道焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此收缩变形相对较小。纵向收缩：多层焊时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多。另外，多层焊时各层焊缝所产生的塑性变形区有相当大的部分相互重叠，其总塑变面积并未加大很多，而且前层焊缝焊成后，都对后层焊缝形成约束，因此多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。
三、钢板焊接变形控制措施
1、采用合理的焊接顺序。钢板焊接采用合理的焊接顺序,是为达到以下目的：一方面是要解决中幅板与罐壁板的大角焊缝焊接时的收缩对中幅板的整体影响。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆大角焊缝为双面角焊缝,焊脚尺寸较大,若焊接角焊缝时边缘板与中幅板相联,会使整个中幅板受周向压力,容易使罐底中幅板产生失稳变形,产生很大的拱起变形,严重影响储罐的施工质量。为解决此问题,采用如下组装焊接程序：先组装边缘板,再组装中幅板,中幅板边缘尺寸留100mm的余量,搭在边缘板上。焊接时先将中幅板焊在一起,焊接顺序是从中心向外将中幅板分成多个区块,焊接区块内焊缝,将区块联成一个大块,再将通长焊缝焊接,将整个中幅板焊在一起。通长焊缝焊接时由于焊缝长,焊缝收缩力较大,需保持焊缝能自由收缩,而且不影响整体结构,从而控制焊接变形。整个中幅板焊接中,焊接收缩量不受边缘板阻碍,焊接应力小。边缘板焊接时,先焊外部300ram～400ram,内部不焊,预留到边缘板与壁板的角焊缝焊接收缩后再焊。大角缝及边缘的焊缝全部焊完,将中幅板收缩后的放大部分切焊,组对中幅板与边缘板间的焊缝。最后进行此焊缝的焊接,焊缝收缩受到边缘板的强力阻碍,使整个中幅板受到拉伸作用,对整个中幅板来说起到降低焊接失稳波浪变形的作用。另一方面是为了尽可能的减少中幅板中产生的焊接应力。
2、采用合理的排版方式
1）采用带垫板的对接焊。在油罐的结构设计中，单从加大钢板的厚度来提高其刚度来控制焊接变形不可取。这样不但会增加油罐的材料成本，而且收益效果不大。相对钢板的直径来说，其厚度远远小于直径。因此，即使厚度增加较大，对油罐钢板的刚度影响也很小。目前使用较多的是：采用带垫板的对接焊，对钢板结构而言，相当于增加了加强筋，使油罐钢板的整体结构刚性增加，罐钢板的屈服点增加。在罐钢板出现局部失稳的可能性降低，是控制焊接变形的有效方法。
2）使用合理的坡口角度和坡口间隙。中幅板的坡口角度对焊后钢板变形的影响很大。在保证焊透工件的前提下，应尽可能减少坡口角度。因为中幅板的坡口角度越小，焊缝成型需要填充的金属数量少，焊接时需要的焊接热输入、焊接线能量低，也就意味着在相同焊缝长度下，其产生的焊后变形降低。另外，在便于施焊的前提下，适当增大中幅板的坡口间隙，将有利于减少焊后变形。焊接过程中，在焊接热输入作用下的中幅板金属发生膨胀，发生膨胀的中幅板金属间接触后，容易出现金属相互挤压而产生的变形，钢板坡口间隙适当增大。在焊接过程中，中幅板之间就不会因在焊接热输入下的金属膨胀而出现相互挤压，那么由于中幅板之间相互挤压而产生的变形就不会出现。同时，中幅板之间的坡口间隙适当增大，焊接完成后，焊缝金属中出现的拉应力会增大，焊缝金属中残余的拉应力越大，出现波浪变形的可能就越低。
3）采用合理的钢板排板形式。油罐钢板排板时，可采用条带型排板结构，可尽量减小长焊缝的数量；同时，设计时钢板一般选用规格较大的板材，可减少拼接焊缝的总量，由于焊缝纵向收缩量的大小与焊缝总长成正比，钢板拼接焊缝的总量减少，必然能有效减少焊缝的纵向收缩量；焊缝的纵向收缩量降低，产生的压应力的数值必然降低，不易达到钢板材料的屈服点，降低了波浪变形产生的可能。
3、采用不同焊接方法，控制焊接热输入，减少焊接次数和焊缝层数。在焊接过程中发现，一条焊缝焊接长度越短，焊后产生焊接变形的程度越小；焊接过程中加热次数越少，焊后产生焊接变形的程度越小。在施工中，基于减少焊缝加热次数，减少焊接变形，提高焊接速度的考虑，在中幅板焊缝的焊接过程中使用手工焊打底、埋弧焊填充、盖面焊接的工艺。具体过程为：手弧焊打底，中间填充碎丝，填充、盖面焊接使用埋弧焊一次完成。由于焊接过程中焊缝加热次数的降低，中幅板焊缝焊接完成后，焊接变形较小，完全满足工艺要求。
四、结语
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。同时，大型储罐底板面积大,包含焊缝数量多,焊缝较长,排布方式多样化,若施工措施不当,很容易引起变形；因而控制焊接变形的产生是保证整个储罐制作质量的重要环节。
参考文献：
[1]卞宗强.大型储罐钢板的焊接方法[J].齐鲁石油化,2014.
[2]王庆国.如何控制大型储罐钢板的焊接变形[J].广东化工，2015.
[3]蔡春明.大型储罐钢板焊接变形的成因与控制[J].科技咨询导报，2014.
论文作者:张铁强
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/10/1
标签：钢板论文; 纵向论文; 应力论文; 油罐论文; 边缘论文; 横向论文; 储罐论文; 《基层建设》2018年第24期论文;