大庆油田装备制造集团容器制造分公司真空加热炉制造厂 黑龙江大庆 163300
摘要：本文重点阐述油罐边缘板与罐壁整体的应力问题，避免了将两者分开而忽视下节点与罐壁变截面而互为影响的缺点。并对结合点附近边缘应力的受力措施进行了分析及解决方法。
关键词：储油罐；应力分析；加固方法；边缘应力；铆焊工艺；安全
在常规的应力计算时，通常将罐壁与罐底的结合处及各层的层壁进行单独计算，实际上边缘和整个罐壁是一个不可分割室外完整的受力体，因此本文对油罐静水试压及正常装油时的应力作为一个整体进行计算。
一、储油罐应力分析的必要性
我们常见的油罐一般为钢板拼接组合焊接而成的回转壳体，这种类型的罐体在罐壁与罐底之间存在着边缘应力的分布。罐壁在受到罐球顶自重及罐内所装油料的液体压力时，在其径向将发生向外凸出的弹性变形。这时油罐底板与罐壁的焊接处将产生拉力的束缚，阻止罐壁向其径向发生形变。这样罐壁与罐底之间的焊缝处就产生了较大的边缘应力。长时间受到此种力的影响，罐底板与罐壁会产生一定程度的形变，比如底板边缘会有隆起上翘、罐底中心位置下沉、罐壁的径向形变等。边缘压力的存在，还对罐壁与罐底板的防腐维护也产生一定的影响。据现场勘察，在罐底与罐壁相连接处，受腐蚀的程度远大于其他部位，会有大量的坑洼，甚至更有被腐蚀而出现泄漏现象。这是由于焊缝等连接处边缘应力的存在，使罐壁与罐底防腐蚀材料的表面受力发生改变，在放大镜下观察会发现涂层表面产生细微的龟裂，储油罐在长时间存放油料后，罐底沉淀的一些残留物质，如：饱和油状态下的铁锈水溶液，含有碳酸根离子、级化物、硫化物、氰化物、磺酸盐等溶液，会在边缘应力的作用下，加速对龟裂处罐体材料的腐蚀速度。通过对比发现，腐蚀速度较快的地方，往往这些地方的应力相对集中，应力相对小的地方反而不会出现此种情况。因此，某种应力的产生会对罐体的使用及抗腐蚀性产生一定的影响。由此可见，努力改变罐体底部与壁连接处产生的应力的受力位置，可以降低罐内残留物质对罐材料的腐蚀程度，增加罐的使用寿命。
二、焊接应力的种类及变形的种类与控制方法
由于材料的热物理性和力学性能的特点，在焊接过程中，材料在焊接温度场的作用下将产生焊接变形和焊接应力，影响了焊接结构质量。因此，控制焊接变形是必不可少的。
焊接应力的分类
（一）按应力形成的原因分类
按应力形成的原因，焊接应力可分为热应力和组织应力
（1）热应力 是指焊接过程中，焊件内部由于温度差异，所引起的应力，又称温度应力。
（2）组织应力 是指焊接过程中，由于局部金属组织转变引起的一定的体积变化，这种体积变化受阻时所产生的应力。
（二）按应力的作用方向分类
按应力的作用方向，焊接应力可分为线应力、平面应力和体积应力。
（1）线应力 是指焊接薄板的对接焊缝或在焊件表面堆焊时，在焊件上只沿其一个方向产生的焊接应力，又称单向应力。
（2）平面应力 是指焊接较厚板的对接焊缝时，在焊件中一个平面的不同方向上产生的焊接应力，又称双向应力。
（3）体积应力 是指焊接厚大焊件的对接焊缝时，在焊件中沿空间三维方向上所产生的焊接应力，又称三向应力。
（三）按应力的作用时间分类
按应力的作用时间，焊接应力可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。
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焊接瞬时应力 是指在焊接过程中，在某一瞬时的应力，它随着时间而变化。
（四）按应力与焊缝的相对位置分类
按应力与焊缝的相对位置，焊接应力可分为纵向应力和横向应力。
焊接变形的种类及控制方法
（五）焊接变形的种类
焊接变形主要有线收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等。
1、线收缩变形 主要是指由焊缝纵向和横向收缩引起结构尺寸的相应缩短。它包括纵向收缩和横向收缩变形。
2、角变形 角变形主要产生在板的对接街头及T形接头中。角变形的大小与焊接工艺参数、接头形式、坡口角度等有关。
3、弯曲变形 主要是由于构件上的焊缝布置不对称或焊件断面形状不对称，焊缝收缩引起的变形。
4、波浪变形 容易在薄板焊接结构中产生。
5、扭曲变形 产生的原因很多，主要有装配不良、施焊顺序不合理、焊缝纵横向收缩不均匀所引起。
（六）焊接变形的控制方法
1、设计措施
（1）选用合适的焊缝尺寸 焊缝尺寸的大小直接关系到焊接工作量和焊接变形。
（2）尽可能减少焊缝数量 在保证结构强度的前提下，要尽量减少焊缝的数量。
（3）合理安排焊缝的位置 焊缝布置要尽量对称于截面中性轴或者接近中性轴，这样可减小构件的弯曲变形。
2、工艺措施
（1）反变形法 估计好结构变形的大小和方向，然后在装配时制造一个与焊接变形方向相反的变形，使之相互抵销，保证结构设计要求。
（2）刚性固定法 采用强制手段加强结构的刚性，以减小焊接变形。
（3）选择合理的装焊顺序 合理的装焊顺序可有效地减少焊接变形。
（4）适当变换焊接顺序 通过改变焊缝的焊接顺序，将焊接时施加给焊件的热量散发掉，从而控制焊接变形。包括对称法、跳焊法、分断退焊法。
（5）散热法 采用适当工艺使焊接处的热量迅速散发出去，缩小焊缝热影响区的尺寸，从而减小焊接残余变形。
（6）锤击法 在多层多道焊及塑性好的焊接材料差的母材时，多采用此方法。
（7）选择合理的焊接方法和工艺参数 对易产生较大焊接变形的结构，采用能量比较集中的焊接方法。
（8）综合法 实际工作中，往往采用几种控制焊接变形的方法同时使用，以获得良好的控制效果。
三、储油罐的加固方法
工作场所对于动火作业类的施工要求比较严格，若在装有成品油料的罐体上进行焊接作业，极易发生危险事故。特别是在洞库，半地下覆土油库等通风条件较差的场所，严禁采用电焊等带有明火及产生高温的加固工艺进行紧固件的连接。为解决施工过程中的难题，通过研究分析总结，施工可采用以下操作流程：
在罐壁与罐底板连接处进行测量，划线，做好焊接标记。对拟加固位置表面涂层进行处理，保护加固位置的涂层免遭破坏。加固件采用抗油、抗腐蚀材料制作，制作成型后在罐体周围进行粘结安装。对加固件进行维护保养，做防腐处理。通过实验及实践证明，在外侧连接处使用角钢加固效果较好。我们在连接处设置160mm×160mm×10mm Q235等边角钢。这样可以降低罐壁及其底部由于应力作用和残留物质对边缘材料的腐蚀程度。在加固角钢以后罐壁的边缘应力加大，但是它的受力点上移，不会催化残留物质对罐底腐蚀的速度，达到想要的效果。这种方法可以防止残留物对罐体的腐蚀程度，可以更好地控制边缘力对腐蚀的催化作用。
四、结束语
由于储油罐储存田间的特殊性，尤其是燃料对罐材料有一定的腐蚀性，再加上罐壁与罐底的节点处存在边缘应力，为了解决这两者对罐体的破坏，我们将其节点处进行加工处理，使其达到降低应力和防止残留物与节点接触的目的。这样即可以增加罐体的使用寿命又可以减少对罐体的维护周期，从而达到减少维护费用的目的。
论文作者:浦江
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/21
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