储罐倒装法施工中焊接顺序对结构变形的影响

引言

在石油化工、能源储存等领域中，大型储罐是重要的储存设施，其储罐施工质量将直接影响储存的安全性和使用寿命。储罐倒装法由于具有施工安全性能好、速度快的特点而成为现今储罐安装常用的施工方法之一。焊接是储罐制作过程中不可缺少的工艺，不同的焊接顺序会影响储罐结构内部应力状态和变形情况。如果采用的焊接顺序不合理，可能会造成罐体椭圆度超高、局部塌陷、罐壁垂直度不符合要求等问题的发生，造成后续的返修费用增加，甚至会威胁储罐后续使用安全。目前储罐倒装法施工的焊接工艺研究工作主要集中在焊接材料和焊接设备的选择上，对焊接顺序和结构变形的关系方面研究较少。因此，研究储罐倒装法施工过程中的焊接顺序会对储罐结构变形产生怎样的影响？应该如何对焊接顺序进行有效的控制？这对于工程建设具有重要现实意义以及理论意义。

1 储罐倒装法概述

所谓储罐倒装法是从上往下安装的一种施工方法，与以往常用的正装法相反。具体施工过程是：首先安装好储罐顶层壁板以及罐顶之后，在场地地上用液压提升设备或者电动葫芦，把已经安装的上部结构全部提升起来，然后再下面一层壁板进行焊接安装，在完成了该层后进行提升，然后依次循环，直到该储罐制造完毕。储罐倒装法可以把高空作业变成地面作业，保证了施工的安全，与此同时还能节省下大量支模和拆模的时间，大幅度地提升了工作效率。但是在倒装的过程中存在许多困难，尤其在提升系统稳定、壁板组对精准度以及焊接质量等方面都存在较大的困难。焊接既是各部件之间的联结点，同时也是重要的加工环节，而对焊接顺序的设定也会因为会影响到储罐内部的受力情况，进而决定着储罐整体的成型与稳定性。

2 储罐倒装法施工中焊接顺序对结构变形的影响分析

2.1 环焊缝焊接顺序的影响

第一，当先焊内侧环焊缝后焊外侧环焊缝时，将导致内侧焊缝收缩后引起罐壁向内侧产生初成形。由于外侧焊缝尚未焊接完毕，在内侧收缩形变还未受到外界约束时，就已产生较大形变；对于大直径罐，形变更加明显，可能超过规定值，给罐内设备和罐盖等附件的安装留下隐患，也给罐体的封严也带来困难。

第二，采取内外侧环焊缝交替焊接顺序方式能减小单侧焊缝收缩产生的变形量，先焊完一段内侧焊缝后接着焊接对应的外侧焊缝，罐壁的两侧受力相对比较均衡，可以减少局部应力集中的现象。但是要保证交替焊的长度以及间隔时间，否则频率不正确可能会导致热输入叠加，使结构变形更加严重。

第三，沿圆周方向分段跳焊环焊缝，可以防止热量聚集过多；将环焊缝分几段，隔段施焊，使焊缝收缩产生应力均匀分布在不同位置上释放；采用分段跳焊方式要比连续焊接更少发生由于焊缝收缩而造成的储罐圆周方向变形，但是具体的分段和焊接顺序必须根据储罐的直径、壁厚等数据来具体确定。

2.2 纵焊缝焊接顺序的影响

第一，如果是从一端向另一端一次性连续焊接整个纵焊缝，会造成储罐壁板沿长度方向的焊缝收缩无处发泄，产生很大的纵向拉应力，造成储罐壁板形成鼓状变形甚至焊缝开裂；尤其是薄壁储罐，这种变形更加严重，严重影响储罐的外观质量和结构强度。

第二，采用对称分段焊接纵焊缝，即以储罐中心线为对称轴，从中间向两端对称施焊。利用焊缝收缩应力相互抵消的作用减小壁板焊接时产生的纵向变形；由于对称焊接，故罐壁两侧受力均匀，能够维持储罐的垂直度，防止出现受力过大而造成储罐向一侧歪斜。

第三，多层多道焊接纵焊缝时，由于层间的焊接顺序不同，对变形的影响也不同。如相邻两层都按同一方向焊接，则每一层都会将前面一层的热量叠加起来，导致局部过热。因此，要求每层焊缝都要按照交替变换焊接方向的方法施焊，并且要尽量保持层间温度，使焊缝的收缩力相互平衡，防止壁板产生过大的局部变形。

2.3 附件焊接顺序的影响

第一，储罐附件(接管、加强圈等)焊接前，若集中焊一侧的附件，则该侧会产生较大的局部应力，容易使罐壁局部出现凹陷或变形。若焊接接管时不对称，则会使接管周围的罐体局部受力不均匀，影响储罐的密封性能和储罐罐体的结构完好性。

第二，附件焊接完后再焊接主体焊缝会造成主体焊缝的收缩对附件焊接有附加应力的作用，在一定程度上会引起附件焊缝开裂；如果先焊接主体焊缝，后焊接附件，就可减小应力干扰，保证其稳定。

第三，在某些区域有较多附件时采用分散跳焊的办法防止该处热量集中。按照一定的焊接顺序，在保证节点连接强度的同时尽可能避免主要构件的变形。先焊接主次结构与刚度影响比较大的部分，再焊接其他小附件，逐步提高结构刚度，控制附件焊接造成的局部变形。

3 储罐倒装法施工中焊接顺序对结构变形影响控制

3.1 优化焊接顺序策略

第一，对于环焊缝，优先采用内外侧交替、分段跳焊相结合的方式。根据储罐直径，将环焊缝划分为 8 - 12 个分段，内外侧交替焊接时，每段焊接长度控制在 300 -500mm ，待焊缝冷却至室温后，再进行下一段焊接，平衡两侧收缩应力，有效控制椭圆度。第二，纵焊缝焊接采用对称分段退焊法，以储罐中心线为基准，由中间向两端对称施焊，每段长度 200-300mm ，后一段焊缝覆盖前一段焊缝的 1/3 - 1/2，减少纵向应力累积，降低壁板波浪形变形风险。第三，附件焊接遵循 “先主后次、对称分散” 原则。先焊接对结构刚性影响大的加强圈等主要附件，且采用对称跳焊；再焊接接管等次要附件，避免因附件焊接顺序不当引发局部变形 。

3.2 调控焊接工艺参数

第一，控制好焊接电流、电压和焊接速度，在保证焊缝熔合的前提下，尽量采用小电流、低电压、快速焊，以减少热输入量。例如：对于 8mm 壁厚的储罐壁板，其焊接电流可控制在 120—150A 之间，电压控制在 22—24V 之间，焊接速度应控制在25—30cm/min 范围内，尽量降低焊缝热影响区宽度，减少变形量。第二，优化多层多道焊的层道参数，单层厚度不超过 3～4mm ,层间温度不高于 150^∘C ，不同的焊层采用不同的焊接顺序和方向，减少热输入与收縮应力叠加，以防止变形过大。第三，选用适宜的焊接方式，尽可能采用气体保护焊（如：气保）等热输入量小、变形少的焊接方法代替手工电弧焊。使用气保焊相对于手弧焊其电弧热量集中、熔池保护效果好，能有效减小焊件的焊接变形并提高生产效率。

3.3 加强刚性固定措施

第一，在储罐壁板组对中采用临时支撑和刚性固定装置，在罐壁圆周方向间隔 2～ 3 米设一三角支撑，在壁板内侧安装型钢支撑框架，限制壁板焊接过程中的变形自由度，提高壁板结构刚度。第二，借助储罐本身的刚度约束；在焊接环焊缝前，通过临时螺栓将上层已安装壁板和下层待焊壁板连接在一起形成一个整体受力结构，防止焊缝收缩产生的变形。第三，在焊接附件之前，在焊接面相应位置上安装局部加强板，以增大附件焊接处的刚度；待焊缝冷却至常温后取下加强板，避免因刚性不足而出现的局部变形。

4 结语

储罐倒装法施工焊接顺序对焊接结构变形影响极大，如环焊缝、纵焊缝和附件焊接顺序不同，会使应力分布和热输入发生改变，从而产生椭圆度过大、波浪形变形或局部凹陷等缺陷；为减少焊接过程产生的变形，可通过优化焊接顺序的方法实现，比如外边先焊环焊缝后焊纵焊缝的分段环焊缝交叉对称型焊接方式、对称分段倒退式焊接、降低焊速等；另外还可采取增加工件刚性固定约束、减小焊接变形自由度的方法，也可有效控制焊接变形。

参考文献

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