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[摘要]50000m3双盘浮顶油罐底板焊接质量及变形控制是保证储罐整体施工质量的关键环节，采用合理的焊接工艺和方法，可有效地避免应力集中，提高施工焊接质量，确保储罐投入使用后的安全运行。以冀东油田4座50000m3双盘浮顶油罐施工为例，对如何控制大型储罐底板焊接变形做了经验性介绍和总结，实践证明效果良好。
[关键词]储罐底板 焊接 变形 控制 方法
中图分类号：TE3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）0510043－03
一、前言
50000m3双盘浮顶油罐内径60m，底板采用带垫板对接接头形式，其罐底周边一般采用弓形边缘板。焊接是储罐建造的主要工序，底板焊接质量的好坏，很大程度上决定了储罐的整体质量和使用寿命。在实际施工过程中，由于储罐底板面积大且焊道多，很容易导致应力集中和焊接变形，因此如何确定合理的焊接方法、焊接顺序、焊接工艺以及有效的防变形措施就显得尤为重要。2006年底开工建设的冀东油田老爷庙原油储备库工程，共建设4座50000m3双盘式浮顶油罐，其主要设计参数见表1。
二、50000m3双盘浮顶油罐底板焊接变形的控制
（一）确定合理的排版方式
罐底由多块薄钢板拼装而成,通常有条形排版方式、丁字形排版方式、人字形排版方式,不同的排版方式一般采用不同的焊接方法。由于采用丁字形排版方法,焊接应力在整个底板分布较为均匀，底板变形相对较小，且只要中心板定位、划线后,就可以由中间向两侧铺设,方法简单,容易形成流水施工作业面,铺设效率高，所以大型原油储罐设计时通常采用丁字形排版方式,见图1。图1中中幅板的焊接范围线到龟甲缝的距离为500mm左右，之所以留此部分不焊，是为了便于中幅板龟甲缝焊接前的切割组对。
（二）施工顺序
合理的施工顺序对于储罐底板的焊接质量和变形控制十分重要，根据以往的施工经验，储罐底板施工流程如图2所示：
（三）储罐底板的焊接原则
在罐底板的焊接过程中，应始终遵循以下焊接原则：先焊中幅长板，后焊边缘小板；先焊短焊缝，后焊中长焊缝，再焊通长焊缝（具体内容在中幅板焊接中将详细介绍）。初层焊道应采用分段退焊或跳焊法。焊接时应由中心向四周对称焊接，焊工均匀分布，等速、等参数同步焊接。
（四）弓形边缘板焊接防变形控制
（1）油罐底部边缘板通常采用带垫板的对接接头，如图3所示；宜采用不等间隙组对，外侧间隙e1宜为6-7mm，内侧间隙e2宜为812mm，如图4所示，以便在先焊外侧300mm的过程中，由于焊缝的热收缩使间隙归于一致，保证焊后边缘板的平整度，防止出现局部突起。
（2）边板外300mm焊接要领及防变形措施
在铺设边板时,只进行一侧的点焊，给边板焊接前留出收缩量；点焊时保证对接的两边缘板与垫板紧密接触,防止污物、水分等进入影响焊接质量。焊接时,弓形边缘板由多名焊工对称分布,每名焊工采用手工电弧焊按照隔缝跳焊法依顺时针或逆时针在各自的起点上同时开始焊接,并且焊接速度要保持一致。焊接时先焊外侧300mm范围，采用多层焊道，每层接头要错开50-70mm,并应设置龙门板加固(见图5-1)；为防止角变形，边缘板采用反变形措施，如图5-2所示，在对接接头处采用楔铁将外侧垫起10-20mm,反变形角度约为5°-7°,可预防边缘板焊接时产生的角变形。余下的焊缝在大角缝焊接后、收缩缝焊接前进行焊接。
（五）中幅板的焊接
大型储罐底板焊缝通常采用对接接头（带垫板全熔透焊接接头）。坡口形式及间隙尺寸见图6。
（1）焊接方法选择
由于自动焊的热输入较大，导致焊缝收缩量大，变形不易控制，而且自动焊直接焊接时容易烧穿垫板，因此，第一遍采用手工焊打底，分段退步焊接，可以防止自动焊烧穿垫板，减少焊接变形；第二遍采用碎丝填充埋弧自动焊填充盖面，埋弧自动焊前，要清除坡口内所有焊接缺陷及其它杂物，然后填充专用碎焊丝，其厚度与坡口相平，最后采用埋弧自动焊机一次焊接成型。焊接时应注意焊丝的对准位置，随时调整，不能焊偏，否则易产生夹渣等缺陷。其特点是焊接熔敷速度快，焊接变形小，如图7所示。自动焊机可采用MZC-1205Ⅱ型埋弧碎丝自动焊机。焊接参数见表2：
（2）确定合理的焊接顺序
按照自由收缩法，采用合理的焊接顺序，可以进一步控制焊接变形，如图8所示（以通长焊缝为界，将整个底板分为A、B、C三个区域，箭头代表焊接方向，数字1-代表焊接先后顺序）。
（3）其焊接顺序及要领为：
1. 先焊接中幅板短焊缝(图8所示A区序1、2焊道)。短焊缝初层焊道焊接时采用分段退焊，并且从中心向两端实行跳焊方法，隔一道焊一道，施焊时要求偶数名焊工同步对称施焊。
2.再焊接中幅板中长焊缝(图8所示B区序3、4焊道)。中长焊缝初层焊道焊接时采用分段退焊，并且从中心向两端实行跳焊方法，隔一道焊一道，每焊接四、五道中长焊缝后要留出一道收缩缝不组对不点焊，利于焊道充分收缩，减少变形，此步对于控制中幅板焊接变形非常重要。最后焊接收缩缝时，由于收缩不均可能引起焊道对口间隙发生变化，可采用图9方法调节收缩缝对口间隙。
3.最后焊接中幅板通长焊缝（图8所示序5、6、7、8、9焊道）。短焊缝与中长焊缝焊接完后，进行中幅板通长缝的焊接时，以中幅板通长缝的中心为界，将通长缝分为两段对称进行焊接，这样可以抵消焊接过程中产生的焊接应力，最终达到控制焊接变形的目的。初层焊时采用偶数名焊工均布分段退焊的方法。
4.C区的焊缝与边缘板相连，焊接方法及顺序同B区焊缝，只是该区焊缝长度应在图1所示的中幅板焊接范围线以内，余下部分按图2的顺序进行焊接。
5.所有纵焊缝（图8中的序1、2、3、4焊道）与通长焊缝T型对接的丁字缝，都必须预留200mm左右的“预留收缩缝”，并在焊缝端头两侧使用刚性限位卡具控制变形，根层和面层最好均采用手工焊以减少受热变形。
（六）大角缝焊接
大角缝是储罐受力集中和受力较复杂的部位，T型接头的罐内角焊缝的起裂点常发生在罐底边缘板一侧的焊趾部位，故大角缝在焊接时除了要控制焊接变形外还要严格焊接质量。大角缝焊接采用手工电弧焊打底，埋弧自动焊埋盖面的焊接工艺。焊接工艺参数如下：
（1）防变形措施
大角缝焊接前用斜支撑（[10或∠75）与罐壁和边板焊牢，防止变形。如下图所示，上端与壁板焊接处要高于整张壁板高度的1/2，下端与边板焊接处要尽量靠近边板边缘，不宜焊在中幅板上。
（2）焊接要领
焊接前将焊道清理干净，用角磨机除锈后，用氧乙炔火焰将湿气烤除，然后再开始焊接，且打底焊必须采用手工焊。
大角缝初层焊接采用间断焊的方法焊接，焊工依周向均匀分布沿同一方向焊接，首先焊接内侧焊缝，手工打底后开始盖面，埋弧自动焊机成型两遍后停止对内侧焊缝的焊接，接着手工打底外侧初层焊接，直至埋弧自动焊将外侧焊缝的焊接完毕（焊角高度达到设计要求），然后再焊接内侧焊缝。
（3）焊道外观处理
按设计尺寸和技术要求进行处理，最终处理后有下列两种焊缝截面。大角缝内侧焊道表面呈内凹形，圆滑过渡，以减少应力集中。
（七）边板与中幅板焊接
罐底龟甲缝的焊接工艺同于中幅板的焊接，坡口形式如图12所示。
之所以把龟甲缝焊接作为底板焊接的最后一道工序，是因为利用焊接龟甲缝时产生的横向收缩可以消除焊接中幅板时产生的变形，因此，在大角缝内外焊道焊完前不可点焊，应使其处于自由状态。焊接时，焊工沿圆周均匀分布，隔缝对称沿同一方向速度保持一致焊接。初层焊道采用分段退焊法。
三、结语
当然，除上述影响储罐底板焊接变形的因素外，还有其他一些因素也不能忽视，例如储罐用钢板的预制精度是减小储罐底板焊接变形的基础条件，所以板材在预制时，一定要保证各边及对角线之差的误差范围满足GB50128-2005《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》相关条例的要求，同时还要保证坡口角度、底板的直线度、组装精度等也要符合规范和图纸要求，这里不做详细介绍。
储罐底板的变形虽然不能避免，但通过选择合理的焊接工艺和焊接方法以及防变形措施，可以有效地控制底板的焊接变形，老爷庙原油储备库工程4台50000 m3储罐底板焊接完后，只有个别最大局部凹凸变形为45mm，其他均小于25mm，满足GB50128-2005《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》及设计图纸要求，为今后类似大型储罐底板施工提供了较好的借鉴经验。
参考文献：
[1]GB50128-2005 立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范.
[2]徐至钧、燕一鸣主编。大型立式圆柱形储液罐制造与安装。北京：中国石化出版社，2003.
[3]蓝恭明、曹怀俊，立式油罐罐底多焊工等速焊接法。煤矿机械，2000.
[04]曾乐、周敏惠、徐域栋等。现代焊接技术手册。上海科学技术出版社，1993.
作者简介：
李国民，2005年毕业于长江大学材料成型及控制工程专业，获学士学位。现在冀东油田勘探开发工程监督中心从事基建工程监督工作，助理工程师。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
[关键词]储罐底板 焊接 变形 控制 方法
中图分类号：TE3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）0510043－03
一、前言
50000m3双盘浮顶油罐内径60m，底板采用带垫板对接接头形式，其罐底周边一般采用弓形边缘板。焊接是储罐建造的主要工序，底板焊接质量的好坏，很大程度上决定了储罐的整体质量和使用寿命。在实际施工过程中，由于储罐底板面积大且焊道多，很容易导致应力集中和焊接变形，因此如何确定合理的焊接方法、焊接顺序、焊接工艺以及有效的防变形措施就显得尤为重要。2006年底开工建设的冀东油田老爷庙原油储备库工程，共建设4座50000m3双盘式浮顶油罐，其主要设计参数见表1。
二、50000m3双盘浮顶油罐底板焊接变形的控制
（一）确定合理的排版方式
罐底由多块薄钢板拼装而成,通常有条形排版方式、丁字形排版方式、人字形排版方式,不同的排版方式一般采用不同的焊接方法。由于采用丁字形排版方法,焊接应力在整个底板分布较为均匀，底板变形相对较小，且只要中心板定位、划线后,就可以由中间向两侧铺设,方法简单,容易形成流水施工作业面,铺设效率高，所以大型原油储罐设计时通常采用丁字形排版方式,见图1。图1中中幅板的焊接范围线到龟甲缝的距离为500mm左右，之所以留此部分不焊，是为了便于中幅板龟甲缝焊接前的切割组对。
（二）施工顺序
合理的施工顺序对于储罐底板的焊接质量和变形控制十分重要，根据以往的施工经验，储罐底板施工流程如图2所示：
（三）储罐底板的焊接原则
在罐底板的焊接过程中，应始终遵循以下焊接原则：先焊中幅长板，后焊边缘小板；先焊短焊缝，后焊中长焊缝，再焊通长焊缝（具体内容在中幅板焊接中将详细介绍）。初层焊道应采用分段退焊或跳焊法。焊接时应由中心向四周对称焊接，焊工均匀分布，等速、等参数同步焊接。
（四）弓形边缘板焊接防变形控制
（1）油罐底部边缘板通常采用带垫板的对接接头，如图3所示；宜采用不等间隙组对，外侧间隙e1宜为6-7mm，内侧间隙e2宜为812mm，如图4所示，以便在先焊外侧300mm的过程中，由于焊缝的热收缩使间隙归于一致，保证焊后边缘板的平整度，防止出现局部突起。
（2）边板外300mm焊接要领及防变形措施
在铺设边板时,只进行一侧的点焊，给边板焊接前留出收缩量；点焊时保证对接的两边缘板与垫板紧密接触,防止污物、水分等进入影响焊接质量。焊接时,弓形边缘板由多名焊工对称分布,每名焊工采用手工电弧焊按照隔缝跳焊法依顺时针或逆时针在各自的起点上同时开始焊接,并且焊接速度要保持一致。焊接时先焊外侧300mm范围，采用多层焊道，每层接头要错开50-70mm,并应设置龙门板加固(见图5-1)；为防止角变形，边缘板采用反变形措施，如图5-2所示，在对接接头处采用楔铁将外侧垫起10-20mm,反变形角度约为5°-7°,可预防边缘板焊接时产生的角变形。余下的焊缝在大角缝焊接后、收缩缝焊接前进行焊接。
（五）中幅板的焊接
大型储罐底板焊缝通常采用对接接头（带垫板全熔透焊接接头）。坡口形式及间隙尺寸见图6。
（1）焊接方法选择
由于自动焊的热输入较大，导致焊缝收缩量大，变形不易控制，而且自动焊直接焊接时容易烧穿垫板，因此，第一遍采用手工焊打底，分段退步焊接，可以防止自动焊烧穿垫板，减少焊接变形；第二遍采用碎丝填充埋弧自动焊填充盖面，埋弧自动焊前，要清除坡口内所有焊接缺陷及其它杂物，然后填充专用碎焊丝，其厚度与坡口相平，最后采用埋弧自动焊机一次焊接成型。焊接时应注意焊丝的对准位置，随时调整，不能焊偏，否则易产生夹渣等缺陷。其特点是焊接熔敷速度快，焊接变形小，如图7所示。自动焊机可采用MZC-1205Ⅱ型埋弧碎丝自动焊机。焊接参数见表2：
（2）确定合理的焊接顺序
按照自由收缩法，采用合理的焊接顺序，可以进一步控制焊接变形，如图8所示（以通长焊缝为界，将整个底板分为A、B、C三个区域，箭头代表焊接方向，数字1-代表焊接先后顺序）。
（3）其焊接顺序及要领为：
1. 先焊接中幅板短焊缝(图8所示A区序1、2焊道)。短焊缝初层焊道焊接时采用分段退焊，并且从中心向两端实行跳焊方法，隔一道焊一道，施焊时要求偶数名焊工同步对称施焊。
2.再焊接中幅板中长焊缝(图8所示B区序3、4焊道)。中长焊缝初层焊道焊接时采用分段退焊，并且从中心向两端实行跳焊方法，隔一道焊一道，每焊接四、五道中长焊缝后要留出一道收缩缝不组对不点焊，利于焊道充分收缩，减少变形，此步对于控制中幅板焊接变形非常重要。最后焊接收缩缝时，由于收缩不均可能引起焊道对口间隙发生变化，可采用图9方法调节收缩缝对口间隙。
3.最后焊接中幅板通长焊缝（图8所示序5、6、7、8、9焊道）。短焊缝与中长焊缝焊接完后，进行中幅板通长缝的焊接时，以中幅板通长缝的中心为界，将通长缝分为两段对称进行焊接，这样可以抵消焊接过程中产生的焊接应力，最终达到控制焊接变形的目的。初层焊时采用偶数名焊工均布分段退焊的方法。
4.C区的焊缝与边缘板相连，焊接方法及顺序同B区焊缝，只是该区焊缝长度应在图1所示的中幅板焊接范围线以内，余下部分按图2的顺序进行焊接。
5.所有纵焊缝（图8中的序1、2、3、4焊道）与通长焊缝T型对接的丁字缝，都必须预留200mm左右的“预留收缩缝”，并在焊缝端头两侧使用刚性限位卡具控制变形，根层和面层最好均采用手工焊以减少受热变形。
（六）大角缝焊接
大角缝是储罐受力集中和受力较复杂的部位，T型接头的罐内角焊缝的起裂点常发生在罐底边缘板一侧的焊趾部位，故大角缝在焊接时除了要控制焊接变形外还要严格焊接质量。大角缝焊接采用手工电弧焊打底，埋弧自动焊埋盖面的焊接工艺。焊接工艺参数如下：
（1）防变形措施
大角缝焊接前用斜支撑（[10或∠75）与罐壁和边板焊牢，防止变形。如下图所示，上端与壁板焊接处要高于整张壁板高度的1/2，下端与边板焊接处要尽量靠近边板边缘，不宜焊在中幅板上。
（2）焊接要领
焊接前将焊道清理干净，用角磨机除锈后，用氧乙炔火焰将湿气烤除，然后再开始焊接，且打底焊必须采用手工焊。
大角缝初层焊接采用间断焊的方法焊接，焊工依周向均匀分布沿同一方向焊接，首先焊接内侧焊缝，手工打底后开始盖面，埋弧自动焊机成型两遍后停止对内侧焊缝的焊接，接着手工打底外侧初层焊接，直至埋弧自动焊将外侧焊缝的焊接完毕（焊角高度达到设计要求），然后再焊接内侧焊缝。
（3）焊道外观处理
按设计尺寸和技术要求进行处理，最终处理后有下列两种焊缝截面。大角缝内侧焊道表面呈内凹形，圆滑过渡，以减少应力集中。
（七）边板与中幅板焊接
罐底龟甲缝的焊接工艺同于中幅板的焊接，坡口形式如图12所示。
之所以把龟甲缝焊接作为底板焊接的最后一道工序，是因为利用焊接龟甲缝时产生的横向收缩可以消除焊接中幅板时产生的变形，因此，在大角缝内外焊道焊完前不可点焊，应使其处于自由状态。焊接时，焊工沿圆周均匀分布，隔缝对称沿同一方向速度保持一致焊接。初层焊道采用分段退焊法。
三、结语
当然，除上述影响储罐底板焊接变形的因素外，还有其他一些因素也不能忽视，例如储罐用钢板的预制精度是减小储罐底板焊接变形的基础条件，所以板材在预制时，一定要保证各边及对角线之差的误差范围满足GB50128-2005《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》相关条例的要求，同时还要保证坡口角度、底板的直线度、组装精度等也要符合规范和图纸要求，这里不做详细介绍。
储罐底板的变形虽然不能避免，但通过选择合理的焊接工艺和焊接方法以及防变形措施，可以有效地控制底板的焊接变形，老爷庙原油储备库工程4台50000 m3储罐底板焊接完后，只有个别最大局部凹凸变形为45mm，其他均小于25mm，满足GB50128-2005《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》及设计图纸要求，为今后类似大型储罐底板施工提供了较好的借鉴经验。
参考文献：
[1]GB50128-2005 立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范.
[2]徐至钧、燕一鸣主编。大型立式圆柱形储液罐制造与安装。北京：中国石化出版社，2003.
[3]蓝恭明、曹怀俊，立式油罐罐底多焊工等速焊接法。煤矿机械，2000.
[04]曾乐、周敏惠、徐域栋等。现代焊接技术手册。上海科学技术出版社，1993.
作者简介：
李国民，2005年毕业于长江大学材料成型及控制工程专业，获学士学位。现在冀东油田勘探开发工程监督中心从事基建工程监督工作，助理工程师。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”