大型储罐罐底板焊接变形控制

大型储罐罐底板焊接变形控制

摘要：在大型储罐施工中，罐底板在焊接作业时易产生的焊接应力与焊接变形，直接影响焊接接头的承载能力，降低焊接接头的疲劳强度，甚至会引发裂纹，往

往是造成油罐罐底泄漏的重要因素之一。本文根据以往施工经验，并结合焊接应

力和焊接变形的基本规律和影响因素，提出防范措施，对控制焊接应力、提高焊

接结构性能具有重要意义。

关键词：大型储罐；罐底板；焊接应力；焊接变形

引言

近几年中国经济快速发展，成品油使用量不断增大，大型油罐制造安装行业

发展突飞猛进，焊接作为制造安装行业的支柱，有着不可代替的地位。但焊接缺

陷和焊接应力等问题严重影响焊缝使用寿命，此类问题继续解决。

一.焊接应力分析

焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形是产生焊接应力和变

形的根本原因。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变

形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力

和变形。焊接残余应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观，因此是制

造中必须考虑的问题。

1.焊接应力分类

1.1纵向应力σx

焊缝方向的应力称为纵向应力。对于两张平板焊接：纵向应力分布的基本规

律是焊缝及其附近处为拉应力，两侧为压应力。在长焊缝中两端部的纵向应力分

布与中部有区别，两端为过渡区，端点纵向应力最小，；中部为稳定区，纵向应

力最大。短焊缝中间稳定区将减小，或不出现。即焊缝越短，纵向应力影响越小。

1.2横向应力σy

垂直于焊缝方向的应力称为横向应力。横向应力分布情况比较复杂，产生其

直接原因是焊缝冷却的横向收缩，间接原因是焊缝的纵向收缩。

对于两张平板焊接：焊缝的纵向收缩引起的横向应力σy＇：对于自由状态下

的平板焊接的横向应力，主要起因于受约束的纵向收缩如图1-1（a）所示。如果

焊缝没有横向约束，两块板冷却时发生纵向收缩，两块板产生向外侧的弯曲变形

如图1-1（b）所示，其横向应力σy＇如图1-1（c）所示。其焊缝两端的压应力比焊缝中间的拉应力大的多，因此焊缝两端的疲劳强度更薄弱。

图1-1 纵向收缩引起的横向应力σy＇

焊缝的横向收缩引起的横向应力σy〞：由于焊缝中部不同部位的冷却不同步，最后冷却的焊缝总是产生拉应力，先冷却的焊缝总是产生压应力。如图1-2所示，由中心向两端施焊和有两端向中心施焊，其横向应力σy〞分布完全不同。

由于焊缝纵向收缩和横向收缩是同时存在的，两种横向应力σy＇和σy〞也是

同时存在。而平板焊缝由中心向两端施焊产生的两种横向应力互相削减，甚至可

以抵消。

2.焊接应力消除和变形控制措施

2.1合理排板

（1）考虑到焊接收缩余量，底板的排板直径应按设计直径放大0.1%-0.15%，

中幅板应有中心线向四周对称排列，中幅板的搭接接头搭接宽度不小于25mm，

中幅板和边缘板的搭接接头不小于60mm。（2）尽量减少焊缝的数量和焊缝的尺寸。过多的焊缝会造成焊缝应力叠加，变形量增大。中幅板尺寸宜大不宜小，宽

度不应小于1000mm，长度不应小于2000mm。环形边缘板沿罐底半径方向的最

小尺寸不应小于700mm。（3）避免焊缝过度集中，焊缝应保持足够距离。焊缝

过分集中不仅使应力分布更不均匀，而且可能出现双向或三向复杂的应力状态。

临近的T字焊缝接头不应小于700mm。

2.2合理的焊接顺序和方向

（1）中幅板焊接时，先焊短焊缝，后焊长焊缝，初道焊道宜采用分段退焊和跳焊法，每段距离为400mm，目的是让前面的焊缝冷却到一定温度以下，使焊缝的附近的金属始终处于“冷态”中，可以减少焊接应力。同一道焊缝由两名焊工同

时施焊，从中心向两端施焊。

（2）环形边缘板焊接：

①完成外缘至少300mm的焊缝；

②完成罐底和罐壁之间的角焊缝，宜先焊罐内侧角焊缝，后焊罐外侧角焊缝；

③完成剩余边缘板对接焊缝；

④完成边缘板和中幅板间的收缩焊缝。

2.3焊接方法的选择

由于焊接过程，焊道收缩量必然存在，而焊道收缩量的大小直接影响焊接应

力和变形量。经过多次实践经验发现，CO2保护焊工艺焊缝截面积小，焊接线能

量小，焊接速度快等优点，对焊接变形量的影响要远小于手工电弧焊。通过表1-

1焊道收缩量系数k，可知，CO2保护焊的焊道收缩量也小的多。CO2保护焊的焊接工艺参数见表1-2。

2.4组装工艺

中幅板和边缘铺设找正后，用卡具固定，利用压板控制其间隙，使两板搭接部分紧贴。

用卡具固定，更有利于焊缝的自由收缩，较之前点焊组对方法相比，在焊接变形控制上显著

效果。

2.5随焊锤击

采用手锤锤击焊缝，使焊缝金属延展，减少焊缝收缩量，降低残余应力，有效改善变形

情况。但要掌握锤击时机、锤击力度大小和锤击次数。在时机上一般以拉应力已开始形成，

最好在受热状态下锤击。锤击力要适度，次数不宜过多，一般不锤击底层和表面层。

三.结论

焊接应力引起的变形不能完全消除，通过理论分析和结合现场实际施工经验，焊接作业

时可有效控制变形量。合理的排板、随焊锤击能有效的补偿焊缝变形收缩量，合理的焊接顺序、方向、焊接方法和组装工艺能很好的控制变形应力和变形，从而提高焊接接头的承载能

力和疲劳强度，降低焊缝裂纹产生的几率，对储罐施工质量的提升有显著效果。

参考文献：

[1]顾详明，大中型储罐焊接应力与变形的消除方法探究[J]，甘肃科技，2010，26（13）

[2]王洪光实用焊接工艺手册，化学工业出版社，2014

[3]刘鹏，焊接质量检验及缺陷分析实例，化学工业出版社，2014