LNG储罐底板焊接变形控制

LNG储罐底板焊接变形控制

羊波

天津大港油田集团建设监理有限责任公司 天津市  300280

摘要：随着我国经济的迅猛发展，国家对天然气的需求大幅增加，我国是天然气进口大国，其储备量直接关系到经济发展、社会稳定甚至国家安全。LNG低温储罐是天然气储备的主要设备，在LNG低温储罐的制作安装过程中，罐底严重的焊接变形会降低储罐的承载能力及稳定性，甚至使罐底底板报废。因此，罐底是整个储罐的要害部位，直接关系到整个储罐制作安装的成败。本文以某项目LNG储罐和接收站工程为例，就LNG低温储罐底板焊接变形控制措施进行了探讨。

关键词：LNG低温储罐；底板；焊接；变形；控制措施

前言：某LNG内河接收（转运）站项目建设有2台单台10万立方米全容罐，储罐内罐半径为32790mm，材质均为X7Ni9。在单台储罐的制作安装过程中，遇到的首要问题就是罐底板焊接变形的情况。罐底板是整个储罐受力最大的部位，其焊接特点为：直径大、板薄、钢板厚度与储罐底的宽度之比很小，刚度差，焊缝数量多，焊接应力大，易产生焊接变形且变形量大，控制难度大，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。

1、罐底板焊接变形成因分析

   储罐底板焊接变形的产生，从根本上说是因为焊接过程中产生呈一定规律分布的力，以及焊接热过程中温度在构件上的分布不均匀，造成高温区域(焊缝处及焊缝热影响区)冷却后产生的收缩量大，低温区域收缩量小，这种不平衡的组织应力和组织变形，导致了构件形状的改变。凝缩变形和组织变形的共同作用下，使底板产生纵向收缩变形和横向收缩变形。通过这两种变形引起底板的各种变形，如收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等，而罐底板的焊接变形主要是收缩变形、角变形、波浪变形。

2、预防和减少罐底板变形遵循的原则

   预防和减少罐底板变形，主要遵循的是在保证焊接质量的前提下，尽可能降低焊接线能量，减小焊接区与整体板材之间的温差，最大限度地减少底板在焊接过程中的刚性约束，提高构件的刚度，控制冷却时组织相变，尽量减少淬硬组织，且使组织细化、均匀，减少焊接应力并使应力均匀分布。
3、罐底板变形的控制
   3.1施工现场要制定合理的排版设计方案
   3.1.1罐底板的铺设应考虑焊接收缩的影响，排版直径宜按设计图纸直径放大0.15～0.2%。
   3.1.2尽量选择大规格钢板。由于焊缝的纵向收缩量与焊缝长度成正比，采用大规格钢板后，罐底板的焊缝长度大量减少，纵向收缩变形也相应减少，同时还能减少焊接工作量、降低人力、物力和材料消耗、缩短工期、提高效益。
   3.1.3采用带垫板的对接焊缝，垫板应从储罐中心向外铺设，垫板铺设时留有足够数量的收缩口。垫板相当于钢板在焊接位置增加了加强筋，增强了底板的结构刚度，抵抗失稳变形的能力得到加强，使横向收缩变形与角变形变小。
   3.1.4罐底板排版时，长焊缝应沿着罐底中心线对称排列，弓形边缘板以罐底的圆心为中心对称布置，这样可以相互抵消大部分焊接变形。

   3.2制定合理的施工工艺

   根据罐底板的变形规律，制定出合理的焊接工艺流程及焊接顺序，有效地控制底板变形。
    3.2.1底板焊接一般顺序
   3.2.1.1先焊接边缘板外端约300mm长的焊缝；
   3.2.1.2焊接中幅板搭接缝采用手工电弧焊；

   3.2.1.3边缘板与壁板T型大脚缝焊接，本项目采取手工焊打底，埋弧自动焊盖面；

   3.2.1.4边缘板对接缝余下部分的焊接；
   3.2.1.5边缘板与中幅板搭接缝组对、焊接；
   3.2.1底板焊接工艺措施
   3.2.1.1边缘板面积虽小，但焊接量大，是应力和收缩集中的部位。环形边缘板受到大角焊缝和外侧边缘板的焊缝双重应力的作用而引起内侧收缩量比外侧大，因此排布时需要增加内侧间隙。非环形边缘板的罐底不宜留收缩缝。
   3.2.1.2中幅板焊接时，所有焊缝遵循由内向外、由中心向四周进行焊接，这样使内部焊缝的纵向和横向变形不受到外部焊缝的约束，从而降低焊接变形。焊接时先焊短焊缝，后焊长焊缝，焊工焊接时均匀分布、对称施焊，初层焊道采用分段退焊或跳焊法，采用分段退焊时，每一段长度约200mm，不宜过长。这样引起的焊接波浪变形和焊接应力都较小；反之，先焊长缝，再短缝，必然会在焊接短缝时受到已焊的长缝限制，从而使焊接应力和焊接变形变得较大。

   3.2.1.3壁板与边缘板的大角焊缝是储罐受力最不利的地方，是储罐最薄弱的部位，尤其是大脚缝内侧是储罐投产后最容易出现裂纹的部位。为了保证焊接质量、减少焊接变形，无论是手工焊还是自动焊，焊工均应对称分布且沿同一方向施焊，避免因收缩不均匀而造成壁板下口椭圆、因输入热量集中使角焊缝产生角变形。施工中除了要保证焊缝内部质量外，还要用磨光机修整焊缝，确保内角缝与底板之间圆滑过渡，消除应力集中点。

4、其它的变形控制措施
   4.1底板焊前要做好预热，焊接后采用缓冷，使组织较均匀且细化，焊缝及热影响区产生较多塑性和韧性较好的组织，减少淬硬组织，降低脆性，提高焊缝的机械性能，同时减少焊接应力和变形。

   4.2气温的变化会引起边缘板、中幅板的伸缩，但在相同温差内中幅板的伸缩量比边缘板的伸缩量大。因此，施工环境温度要高，这时中幅板的膨胀量与边缘板膨胀量之差较大，气温下降后，中幅板的收缩量同样比边缘板的收缩量大，这样可以把中幅板拉的更平整。
   4.3所有焊接作业的焊工均应持证上岗，正式焊接前应通过所在项目焊工进场技能考试。在同一种焊接工艺和施工条件下，对称焊接人员其焊接速度要接近，以便同速焊接

   4.4弓形边缘板外缘300mm长组对焊接时，应采取反变形措施，焊缝对口向上翘起反变形6～8mm，以补偿焊缝的角向收缩，预防此处焊接后的起拱变形。

   4.5中幅板、边缘板定位、点焊时应采取反变形卡具安装，点焊时，如有的地方底板有翘起变形的现象，应用槽钢或工字钢压平后点焊，每道焊缝设置适宜的反变形卡具板。定位焊与卡具焊接的质量要求应与正式焊缝相同。
5、焊接变形的矫正

   虽然采取排版设计和焊接工艺的预防措施可减少焊接变形，但储罐焊接，焊接变形是不可避免的，为了更有效地控制焊接变形，在焊接后可采用机械矫正法和火焰矫正法予以矫正。采用机械矫正法时一般根部焊道和表面不锤击，以免导致裂纹和影响美观。火焰矫正时要注意控制温度，过高的温度会使钢材组织晶粒粗大，产生较大的残余应力，大大降低底板的力学性能和承载能力。
结语：通过实施以上控制措施，制定合理的底板排版设计方案，运用合理的焊接工艺，焊后采取正确的矫正方法，有效地控制了大型LNG储罐罐底的焊接变形，实测底板局部凹凸变形的深度均小于规范要求的75mm，达到了预期效果，保证了储罐制作质量，同时还节约了人力、物力、材料消耗，提高了项目的整体效益。

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