储罐焊接防变形措施研究

储罐焊接防变形措施研究

孙海亮，张小团，赵曙光

（辽河油田公司锦州采油厂，辽宁省锦州市）

摘要：储罐作为储存液体或气体的重要设备，广泛应用于石油、化工、能源等领域。焊接是储罐制造过程中的关键工艺，但由于焊接过程中的局部加热和冷却，不可避免地会产生焊接变形。焊接变形不仅会影响储罐的外观尺寸精度，还可能导致结构强度降低、密封性变差等问题，从而影响储罐的安全运行和使用寿命。因此，研究储罐焊接防变形措施具有重要的现实意义。关键词：储罐；焊接变形；防变形措施

1储罐焊接变形的原因

1.1焊接热输入不均匀

焊接是一个局部加热和冷却的过程，在焊接时，电弧产生的高温集中在焊缝及其附近区域，导致这些部位迅速受热膨胀。而远离焊缝的区域温度相对较低，膨胀程度较小。在冷却过程中，受热膨胀的区域收缩，由于温度分布不均匀，收缩程度也各不相同，从而产生了内应力和变形。焊接热输入越大，即焊接电流、电压和焊接速度等参数组合导致输入到焊件的热量越多，温度梯度就越大，变形也就越显著。此外，焊接方法的选择也会影响热输入。例如，手工电弧焊的热输入通常较大，相比之下，气体保护焊的热输入相对较小，因此采用手工电弧焊时更容易出现较大的焊接变形。

1.2焊接顺序不合理

合理的焊接顺序对于控制焊接变形至关重要。如果焊接顺序安排不当，会导致焊缝的拘束度分布不均匀，从而引发较大的焊接变形。例如，在储罐的焊接中，若先焊接长焊缝后焊接短焊缝，长焊缝的收缩会对短焊缝产生较大的拘束，使得短焊缝在焊接时无法自由收缩，从而积累较大的内应力，导致变形增加。同样，如果先焊接刚度较大的部件，后焊接刚度较小的部件，也会使刚度小的部分在焊接过程中受到更大的拘束力，进而产生较大的变形。此外，多层多道焊时，如果各层各道的焊接顺序不合理，也会导致热量分布不均，引起变形。

1.3拘束条件的影响

储罐的结构形状和支撑方式构成了焊接过程中的拘束条件。拘束度过大或过小都会对焊接变形产生不利影响。当拘束度过大时，焊件在焊接过程中无法自由膨胀和收缩，焊接残余应力增大，一旦拘束去除，就会释放出较大的变形。相反，拘束度过小，焊件在焊接过程中过于自由，无法有效控制变形的方向和大小，也容易导致整体变形超标。例如，在储罐的制造中，如果底板在焊接时没有得到足够的刚性支撑，焊接过程中的收缩就会导致底板产生波浪变形。而如果储罐的壁板在组装时存在间隙过大或过小的情况，焊接时也会因为拘束不均匀而产生变形。

1.4材料的热物理性能差异

储罐通常由多种材料制成，不同材料具有不同的热物理性能，如热膨胀系数、导热系数和比热容等。这些性能的差异会影响焊接过程中的热量传递和分布，进而导致焊接变形的不同。热膨胀系数较大的材料在受热时膨胀量更大，冷却时收缩也更剧烈，容易产生较大的变形。导热系数较低的材料在焊接时热量传递较慢，导致焊缝及附近区域温度梯度较大，变形也相应增大。例如，不锈钢的热膨胀系数比普通碳钢大，导热系数比碳钢小，因此在焊接不锈钢储罐时，更容易出现变形问题。此外，材料的屈服强度和弹性模量等力学性能也会对焊接变形产生一定影响。

1.5焊缝形式与尺寸

焊缝的形式（如对接焊缝、角焊缝、塞焊缝等）、长度、宽度和厚度等参数对焊接变形有着重要的影响。一般来说，焊缝尺寸越大，填充的金属量越多，焊接过程中产生的热量就越大，导致的热膨胀和收缩也越严重，从而引起更大的焊接变形。例如，在储罐的壁板连接处，采用较宽的焊缝会使焊接热输入增加，变形量随之增大。此外，焊缝的位置和分布也会影响变形。如果焊缝集中在某一区域，该区域的热量积累和应力集中会更加明显，导致较大的局部变形。相反，均匀分布的焊缝可以使热量和应力分布更均匀，有利于减小变形。

2储罐焊接防变形措施

2.1优化焊接工艺

根据储罐的材质、厚度和结构特点，选用合适的焊接方法能有效控制焊接变形。例如，对于薄板结构的储罐，气体保护焊由于其热输入较小、焊接速度快，能够减少焊接变形；而对于厚板结构，埋弧焊可以提高焊接效率，同时通过合理的参数设置也能较好地控制变形。精确控制焊接电流、电压和焊接速度等参数对于减少焊接热输入至关重要。降低焊接电流和电压，同时适当提高焊接速度，可以减少焊缝及周边区域的受热程度，从而减小热膨胀和收缩引起的变形。此外，通过脉冲焊接等先进技术，能够进一步优化焊接过程中的热输入分布，降低变形风险。在焊接较厚的板材时，采用多层多道焊代替单层焊。多层多道焊可以将焊接热量分散到多个焊层和焊道中，减小每层焊缝的热输入，使热影响区的温度梯度变小，从而降低焊接变形。

2.2合理规划焊接顺序

对于具有对称结构的储罐部件，如储罐的罐体环焊缝和纵焊缝，采用对称焊接的方法。即同时在对称的位置进行相同的焊接操作，使焊接过程中产生的收缩力相互抵消，从而最大限度地减少变形。例如，在焊接环焊缝时，可以安排多名焊工沿圆周对称分布，同时施焊，保持焊接速度和参数一致。遵循先焊接短焊缝，后焊接长焊缝；先焊接内部焊缝，后焊接外部焊缝的原则。短焊缝的拘束度相对较小，先焊接短焊缝可以让其在相对自由的状态下收缩，减少对长焊缝的影响。内部焊缝的收缩受到外部结构的约束较小，先完成内部焊缝的焊接有助于释放内部应力，减小对外焊缝焊接时的变形影响。将长焊缝分成若干段，每段长度根据板材厚度和焊缝长度合理确定。焊接时，从焊缝的一端开始，分段逐步向后退焊。这种方法可以使焊缝在较短的范围内受热和冷却，减小焊缝的纵向收缩变形。同时，后一段焊缝对前一段焊缝起到一定的回火作用，有助于降低焊缝的残余应力。

2.3运用工装夹具

在焊接前，使用刚性夹具将焊件固定在准确的位置，限制其在焊接过程中的自由变形。例如，在焊接储罐底板时，可以使用重物或夹具将底板边缘压紧，防止其在焊接过程中向上翘起。对于储罐壁板，可以采用弧形夹具或支撑来保持壁板的形状和位置。刚性固定能够有效地控制焊接变形，但需要注意的是，焊接完成后应及时拆除夹具，以避免在焊件中产生过大的残余应力。根据以往的焊接变形经验和计算分析，预先将焊件加工成与预期变形相反的形状。在焊接过程中，由于焊接热变形的作用，焊件会向预定的方向变形，最终达到理想的形状。例如，对于储罐壁板的焊接，如果预计会产生向内的收缩变形，可以在组装时将壁板向外撑开一定的角度，以抵消焊接过程中的收缩。

2.4进行焊前预热和焊后热处理

对于一些厚板或高碳当量的钢材，在焊接前进行预热可以降低焊缝及周边区域的冷却速度，减少焊接应力和变形。预热温度和范围应根据材料的特性和焊接工艺要求确定，通常预热温度在100-300°C之间。通过预热，还可以改善焊缝金属的结晶条件，提高焊缝质量。焊接完成后，对储罐进行适当的热处理，如退火、正火或回火等。热处理可以消除焊接残余应力，改善焊缝和热影响区的组织和性能，从而降低变形的可能性。退火处理可以使焊缝金属充分软化，释放内部应力；回火处理则可以在保持一定强度的同时，进一步降低应力和提高韧性。

2.5加强焊接过程监控与矫正

在焊接过程中，利用先进的测量设备如激光跟踪仪、全站仪等，对焊接部位的变形进行实时监测。一旦发现变形量接近或超过允许范围，及时调整焊接工艺参数或采取临时的拘束措施，以控制变形的进一步发展。对于已经产生的焊接变形，可以采用机械矫正或火焰矫正的方法进行处理。机械矫正通过压力机、千斤顶等设备对变形部位施加外力，使其恢复到正确的形状。火焰矫正则是利用火焰局部加热变形部位，使其产生热膨胀，然后在冷却过程中收缩，从而达到矫正变形的目的。

3结束语

本文针对储罐焊接过程中的变形问题进行了深入研究，通过分析焊接变形的原因和影响因素，提出了一系列有效的防变形措施。研究结果表明，通过合理选择焊接顺序、控制焊接参数、采用分段焊接法以及优化焊接结构等方法，可以显著减少储罐焊接过程中的变形现象，提高储罐的制造质量和使用寿命。

参考文献

[1]高峰.储罐焊接变形控制方法研究[J].装备制造技术,2015(6):76-78.