大型储罐焊接技术的现状与发展

大型储罐焊接技术的现状与发展NEWS.C-CNC.COM2007-9-3来源：阅读：27次1前言随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，能源消耗急剧增长，石油和成品油的需求剧增。目前我国已变成石油进口大国，石油已成为国家重要的战略物资，它直接关系到我国的经济发展、社会稳定和国家安全，增加原油储备迫在眉睫，因此，我国对国家石油储备库和成品油库的建设给予了高度重视，我国规划中到2010年将建成数千万立方米的石油战略储备能力，分期进行建设，大连国家石油储备库30台10万罐群已开始建设，我国大型储罐的施工建设进入了一个新的高速发展期。大型立式钢制储罐是石油化工行业非常重要的储运设备，越来越多地用于原油、成品油等储运工程。焊接是储罐建造的主要工序，对储罐的施工质量具有决定性意义。储罐的类型有很多，但在各类油库的建造中，广泛应用的是大型立式钢制圆筒形拱顶储罐和浮顶储罐，它引领着当今大型储罐建造技术的发展。本文以此为例，在简要介绍其结构特点和安装方法的基础上，分析大型储罐焊接技术的现状和发展趋势。仅供交流参考。2储罐的结构特点与安装方法储罐有很多种类，按其形状可分为立式、卧式和球形储罐；按容积有大型和小型的区别（大型储罐是指公称容积为100～30000平底、固定顶储罐和公称容积为1万以上浮顶储罐；小型储罐大多是公称容积小于100的储罐，一般为卧式的小型容器）。在各类大型储罐中，绝大多数是建在地上的，用于储运原油、成品油、液态化工产品及水等其它液体的立式圆筒形钢制储罐。立式圆筒形钢制储罐由罐底、罐壁和罐顶及附件等部分构成，按罐顶的结构可分为：无力矩顶储罐、拱顶储罐、锥顶储罐、浮顶储罐和内浮顶储罐等，其中以拱顶储罐（包括内浮顶拱顶储罐）和浮顶储罐应用最为广泛，技术成熟。其结构特点与安装方法如下：2.1储罐的结构特点2.1.1拱顶储罐的结构拱顶储罐是指罐顶为球冠状，罐体为圆柱形的一种容器，其结构见图1所示。拱顶储罐除了罐顶板的制作较复杂外，其他部位的制作较容易，造价较低，故在国内外石油化工部门应用较为广泛。国内最大容积的拱顶罐为3万网壳拱顶储罐，最常用的容积为1万或再小些。（1）罐底：由多块薄钢板拼装而成，其排列方式一般由设计给定。罐底中部钢板称为中幅板，采用搭接焊缝形式；周边的钢板称为边缘板（边板），要采用对接焊缝形式。边缘板可采用条形板，也可采用弓形板，依储罐的直径、容量及与底板相焊接的第一节壁板的材质而定。（2）罐壁：由多圈钢板组对焊接而成，钢板厚度沿罐壁的高度自下而上逐渐减少，最小厚度为4～6mm。目前，由于安装工艺的进步，罐壁板主要采用对接焊缝形式，已很少采用搭接。罐壁板底部与罐底板采用角接焊缝形式，双面连续焊接。（3）罐顶：由多块厚度为4～6mm的压制薄钢板和加强筋（通常用角钢或扁钢）组成的扇形罐顶板构成，或由构架和薄钢板构成，各扇形罐顶板之间采用搭接焊缝。2.1.2内浮顶储罐的结构内浮顶储罐是在拱顶储罐内部加上一个浮动顶盖，使储液与空气隔离，减少蒸发和污染。其结构见图2所示，除了多一个内浮顶之外，其它与拱顶储罐结构基本相同。2.1.3浮顶储罐的结构浮顶储罐是由浮在罐内液体介质表面的浮顶和立式圆筒形罐壁、罐底及附件所构成，其结构见图3和图4所示。浮顶直接浮在液面上，随着罐内储液量的增加或减少而上下浮动。浮顶储罐的容积都比较大，国外已建成容积为20万的巨型储罐，我国最大的储罐容积为12.5万。（1）罐底：浮顶储罐的罐底排板方式与拱顶储罐基本相同，但边缘板不采用条形板。对于10万及以上浮顶储罐的罐底中幅板，采用带垫板的对接焊缝形式。（2）罐壁：采用对接焊缝，焊缝内表面要打磨光滑，防止划损浮顶密封装置。浮顶储罐上部为敞口，为增加壁板刚度，提高抗风载能力，罐壁顶部需设置抗风圈和加强圈。（3）浮顶：常见的结构形式是单盘式和双盘式。单盘式浮顶是由环形船舱和圆形单盘顶板所构成。双盘式浮顶是由上盘板、下盘板和环形船舱所组成，均由钢板拼焊而成。2.2储罐的安装方法大型立式储罐主体安装方法有正装法和倒装法两种。正装法是指以罐底为基准平面，罐壁板从底层第一节开始，逐块逐节向上安装。倒装法是指以罐底为基准平面，先安装顶圈壁板和罐顶，然后自上而下，逐圈壁板组装焊接与顶起，交替进行，依次直到底圈壁板安装完毕。国外施工企业大都采用正装法；国内企业大都是拱顶储罐采用倒装法，浮顶储罐采用正装法。2.2.1拱顶储罐的安装方法拱顶储罐是最常见的固定顶储罐，国内普遍采用倒装法安装。正装法除了用于组装某些特殊结构的拱顶储罐外，在普通的立式拱顶储罐施工中极少采用。实际应用的倒装法有中心柱提升、空气顶升、手动倒链起升、电动倒链群体起升、液压提升等多种倒装法。目前，采用较多的是手动倒链起升和电动倒链群体起升倒装法，液压提升倒装法正在逐步推广。2.2.2浮顶储罐的安装方法5万及以上大型浮顶储罐的安装主要采用正装法，其优点是可以充分利用大型吊装设备，加大预制深度，易于掌握，便于推广储罐的自动焊接技术，其缺点则是要求有较大的施工场地，技术难度大，高空作业多，不安全等。2万及以下大型浮顶储罐也有施工企业采用倒装法。3储罐的焊接工艺程序储罐建造对焊接的质量要求是：焊接强度达到设计要求，焊接变形控制在规定范围之内，焊缝外观及内在质量符合设计标准等。3.1拱顶储罐的焊接程序3.1.1罐底板的焊接（1）罐底中幅板为搭接焊缝，采用焊条电弧焊施焊。先焊短焊缝，后焊长焊缝。焊接长焊缝时，由中心开始向两侧分段退焊。（2）边缘板焊接，采用焊条电弧焊施焊。先焊外边缘300mm部位的焊缝，外端加引弧板，由罐内向外施焊，采用隔缝对称施焊法，焊工对称均布。（3）焊接顺序为：边缘板外300mm焊接(在第一圈壁板安装之前焊完)→罐底中幅板焊接→边缘板焊接（待大角缝焊接完）→龟甲缝（指罐底边缘板与中幅板之间焊缝）焊接。3.1.2壁板对接焊缝的焊接（1）先焊纵焊缝，后焊环焊缝。当焊完相邻两圈壁板的纵焊缝后，再焊其间的环焊缝；先焊外侧焊缝，后焊内侧焊缝，在焊接内侧前，应清焊根(使用碳弧气刨清根并砂轮打磨)。（2）壁板纵缝焊接：采用焊条电弧焊或气体保护焊工艺，分段退焊。壁板纵缝下端留出50～100mm，在环缝组对后焊接。（3）壁板环缝焊接：主要采用焊条电弧焊，多层多道焊。对于板厚1Omm以上的环缝，也可采用埋弧自动横焊工艺，由多台焊机沿罐壁圆周对称均布（参见图6），同一方向施焊。自动焊前，内侧用焊条电弧焊进行封底焊接。3.1.3大角缝焊接（1）大角缝（指底圈罐壁与罐底边缘板之间角焊缝）应在壁板焊缝全部焊接完、龟甲缝焊接前进行焊接。先焊内侧焊缝，后焊外侧焊缝。（2）焊条电弧焊施焊时，采用分段退焊法，焊工对称均布，沿同一方向施焊；当采用自动焊时，多台焊机应沿罐圆周均布，同一方向施焊。3.1.4拱顶组装焊接罐顶为分片组装，搭接焊缝采用焊条电弧焊施焊，先焊内侧焊缝，后焊外侧焊缝。拱顶外侧径向的长焊缝，由多名焊工均布，采用隔缝对称施焊方法，由中心向外分段退焊。3.2浮顶储罐的焊接程序3.2.1罐底板的焊接与拱顶储罐罐底的焊接程序基本相同。但当罐底中幅板为带垫板对接焊缝时，一般采用焊条电弧焊或CO2气体保护焊打底、埋弧自动焊或碎丝填充埋弧自动焊盖面焊接工艺。打底焊采用分段退焊法；自动焊盖面焊接采用隔缝同向焊。3.2.2壁板对接焊缝的焊接（1）与拱顶储罐壁板对接焊缝的焊接顺序基本相同。（2）壁板纵缝焊接：见图5所示，壁板厚度1Omm以上纵缝采用气电立焊工艺，自下向上焊，纵缝上端加熄弧板。小于25mm的壁板为V型坡口，可一次焊接成型；25mm及以上纵缝为X型坡口，双面焊接。为防止焊接熔池内的铁水从下部流失，焊接前需在第一节壁板纵缝下端300mm和其它各圈纵缝下端50～70mm范围采用焊条电弧焊焊接一段作为托底焊道。壁板厚度1Omm以下纵缝采用焊条电弧焊或CO2气体保护焊。（3）壁板环横缝焊接：壁板厚度1Omm以上环缝，采用埋弧自动横焊工艺，K型坡口，多层多道双面焊，由多台埋弧横焊机沿罐壁圆周对称均布，同一方向施焊，见图6所示。壁板环缝在罐内侧坡口点焊，组对间隙大于1mm时，内侧进行封底焊接。3.2.3大角缝焊接大角缝焊接在第三～四（或二～三）圈壁板焊缝全部焊接完、龟甲缝焊接前进行。其余与拱顶储罐大角缝的焊接程序基本相同3.2.4浮顶焊接（1）浮顶底板为带板结构，呈“人”字形排布，为搭接接头形式，采用焊条电弧焊或半自动CO2气体保护焊。施焊原则与罐底基本相同。（2）焊接顺序：浮顶底板→中间环板、外边缘板→隔板→浮顶框架、桁架→由中心向四周逐舱焊接→浮顶顶板→支柱套管、附件。4储罐焊接技术现状国内外在大型浮顶储罐的建造中，罐体普遍采用自动焊工艺，技术已相当成熟。我国在上世纪80年代初就引进了大型储罐自动焊接技术及设备，部分技术装备也实现了国产化。但在拱顶储罐的施工中，国内主要采用的焊条电弧焊，自动焊应用较少。目前，储罐施工应用最多的焊接方法是焊条电弧焊和埋弧自动焊（包括横焊、平焊、角焊），其次是CO2气电立焊。此外，实芯或药芯焊丝的CO2/MAG气体保护自动焊和半自动焊也得到应用，但应用范围还比较窄。4.1储罐的焊条电弧焊国内拱顶储罐的焊接目前仍以焊条电弧焊为主，尤其是1万及以下储罐的焊接，各施工单位普遍采用。其主要原因是：这类储罐钢板相对较薄，且多采用倒装法组装，采用焊条电弧焊不仅施工方便、灵活，而且焊接变形小，焊接设备成本投入低，辅助工作量小。与自动焊相比，总体经济效益较好，但人员投入多，劳动强度大，人员成本高。对于大型浮顶储罐的焊接施工，焊条电弧焊仍占有很大的比例，尤其浮顶焊缝、壁板的点固以及附件的焊接等，自动焊还不能代替焊条电弧焊。4.2储罐的埋弧自动焊埋弧自动焊是大型储罐建造中应用最早的自动焊方法。主要应用在正装法施工的浮顶储罐的罐壁环焊缝，罐底对接焊缝和大角缝等方面。近年来，国内一些科研单位和技术开发公司，在借鉴正装储罐自动焊技术的基础上，开发出了倒装储罐自动焊设备及工艺，国内一些主要储罐施工企业相继引进并积极推广应用了这项技术，焊接倒装拱顶储罐罐壁环焊缝，取得了较好效果。4.2.1普通型倒装储罐埋弧自动横焊装置拱顶储罐的埋弧自动横焊主要应用在罐壁的环焊缝，焊接效率高，是焊条电弧焊的4倍。但这种方法适合10mm以上中厚板，当板较薄时，一是焊缝收缩变形较大，储罐环焊缝形成比较明显的掐腰，二是焊缝要采用焊条电弧焊或CO2半自动焊进行打底后，焊缝剩余焊接量较少，采用自动横焊不经济，效率没有明显的提高。图7是中石油工程技术研究院研制的倒装储罐环焊缝专用的埋弧自动横焊机（普通型）。它由焊接电源、自动送丝机、焊接机头、焊接行走机架及控制箱、焊剂循环系统、轨道等部分组成。各个部分合理地集成在焊接行走机架上，电气综合控制系统协调各部分统一工作。操作时，在储罐基础四周铺设一条与罐壁板环缝平行的圆形轨道，横缝自动焊装置置于轨道之上，并靠着罐壁板沿轨道行走，启动焊机，进行焊接。（l）焊接电源储罐环缝采用细丝埋弧焊工艺，焊丝直径为φ2.0～3.2mm，焊接电流不宜过大，因此，可以选择额定电流为600～800A的焊接电源，如林肯公司的DC－600可控硅多用途直流弧焊电源，它具有恒压和恒流特性外，还具有焊条电弧焊和碳弧气刨所需的下降外特性，可以充当储罐施工多面手，提高设备的利用率，降低成本。在施工现场，要制作专用的电焊机房放置焊接电源，配置配电箱和漏电保护装置，作好防风防雨措施。根据储罐现场的具体条件，连接焊接电源与机架之间的焊接和控制电缆长度应为50～100m。（2）焊接机头和对中装置埋弧焊机头与机头位置调节器一起安装在焊接机架上，具有上下左右调节功能。操作者在焊接过程中随时调节焊枪位置，保证焊接对中，满足横焊缝多层多道焊接工艺的要求。由于轨道的水平度与罐体的同心度不易保证，所以该装置采用光斑式跟踪方法，即：焊接前，在距被焊环缝上部一定距离，画一条与被焊环缝平行的细线，并在焊接机头上安装跟踪用光斑灯。焊接过程中，焊工通过手工上下调节机头调节器，使光斑跟踪此细线，实现焊接对中。（3）焊接行走机架和轨道焊接行走机架由型钢、钢管制作，并配有升降