不锈钢储罐的焊接施工

不锈钢储罐的焊接施工

【摘要】 本文结合公司上海拜耳项目部承建的6台不锈钢拱顶罐工程实践，介绍了不锈钢储罐的施焊技术和施焊工艺。

关键词 奥氏体 不锈钢 储罐 焊接 变形 控制

1 引言

2006年公司上海拜耳项目部承建了6台不锈钢储罐，其顶部为圆拱形固定顶结构，全部采用倒装法安装，主体采用氩弧焊打底，手工电弧焊盖面的焊接方法。主要技术参数见下表： 储罐

材质

序号

1 2 3 4 5 6

304L 304L 304L 316L 316L 316L

容积 M

500 1000 8000 750 750 1000

3

壁厚 /mm

6 6～9 8～28 6～8 6～8 6～9

底板厚 /mm

12 14 14 12 12 14

顶板厚 /mm

6 6 6 6 6 6

直径 /mm 9000 11500 28000 9500 9500 11500

高度

主要焊材

/mm 9505 12776 17083 12556 12556 11776

ER308L/A002 ER308L/A002 ER308L/A002 ER316L/A022 ER316L/A022 ER316L/A022

2 奥氏体不锈钢的焊接特点奥氏体不锈钢的焊接特点

304L和316L均属于奥氏体型不锈钢，这类不锈钢焊接的主要问题是焊接接头容易出现热裂纹、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂以及焊接变形。

在铬镍奥氏体不锈钢焊缝金属中，如果形成低熔点共晶的元素(如C，Si，S，P等)含量较高时，就可能在结晶后期以低熔点液膜的形式存在于奥氏体柱状晶体之间，当焊接熔池继续冷却而产生收缩时，被液膜分隔的晶体边界就会被拉开而形成裂纹。又因奥氏体不锈钢的热导率小，线膨胀系数大，延长了焊缝金属在高温区停留的时间，同时焊接区在冷却期间焊接接头必然承受较大的拉应力，也会导致热裂纹的产生。

奥氏体不锈钢在450~800℃的敏化温度区间内加热时，会使碳化铬沿奥氏体晶界析出，晶内的Cr扩散速度比C慢，Cr补充不上，当Cr含量下降到耐腐蚀所要求

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的极限值w(Cr)12％，即形成贫Cr区，从而导致晶间腐蚀。

应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂主要表现为无塑性变形的脆性破坏。

由于奥氏体不锈钢热导率小和线胀系数较大的特点，在焊接局部加热和冷却的条件下，焊接接头在冷却过程中可形成较大的拉应力，导致焊缝及其周围区域产生较大的焊接变形。

3 不锈钢焊接的要点

根据奥氏体不锈钢的焊接特点，施工过程中主要就是控制焊接接头的热裂纹、耐蚀性和变形。因此不锈钢焊接的工艺规范必须采用较小的热输入和线能量，即小电流、快焊速、短弧窄道焊，同时应严格控制层间温度在100℃以下，并合理的安排焊接顺序。

3.1 热裂纹的控制

控制热裂纹除了合理的选择焊材即选择含碳量低的金属，并严格控制氢的来源，尽可能选择优质低氢焊条外，最主要的是采用合理的焊接工艺。储罐环缝焊接过程中，几乎没有热裂纹出现，而在立焊缝焊接过程中容易出现热裂纹。主要原因是：首先，由于储罐壁板焊接时立焊缝先焊接，其组对焊接应力远远大于环焊缝受的应力；其次，横焊缝电弧连续，借助于电弧吹力，再加上横焊缝熔池流淌性好于立焊缝，能保证熔池内铁水饱满；再次，因为立焊缝采用灭弧焊手法，收弧、引弧点多，点与点之间间隔难控制，容易形成弧坑热裂纹。因此在立焊焊接时，收弧要慢，填满弧坑，成月牙型收弧。并控制好每次引弧、灭弧时间间隔，保证上一次弧点变为暗红色之前，进行下一点引弧焊接。控制好运条的角度及弧长，即采用短电弧灭弧焊，焊条与壁板成90°角。因电弧吹力小，再加上大的焊接角度能保证弧坑熔池内铁水，避免出现弧坑裂纹。

3.2 耐蚀性的控制

不锈钢焊接最容易产生的问题就是晶间腐蚀，在保证焊接质量的前提下，宜采用小电流，快速焊和短弧窄道焊，以减少热影响区的范围。尤其是厚度较薄的不锈钢板，宜采用直流反接法，以减少熔池产生过热现象和烧穿现象。当采用双面焊接时，与介质接触的焊接面后焊。储罐内侧与介质接触，放在最后焊接，焊后做酸洗

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钝化处理，增强耐腐蚀能力。在焊接材料的选择方面，宜选用超低碳的焊条和焊丝，如牌号为A002/A022的焊条和ER308L/ER316L焊丝。

奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式，其预防措施主要有：

（1）合理制定成型加工和组装工艺，尽可能减小冷作变形度，避免强制组装，防止组装过程中造成各种伤痕。

（2）采取合适的焊接工艺，保证焊缝成型良好，不产生任何应力集中或点蚀的缺陷，例如咬边、焊缝高度超标、飞溅对母材造成的污染等。 （3）采取合理的焊接顺序，降低焊接残余应力水平。

3.3 焊接变形的控制

不锈钢储罐施工最大的难点就是焊接变形的控制。在储罐的施工过程中，由于预制精度、组装误差和焊接时的热胀冷缩等，储罐底板、壁板和顶板都会产生不同程度的变形。这种变形以焊接变形为主。焊接变形是由于焊缝被高温加热急剧膨胀，然后冷却引起焊接处的收缩和弯曲而产生的。储罐变形若在标准允许范围内，则不会影响储罐的使用，若储罐变形超过标准许可的范围，不仅会影响储罐的外观，而且还会在外载荷的作用下产生应力集中和附加应力，降低储罐的使用能力，使储罐的安全性下降，严重的则会影响储罐的使用。

控制不锈钢的焊接变形有很多措施，如采用小线能量焊接、合理的安排焊接顺序、利用反变形的原理、采用夹具刚性固定以及焊后用小锤锤击焊缝等。下面结合生产实践，介绍一下这些措施在储罐焊接施工中的具体应用。 3.3.1 底板变形的控制

底板焊接最不易控制的就是焊接变形，其中波浪变形和角变形是最常见的变形。控制底板的焊接变形应注意以下几点：

1、边缘板外缘300mm的焊接。因大型储罐边缘板外缘300mm要求RT探伤，为防止焊缝两端的缺陷对拍片的影响，一般焊接时焊400mm长。对于有弓形边缘板储罐，考虑到收缩变形，边缘板的组对应采用外窄内宽的不等间隙（如图1），以便在先焊外侧焊缝的过程中，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。根据经验，外侧先焊的间隙较小为6~7mm，内侧的间隙较大为8~12mm。

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图1 边缘板的不等间隙组对边缘板的不等间隙组对

2、中幅板的焊接。焊接中幅板时，先将组对时所焊的定位焊缝全部磨开，让中幅板之间保持自由状态，以利于在施焊过程中能自由收缩，补偿由于焊接应力所产生的变形。然后按先短后长，从中心向外分段退焊或跳焊的顺序焊接。

3、丁字口处的焊接。T型接头处，首先焊接的方向宜留约100mm的一段不焊，由最后一方向的焊接完成，其原因是该接头处应力最大，容易造成变形。这样的焊接顺序有利于应力的抵消。

总之底板的焊接应遵循的原则是“先短后长，先中间后四周，同步对称焊接”。对于有弓形的边缘板，收缩缝应留在最下面一圈壁板与底板间的大角缝焊完之后再焊接，非弓形边缘板则不宜留收缩缝。

为了更好的控制底板的变形，可以采用反变形夹具。即在焊前，先将钢板与焊接变形相反的方向进行人为的变形，使反变形的量与焊接变形的量相同，这样在焊接后，焊接变形正好吸收了焊前的反变形，使钢板趋于平整。反变形的角度一般在3°左右，反变形量依据板厚大小而有所不同，一般为6~8mm。项目承建的6台不锈钢罐均采用了下图2中的反变形夹具，成功的将罐底的变形控制在很小的范围之内。

图2 反变形夹具安装示意图

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3.3.2 壁板变形的控制

造成罐壁变形的主要因素是罐板卷制过程中形成的直边以及焊接过程中造成的纵向和环向的焊接角变形。这类变形主要影响到储罐的椭圆度及垂直度。因立焊缝焊接方向为上向焊，壁板立缝越向上收缩量越大，应选用小直径的焊条并采用分段焊接的方法。

壁板立缝焊接时，除产生角变形外，还会产生旋转变形和纵向的收缩变形，为防止各种变形，在焊接立缝前，可在壁板内侧焊接龙门板和安装对口卡（如图3），对口卡的主要作用是调整焊缝间隙，但它也可起到防止壁板变形的作用。而龙门板则对防止角变形和旋转变形非常有效。

立缝的焊接应由几名焊工沿圆周均匀分配对称焊接，以使焊缝内的应力均匀，从而提高罐体的稳定性。立缝的两端应各留出200mm不焊，等到环缝组对完成后与丁字焊缝一起焊接，因为在纵焊缝施焊时，极易在焊缝两端出现150mm左右的外翘变形，给环缝组对造成困难，使丁字焊缝的应力增加。

图3 壁板立缝防变形夹具

壁板环缝的焊接变形主要靠胀圈防止，也可采用龙门板加背杠的防变形夹具（如图4）。在焊接工艺上，应采用多层多道焊，并注意控制层间温度。

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图4 壁板环缝防变形夹具

值得注意的是对于有条形基础的储罐，在壁板组装焊接前，应仔细检查基础环形梁表面的平整度。若忽略此问题，罐体到达一定高度后就会引起悬空部位下坠，使罐体产生无法矫正的变形。所以在在壁板组装前，应确认边缘板在自由状态下紧贴基础环梁，若悬空量超过5mm,而且悬空长度超过400mm，就必须采取措施予以弥补，例如加垫铁找平等。 3.3.3 顶板变形的控制

罐顶瓜皮板之间一般为搭接形式，定位焊时用卡具使搭接处紧密接触，外侧焊完后再去除卡具。焊接顶板时应先焊内侧径向焊缝，再焊外侧径向焊缝，采用隔缝对称施焊方法并由中心向外分段退焊。

顶板与角钢圈为搭接型的角焊缝，焊接时焊工要均匀分布且沿同一方向焊接。 3.3.4 其它部位焊接变形的控制其它部位焊接变形的控制

在储罐施工中，除了罐底、罐壁和罐顶的焊接外，其它部位的焊接同样可能出现焊接变形，如抗风圈、加强圈、最下面一圈壁板与罐底的大角缝的焊接等。作为环向焊缝，其原则是采用分段退焊、同向焊接，且先进行间断焊，然后再进行连续焊接，以防止翘曲。值得指出的是抗风圈与罐壁间的上部应确保连续焊，防止雨水由罐壁与抗风圈间的间隙处流入保温层。

储罐的大角缝也是受力的关键部位，特别是大型储罐必须采取防变形措施。在焊接储罐内大角缝时，可采用槽钢支撑（如图5），这样可防止环形边缘板因焊道的横向收缩产生角变形而向上翘起。注意槽钢应支撑在最边缘的底板上，切不可将支撑撑到底板的中心部分，这样反而阻碍了环形大角缝焊后的收缩，增大了焊后的内

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应力，有可能导致底板与壁板产生更大的波浪变形。焊接储罐外大角缝时，在储罐边缘板外侧和壁板之间沿圆周焊上一些半龙门板，以此来防止外大角缝的变形。

图5 大角缝防变形支撑

3.3.5 焊接变形的矫正

铬镍奥氏体不锈钢的机械强度较碳钢的高，产生的焊接变形量又大，所以矫正变形的难度增加，但由于铬镍奥氏体不锈钢常温时的力学性能优于碳钢，低温时又具有机械强度高、韧性好的优良特性，因此焊件焊后立即进行快速冷却和矫正，均不易引起焊缝开裂现象。

前文提到过奥氏体不锈钢在450～850℃ 的敏化温度区间内加热时，有促进碳化铬的析出，使晶界出现贫铬现象而导致晶问腐蚀的倾向。为此，对这类钢的焊接变形，只能冷矫如千斤顶的顶胀等，而不宜热矫。

需要特别指出的是，在矫正变形的同时，要防止变形区域的延伸，所以超过400mm×400mm区域的变形，在进行矫正前，需进行全封闭刚性固定。矫正过程应避免使用锤击，因为储罐的刚性较小，弹性较大，猛烈锤击产生的大部分能量都会被罐体的弹性变形所吸收，起不到以塑性变形矫正焊接变形的目的，而且还在罐体上留下较深的锤痕。另外，如果其它部位已经存在较大焊接应力，但该应力与罐体的刚性保持了相对平衡，那么锤击引起的罐体的剧烈震动，很容易使这种平衡遭到破坏，导致其它部位的罐壁突然塌陷而产生新的变形。

对变形比较严重的部位，可将相关的焊缝割开以释放应力。对于更为严重的变形，则可以考虑更换板材。

3.4 注意事项

1、焊前必须保证清除可能使焊缝金属增碳的各种污染。焊件待焊处两侧各

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20mm（包括坡口面）表面应彻底清除干净，不应有任何油脂、污渍、油漆标记、氧化皮和其它杂质。通常采用丙酮或酒精进行擦洗，必要时还需先进行打磨。若清理不干净，这些有机物质会在高温电弧作用下分解燃烧成气体，引起焊缝金属产生气孔和增碳，进而使焊接接头的耐蚀性降低。

2、手工电弧焊时，应在焊条说明书规定的电流范围内选择偏小的焊接电流。由于不锈钢电阻值较大，靠近夹持端的一段焊条容易受电阻热的作用而发红，在焊至后半段焊条时会加快熔化速度，使焊缝熔深减少，但熔化速度太快又会造成未熔合等缺陷。从保证接头的耐蚀性考虑，也要求选用较小的焊接电流，减少焊接热输入量，防止焊接影响区过热。

3、在操作技术规范上要求采用窄道、多层多道焊技术，焊接时尽量不摆动焊条，这样不仅减少了热输入，有利于气体的析出，还有利于提高焊接接头耐晶间腐蚀的能力。

4、底板在吊运过程中可能产生变形，在铺设前必须矫正。铺设底板时，底板要紧贴垫板，并把所接触的地方点固牢，让垫板与底板一起变形。

5、底板边缘板宜在相同的气温条件下一次焊完，根据经验，由于昼夜气温不同，

收缩变形非常厉害，会影响底板的椭圆度。

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