大型储罐的焊接质量控制Word格式.docx
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2.2.7储罐建造的其他焊接技术11
第三章大型储罐的焊接常见缺陷及质量控制12
3.1大型储罐的焊接缺陷及原因12
3.1.1横焊缝常见的缺陷12
3.1.2立焊缝常见缺陷13
3.2储罐的焊接质量控制14
3.2.1焊接质量预控14
3.2.2焊接过程控制15
3.2.3焊后控制18
小结19
致谢20
参考文献21
第一章概论
1.1储罐的发展概况
油品和各种液体化学品及新兴告诉发展中的天然气能源的存储设备——储罐，是石油化工装置和储运系统设施的重要组成部分，按容量来说，一般立式圆筒形储罐的容积大于一万平方米，对于此类大型容积储罐，习惯称之为大型储罐（包括大型卧式圆筒形，球形等储罐），自1927年采用钢制焊接储罐后，其容量逐步扩大，目前最大容量已超过24×
104m3。
20世纪70年代以来，内浮顶储油罐和大型浮顶油罐在世界上发展较快，中国也于1978年开始发展此类储罐。
世界上技术先进的国家，都备有较齐全的储罐计算机专用程序，对储罐作静态和动态的分析，同时对储罐的重要理论问题，如大型储罐T形角焊缝（最下层壁板与关底边缘板的焊缝）部位的疲劳分析、大型储罐基础的静态和动态特性分析、抗震分析等，以实验分析为基础深入研究，通过实验取得大量数据，验证了理论的准确性，从而使研究具有使用价值
1.2储罐大型化发展概况
中国于1985年从日本引进第一台10×
104m3浮顶油罐（直径80m罐高21.80m）几十台，其中北京燕山石化公司四台储罐的罐壁高强度钢板采用国产高强度钢板[12MnNiVR（WH610D2）]制造，其余均采用日本SPV490Q高强度钢板。
引进日本的第一批10×
104m3油罐，全部执行日本工业标准JISB8501,同时引进原材料和有关的零部件以及全部的全自动焊接设备。
目前国内对10×
104m3油罐由比较成熟的设计、施工和使用的经验，国产大型储罐用高强度刚才已经能够批量生产，15×
104m3储罐目前也已建成并投入使用。
1.3储罐大型化优缺点分析
目前储罐的大型化主要指外浮顶原油储罐的大型化，国内在10×
104m3储罐或更大容量原油浮顶储罐建成前，原油储罐最大的容量为5×
104m3，先从一下几个方面进行对比分析。
1）总图布置的占地面积小按国内《石油库设计规范》（GB50074-2002）的规定，同一个浮顶储罐总容量不应大于60×
104m3，第6.0.5条规定油品类别分别为甲、乙A类，单罐容量不限，福鼎油罐之间的防火距离为0.4D，该规范的表6.0.5注5又规定福鼎油罐之间的防火距离按0.4D计算大于20M时，特殊情况下最小可取20m。
现将10×
104m3和15×
104m3两种不同容量储罐组成的罐占地面积列表于1。
由表可以看出：
储罐容量越大，罐组在总图布置的占地面积越小，4台15×
104m3储罐组占地面积比6台×
104m3储罐组占地面积约减少26.4%。
表160×
104m3储罐组占地面积表
名称
储罐容量.m3
6台10×
104m3储罐
4台15×
罐组占地面积.m2
72000
53000
罐组占地百分比.%
100
73.6
2）节省罐区的总投资根据浙江兴中石油转运公司岱山油库已建一起工程中的工程投资分析，在储罐总容量为20×
104m3相同情况下两台10×
104m3罐区工艺系统投资总计为792.2万元，而4台5×
104m3罐区恭喜系统筒子总计为1212.8万元，前者比后者节省费用35%，说明储罐容量越大罐区的投资也越少。
3）节省钢材和基地工程材料根据日本新日铁公司提供的大型储罐集中容量主要工程量列表于2
表2单台储罐不同容量的主要工程量比较表
容积.m3
5X104
10X104
12.5X104
15X104
基础处理面积m2/m3
565.2
502.4
508.7
525.5
环墙长度m/m3
37.7
25.1
22.62
19.5
罐体钢材质量.t
1050
1926
2280
2741
单位容积耗钢量.kg/m3
21
19.26
18.24
18.3
由表可以看出，浮顶结构相同时储罐容量越小，单位容量耗钢量越大。
4）便于储运操作管理在储罐总容量相同的情况下，大容量储罐组成的罐区比小容量储罐组成的罐区工艺操作简单，在进油、检尺、维护、出油等方面都较方便。
但是，随着储罐的大型化也会产生一些新问题：
1）罐壁板材料的要求提高了因储罐大型化后，同时也对焊接质量提出更严格的要求；
相相应增加储罐壁厚度，提高对钢材强度和韧性的要求
2）储罐大型化对给定的容量从理论上存在一种建设费用（包括罐体和基础的综合造价）合理的尺寸组合，罐的高度由于地耐力或基础的造价以及其他的原因不可能有很大的变化，主要是增加直径，日本《消防法》从消防方面考虑，规定罐的高度以24m为限，随着容量的增大，对消防措施的要求会更高，一旦发生火灾，如果事先没有预防措施和技术措施，危害性会更大。
由于大容量储罐事故的危害性比小容量储罐更大，因此要求在研究、设计、施工、验收、运行等方面更加慎重。
1.4我国储罐焊接技术发展现状
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。
第二章储罐常用焊接方法及工艺
储罐建造堆焊接质量的要求是：
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。
2.1储罐常用的焊接顺序
2.1.1拱顶储罐的焊接顺序
2.1.1.1罐底板的焊接
1）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。
目前国内大型储罐的焊接方法已经比较成熟，基本上形成了与设计系列配套的焊接方法。
然而各个施工单位的焊接方法各有异同，为了更好的保证大型储罐的质量，下面简要介绍下其焊接质量控制。
2.1.1.2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1），同一方向施焊。
自动焊前，内侧用焊条电弧焊进行封底焊接。
图1环缝自动焊机及电源布置
2.1.1.3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。
2.1.1.4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。
2.1.2浮顶储罐的焊接顺序
2.1.2.1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。
2.1.2.2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。
见图2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。
图2立缝自动焊机布置图
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。
2.1.2.3大角缝焊接
大角缝焊接在第3～4（或2～3）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。
2.1.2.4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。
2.2常用的储罐焊接方法
2.2.1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m3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。
2.2.2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。
2.2.3浮顶储罐的气电立焊
气电立焊是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电弧焊方法，焊缝一次成形，是一种高效焊接技术。
它利用类似于电渣焊所采用的水冷滑块挡住熔融的金属，使之强迫成形，以实现立向位置的焊接。
通常采用外加单一气体（如CO2）或混合气体（如Ar＋CO2）作保护气体。
在焊接电弧和熔滴过渡方面，气电立焊类似于普通熔化极气体保护焊（如CO2焊，MAG焊），而在焊缝成形和机械系统方面又类似于电渣焊。
图3所示为典型的气电立焊原理图，其焊接过程如下：
图3纵缝气电立焊示意图
1）焊接时，罐壁板的背面要垫上玻璃带和水冷铜衬垫，焊缝表面采用滑动水冷铜块；
2）弯曲成形的焊枪深入到由滑动水冷铜块和水冷铜衬垫所围成的坡口内，并沿板厚方向进行简谐振动，振动频率为50～80次/分往复；
3）焊丝采用1.6mm的气电立焊用药芯焊丝；
焊丝的干伸长度保持在40mm左右；
4）保护气体采用100%的CO2，从滑动水冷铜块上部的套管内导入；
5）焊枪、滑动水冷铜块和简谐振动装置都随焊接的进行而同步自动上升。
气电立焊通常焊接的板材厚度在12～80mm最适宜。
单面焊厚度一般在25mm以下，带摆动时可焊接到35mm左右，超过35mm应采用双面焊。
当板材厚度大于80mm时，难获得充分良好的保护效果，导致焊缝中产生气孔、熔深不均匀和未焊透。
大型浮顶储罐的壁板厚度一般在10～40mm之间，并且采用正装法，气电立焊非常适合。
目前，气电立焊在大型立式浮顶储罐建造中被广泛应用，主要焊接壁板的纵缝。
它焊接生产率高，质量好，成本低。
其焊接速度约是药芯焊丝气体保护自动立焊的1.5倍，是焊条电弧焊的15倍。
气电立焊采用的坡口角度比之其他焊接方法要小得多，其熔敷效率相当高，非常节约焊材。
相同条件下，其焊材的用量只有MAG焊的三分之一，是一种非常有潜力的焊接方法。
2.2.4储罐的CO2半自动焊
熔化极CO2气体保护焊在20世纪70年代末期就开始应用于大型储罐的焊接，最初主要应用在角焊缝上。
近年来，国内一些施工单位将CO2半自动焊应用到储罐的罐底板、壁板、罐顶板、浮顶和附件等部位的焊接施工中，均取得了较好效果。
不仅焊缝美观，质量好，变形小，而且减少了打磨量，效率高，在储罐施工中应进一步推广。
储罐的CO2半自动焊主要采用实芯焊丝，成本低，但也有采用药芯焊丝的，以进一步提高焊接效率。
但CO2焊对风非常敏感，施工现场常年存在风的袭扰，因此野外使用时，焊接区域需增加防风设施。
另外，CO2焊的辅助机具较多，搬运麻烦，增加了辅助工作量，特别是高空作业不适用。
2.2.5拱顶储罐的CO2气体保护自动焊
拱顶储罐壁板较薄，且采用倒装法安装，纵缝不适合CO2气电立焊。
近年来，国内一些施工单位尝试采用CO2气体保护自动焊进行中薄板拱顶储罐壁板纵缝的焊接。
与焊条电弧焊相比，可提高工效2倍，但应用不是很普遍。
CO2气体保护自动立焊机由焊接电源、自动送丝机、焊接小车及轨道、供气系统和行走机架等部分组成。
各个部分合理地集成在焊接机架上，将机架进行整体封闭防风，并与环缝埋弧自动横焊机共用一条圆形轨道。
操作时，机架置于轨道之上，并靠着罐壁板沿轨道行走至被焊立缝处，然后安装焊接轨道，并使之与纵缝平行，在焊接轨道上安装焊接小车，启动焊机，进行焊接。
焊接小车在立式储罐上的安装结构如图5。
立焊机操作室如图4所示。
在实际使用时，焊接电源和气瓶可以安置在操作室内，也可安置在专门制作的电焊机房内，并配置配电箱和漏电保护装置，但连接焊接电源与机架之间的焊接和控制电缆的长度应达到50m。
图4立焊机操作室示意图
图5焊接小车及轨道安装示意图（俯视图）
1）焊接电源可选用CO2气体保护焊专用电源或多功能电源，送丝机应选择推丝式送丝机。
2）焊接小车是实现自动焊接过程的驱动机构，它安装在焊接轨道上，带着焊枪沿罐壁上下运动，是实现罐壁自动立焊的重要环节之一。
核心部分是行走机构和焊枪摆动调节机构。
它的焊枪姿态（即焊枪的位置）应能在立式储罐的环向、轴向、径向上调整，还应能在立式储罐横截面和纵截面内调整角度。
摆动机构可使焊枪按直线形、锯齿形、梯形、矩形等波形摆动，通过对其参数调节可实现各种摆动方式，以满足焊接工艺的要求。
焊接小车应体积小、重量轻、操作方便。
目前，国内外开发出的多种型号的焊接小车均可用于储罐纵缝的焊接。
3）轨道是通过某种方式（如永久磁铁、电磁铁）吸附在罐壁上供焊接小车行走和定位的专用机构。
轨道的结构和质量直接影响到焊接小车行走的平稳程度和位置的准确性，即影响到焊缝质量及外观成形。
可采用铝合金刚性轨道。
4）立焊机操作室可以自行设计制作。
要做到既要保证人员和设备的安全，又要防风，以保证焊接质量。
2.2.6药芯焊丝MAG气体保护焊
药芯焊丝富氩保护焊可以用在焊接工作温度－33℃～－60℃左右的大型低温储罐，由于受焊接材料及热输入的限制，尚未见到有关阐述采用该方法进行低于该温度工况储罐的焊接的资料。
对于工作在－60℃以下的储罐。
如采用9Ni钢建造的储罐，自动焊的方法首选MIG焊或自动TIG焊。
富氩保护气的组成，一般为80％Ar十20％CO2，提高氩气的混合比例，可相应提高焊缝的低温冲击性能。
2.2.7储罐建造的其他焊接技术
有些用于储存液态化工产品的内浮顶储罐，为了防止原料污染，储罐建造后，还要进行储罐内壁不锈钢衬里或有色金属材料（如铝）防护等。
薄壁（0.5～2mm）不锈钢衬里的安装主要采用焊接方法，常用的方法有：
焊条电弧焊、TIG焊和MIG焊等。
铝金属的防护层可采用热喷涂的方法，实际应用有：
线材火焰喷涂和电弧喷涂方法等。
第三章大型储罐的焊接常见缺陷及质量控制
3.1大型储罐的焊接缺陷及原因
3.1.1横焊缝常见的缺陷
3.1.1.1外观缺陷
1.底层焊缝成型不良
主要原因是焊丝与罐壁的角度及位置不正确。
1）熔深过大，容易产生高温裂缝。
2）根部熔合不良，会产生夹杂。
2.烧穿现象
1）焊丝与罐壁的角度小于55度。
2）壁板间隙较大（一般为零，但施工中不可能达到）。
3）焊丝距离根部太近。
4）焊接电流过大。
3.外层焊缝成型不良。
焊丝的位置不正，焊丝的位置是影响横缝外观缺陷的重要原因。
3.1.1.2熔合不良
发生在焊缝层间及焊缝与母材之间，产生的原因：
1）焊丝距离根部过远。
2）电流过小或电压过低。
3）焊接速度过快。
3.1.1.3气孔
焊缝中有水分，一般埋弧焊发生表面气孔时内部必定也有气孔。
3.1.1.4夹杂
1）焊丝位置距离根部较远。
2）对口间隙较大，手工填缝时为除去焊渣。
3）背面焊缝请根不彻底。
4）焊接电压过低。
3.1.2立焊缝常见缺陷
3.1.2.1外观缺陷
1焊缝内表面缺肉
（1）坡口表面尺寸大于铜滑块尺寸。
（2）焊接电压小于规定值。
（3）焊丝位置过于靠根部
2焊缝边缘出现凸起（未平滑过渡）。
（1）坡口上下尺寸比铜滑块尺寸小很多。
（2）铜滑块与钢板有间隙（一般情况下，滑动铜块比坡口上端尺寸大7-9mm且铜滑块与钢板映贴紧，其压紧力可用手轮调节，是导杆与手轮面平行，贴紧程度可用一块铜片视插）。
3焊缝表面偏向一侧
（1）滑动铜块中心与坡口中心偏移。
（2）两钢板的错口量大。
3.1.2.2未熔合
一般未熔合发生在焊缝一侧较多原因：
1）电压低于规定值。
2）焊丝摆动时偏向一侧。
3）背面铜垫块偏移中心。
4）坡口间隙过小。
5）焊丝端部发生弯曲。
3.1.2.3产生气孔（条状气孔比例较多）
原因：
1）保护气体CO2纯度不够，含水量超过标准。
2）气体流量过大或过小，适宜流量为30L/min。
3）金属熔池的位置不合适。
4）铜垫板漏水或水溅在坡口内。
5）玻璃布潮湿。
6）破口内附着水汽。
3.1.2.4焊缝夹杂裂纹
现象：
焊缝裂纹成横向分布，宽度为0.5-2mm，缝中有夹杂，深度距离表面为2-3mm.，以上原因的产生是不当操作的而引起的。
1）铜滑块不均匀上升，有急剧跳动现象。
2）焊丝距铜滑块太近。
3.2储罐的焊接质量控制
3.2.1焊接质量预控
焊接质量预控体现的是哟中主动焊接质量控制的思想，是在正式焊接工作实施前的一种技术准备过程，其主要包括如下工序。
3.2.1.1焊接工艺评定的审查
施工单位需根据设计文件的要求，提供覆盖本项目的所有焊接工艺要求的焊接工艺评定没包括焊接方法、材料（母材、焊接材料）和焊接位置。
合格后，要求施工单位根据焊接工艺评定和现场焊接作业环境编制切实可行的焊接工艺规程和焊接工艺卡。
3.2.1.2焊工资格的审查
其审查的要点有焊工的各种资格证件、焊接方法、焊接位置和有效期、
3.2.1.3焊接方案的审查
审查要点包括焊接顺序、变形控制措施、焊接检验手段和检验器材的赔本。
3.2.1.4焊工现场考试
根据本项目焊接工艺的要求，由监理公司组织有焊接资格的焊工，根据其资格允许的焊接范围进行现场相对应项目的考试，考试合格方可上岗作业。
3.2.1.5监理实施细则审查
监理公司要根据工程实际编制切实可行的监理实施细则，制定焊接过程中的停检点和报验程序。
3.2.1.6无损检测方案的审查
无损检测单位要根据设计文件及规范要求编制无损检测专项方案，重点审查无损检测方法与对应部位的符合性。
3.2.2焊接过程控制
焊接变形的控制较焊接本身强度的保证更难以实施。
因此，焊接过程必须从焊接方法的选择、焊接工艺参数的确定、板材规格的选择以及组对等多角度考虑，下面以罐底板和罐壁办进行简要介绍。
3.2.2.1罐底板
1）中幅板规格
大型储罐罐底板采用的规格是11X13800X2500mm，这样可以大大减少焊缝的延长米，一方面节约焊材，另一方面更有利于控制焊接变形
2）底板组对
储罐底板采用带垫板的对接焊缝（包括中幅板及边缘板）。
在组对吊装过程中，为了防止板材变形选用长度为6米的平衡杠进行垂直吊装；
为了防止在打底焊接时铁水沿底板与垫板之间外流，在组队时严格控制底板与垫板间隙，间隙小于等于1mm。
3）焊接方法的选择
采用CO2半自动焊+碎丝填充埋弧自动平焊工艺。
由于埋弧自动焊的热输入高，穿透力强，所以自动焊接之前，必须进行封底焊接。
因为CO2半自动焊在焊接过程中速度恒定，热输入均匀，焊接变形均匀，而且焊接效率高。
一般单台10×
104m3油罐底板只需5-6台半自动焊机就能满足施工进度的要求，克服了大批焊工同时焊接的弊病。
CO2半自动焊打底结束后，采取碎丝填充埋弧自动平焊的工艺进行填充和盖面焊接，由于埋弧自动焊接热输入高，为了提高熔敷速度，需要在打底焊接结束的破口内放置一定厚度的碎焊焊丝（一般与坡口齐平为宜），以提高焊接熔敷速度。
4）焊接材料及工艺参数的选择
焊接材料及工艺参数的选择如下表。
表3焊接材料及工艺参数表
焊道层数
焊接方法
焊接材料
电流
（A）
电压
（V）
焊接速度（cm/min）
送丝速度（inch/min）
气体流量（l/min）
电解极性
牌号
直径
1
GMAW
TWF711
1.2
200-210
30-35
8-9
9-10
15
反接
2
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