27万m°LNG储罐铝吊顶焊接变形质量控制.pdf

rquipment&Installation装置与安装27万m LNG储罐铝吊顶焊接变形质量控制杨洪滨1张宝陈立新米朝清沈伯任韩小康41，中石化第十建设有限公司山东青岛2 6 6 5 5 5;2.中国海洋石油工程质量监督化工中心站山东济南2 5 0 0 0；3.广东珠海金湾液化天然气有限公司广东珠海5 19 0 0 0；4.海洋石油工程股份有限公司天津30 0 0 0摘要2 7 万m3LNG全容式储罐铝吊顶的主要作用是承载顶部保冷材料和密封件，是LNG储罐施工中的重点管控项目之一。但因铝合金材质导热性强，且热容量大、线胀系数大、熔点低和高温强度小等特点，铝吊顶的焊接变形量及焊接质量是施工过程中的控制重点及难点。通过采用新的焊接顺序，在不改变拟定的焊接材料和焊接工艺参数的条件下，有效降低铝吊顶的凹凸度，减少铝吊顶整体变形量及焊接残余应力，使整体平整度满足设计及规范要求。关键词铝吊顶焊接LNG储罐焊接顺序焊接变形中图分类号TE682文献标志码文章编号16 7 2-9 32 3(2 0 2 3)0 8-0 0 6 3-0 5国内2 7 万mLNG储罐的铝吊顶根据设计的不同，结构方式也有很大差异。有的吊顶板为螺栓连接的组装方式，不需要焊接；有的吊顶板则为焊接形式。以珠海某项目2 7 万m3LNG储罐铝吊顶为例，该储罐的铝吊顶半径4 4 9 0 0 mm，安装标高为4 8.9 7 2 m，通过吊杆、加强圈与穹顶连接，由吊顶板、14 圈加强圈及不锈钢吊杆组成。铝吊顶材质为5 0 8 3-0，属于铝镁合金。1铝合金焊接1.1铝合金焊接工艺27万m3LNG储罐的焊接铝吊顶采用熔化极气保护焊（氩气），选用ER5183型号的气保焊丝。由于铝板较薄，焊丝直径1.2mm，保护气体为9 9.9 9 9%纯氩气。在氩气使用时需要注意，在引弧时提前5 s以上启送氩气，已排除管路及焊枪内的残余空气；在息弧后，继续送气10 s左右，以防止未冷却的工件焊接区域被氧化。27万m3LNG储罐要求所有焊接工艺评定采用现场原材进行试验，确保各项焊接参数的积累和现场施工的一致性。在控制各项工艺参数时，要保证线能量的输出，从而保证铝合金材质本身焊接的变形量。根据线能量公式得出，一般角焊缝和对接焊缝（正面）线能量控制在8.2kJ/cm内,对接焊缝背面焊缝控制在12 kJ/cm内。具体焊接工艺参数见表1。1.2焊接特点由于铝合金与钢的物理性能差异，焊接时易产生以下问题：（1）铝的氧化能力强，氧化铝熔点高，能吸附大量湿气，易形成夹渣及气孔；(2）热传导率和导电率高，比热容、熔化潜热大，焊接电源产生的热量很快由母材疏导出去，容易产生未焊油化工建 2 0 2.0 6 3 表1铝合金焊接工艺参数Erquioment&lnstalatin装置与安装喷嘴直径焊丝直径焊接方法/mmGMAW20透、未融合及焊缝气孔等缺陷；(3）铝合金的热膨胀系数大，焊接变形较为显著；(4）铝合金在37 0 左右时强度很低，焊接时易出现塌；(5）铝熔化时不像钢、铁，没有明显的色泽变化，焊接温度难以掌握。2铝吊顶焊接变形的原因分析2.1铝吊顶的波浪变形铝吊顶的吊顶板为=5 mm的铝合金板，采用搭接形式。长短不均匀且纵横交错的焊缝比较多，焊接后平面会产生波浪形，也就是凹凸度。主要原因在于：(1）因为铝合金薄板焊接时，焊缝的纵向和横向压应力使得板材失去了原有的稳定性；再者每块独立的铝吊顶薄板是长方形的，其宽窄边上焊接的热输人不均匀，故板材焊后收缩也是不均匀的；(2）加强环厚板与吊顶板的T型角焊缝焊接，会在焊缝上形成横向收缩引起角变形，而其收缩量的直接表现就是铝板出现了局部凹凸，从而形成波浪变形。2.2加强环板对接焊缝的横向和纵向收缩变形27万mLNG储罐铝吊顶加强环是由14 圈铝板组成，焊缝根据厚度的不同采用单面或双面坡口形式。对接焊缝在横向(焊缝宽度方向)和纵向(焊缝长度方向)都会因受热和装配产生变形。焊缝纵向收缩主要受焊缝长度(加强圈宽度)和母材材质线膨胀系数的影响，焊接层道数量也是影响因素之一。横向收缩主要受加强圈板厚度、坡口角度的影响，板越厚、坡口角度越大，收缩量也越大。2.3加强环对接焊缝的角变形加强环板对接焊缝，尤其是单面坡口焊缝会因为受热不均匀产生厚度方向上的角变形。加强圈板焊接在厚度方向上温度是不均匀的，温度低的一面膨胀小，但是直接受热温度高的一面受热膨胀大，两者的不同导致了横向压缩和塑性变形。厚度方向上直接表现出来就是收缩不均匀，一面收缩大、一面很小,产生了一定的角度，形成角变形。保护气体流量/mm/(Lmin-)1.224保护气体焊接电流电弧电压种类/A氩气1702073铝吊顶焊接变形的影响因素3.1焊接顺序铝吊顶施工过程中，未采用对称焊接，无法克服或减少由于先焊接的焊缝在焊件刚性较小时造成的变形。所以建议采用对称焊接。对于不对称焊缝，要先焊接焊缝少的一侧,后焊接焊缝多的一侧，使后焊的焊缝变形足以抵消前焊缝的变形，以使总体变形减小。3.2焊接方向对一条直焊缝来说，如果按同一方向从头至尾焊接，其焊缝越长，焊接变形越大。这主要是由于整条焊缝冷却的先后不同，在膨胀、收缩过程中所受到的拘束程度不同而引起的。焊接铝吊顶过程中，应将连续焊改成分段焊，并适当改变焊接方向，以使局部焊缝造成的变形适当减小或相互抵消，达到减小总体变形的目的。在采用分段焊后，由于接头增多,应特别注意焊缝接头的质量。3.3焊接方法铝及铝合金在焊接过程中，大量热量能被迅速传导到基体金属内部。因而焊接过程中，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位。这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著。为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的电源。2 7 万mLNG储罐的铝吊顶焊接采用的是熔化极气保护焊(氩气）。此种焊接方法的焊丝作为电极，可采用高密度电流；母材熔深大，填充金属熔敷速度快，焊接生产率高。另外，采用直流反接，焊接铝板时有良好地阴极清理作用，可去除妨碍影响熔化的氧化膜，焊缝成形良好。3.4 材料铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍，铝凝固时的体积收缩率较大，因而焊件的变形和应力较大。4铝吊顶焊接变形控制方法4.1技术准备(1）根据设计图纸，将整个铝吊顶在CAD图纸中重新放样，画出13圈加强圈的位置与最外圈T型环的位置焊接速度V/(cmmin-)202323.527.1最大道间温度150（实际 9 8)rquipment&Installation装置与安装(T型环为第14 圈加强圈）。止点焊过程中出现较大变形。(2）可将每圈加强环的对接焊缝位置在图中标注(6）底板铺设完成后，由外向内依次画出加强环安出，便于观察对接焊缝与铝吊顶板拼接焊缝的重叠位置，装位置。加强环安装位置根据图纸尺寸在铝吊顶板上划提前做出调整。线确定，根据划线位置；对加强环角焊缝与铝吊顶板搭接(3）将铝吊顶长条板短缝、长条板长缝、通长缝及异焊缝相交处的铝吊顶板搭接焊缝焊接完成后，再根据划线形板焊缝用颜色区分，便于划分区域及指导现场施工。本位置依次对加强环进行点焊固定。安装过程中，适当对加项目紫色为长条板短缝、绿色为长条板长缝、红色为通长强环安装半径进行放大（大概1%左右即可），保证焊接收缝。缩时依然符合图纸设计尺寸。(4）根据图纸情况，划分五种异形板焊接区域，并采4.3合理的焊接顺序用颜色的不同来区分不同位置焊缝的焊接顺序。4.3.1整体焊接顺序(5）2 7 万m3LNG储罐的铝吊顶直径可达由外向内、由四周向中心进行焊接。注意T型环除89.97m，故在施工过程中将相邻两个加强环之间的环形外，由于该项目设计的2 7 万mLNG储罐铝吊顶T型环区域划分成6 一8 个区，即逐次对称向罐中心焊接以加强形式与其他项目有所区别,T型环是在吊顶板的下部,与环划分的区域。后续所有的焊接均需要参照此区域和颜吊顶板搭接，需在第10 圈和第11圈加强环的环形区域焊色的划分。具体划分见图1。接完成后再焊接T型环与吊顶板搭接位置，见图2。第十三圈加强环0 异形板区域五最外圈红色填充第十二圈加强环区域为T型加强环270%图1铝吊顶焊缝及区域划分图4.2合理的安装顺序(1）铝吊顶板铺设在外罐基础上进行，铺设之前在储罐基础上划出储罐十字中心线，画出吊顶铺设大圆半径为4 4 9 8 5 mm。(2）铝吊顶板的铺设按照条形铺设方式进行，0、90、18 0、2 7 0 方位线必须在外罐底板标记好，然后按照铝吊顶的排版图由中心开始向四周呈辐射式铺设铝吊顶板。(3）铝吊顶板设计图纸为搭接形式，搭接长度为30mm（最小不小于2 5 mm）。三板搭接部位按图纸进行切角。(4）铝吊顶板铺设时吊顶板铺设半径加大7 0 mm。(5）铝吊顶板铺设过程中安排合格的有资质的焊工同步进行铝板的点焊定位工作。点焊时除保证焊接质量外，还需要在焊缝周围放置重物(如碎石子小桶)压平，防第十三圈加强环第士圈加强环第九圈加强环第八圈加强环第七圈加强环第六圈加强环第五圈加强环第四圈加强环第三图加强环第三圈加强环第一圈加强环异形板区域四异形板区域三异形板区域二异形板区域一90T型环图2 T型环铝吊顶板连接简图根据图1的区域划分,进行分区域分段对称焊接：将相邻2 圈加强环之间的环形区域分成6 一8 个区，按照从外向中心焊接的顺序进行对称焊接，即逐次对称向罐中心焊接以加强环划分的区域。4.3.2铝吊顶区域内焊接原则(1）将T型环(第14 圈加强环)与第13圈加强环之间的铝板全部点焊,开始安装第13圈加强环（内外两侧均点焊）。第13圈加强环压住的铝板焊缝焊接10 0 mm，所压的铝板焊缝两侧至少点焊2 0 0 mm，并且点焊时要加配重，必须保证铝板平整。安装13圈加强环后马上安装12 圈加强环，使其形成环形焊接区域。(2）注意无论是点焊还是正式焊接时，都需要增加一定重量的配重进行调整。配重在本区域焊接完成并焊缝温度降至常温后，才可撤离至下一焊接区域，否则会严重影响铝吊顶焊后的变形量。(3）在焊接环形区域前，将已经点焊的加强环调直并正式焊接。采用门型工装进行调直工作，材料采用铝板铝吊顶板Erquioment&lnstaltin装置与安装边角料即可。注意焊接加强环与铝吊顶板之间的焊缝前，对加强环角焊缝与铝吊顶板搭接焊缝相交处的铝吊顶板搭接焊缝焊接完成后，再根据划线位置依次对加强环进行点焊固定。焊接方式采用错列断续焊，除非在吊杆连接位置需要在吊杆两侧焊接一段30 0 mm连续焊，具体见图3。2310圈一T型环圈12圈13圈40图5 焊接顺序简图0806300675(150)吊顶图3加强环与吊顶板焊接详图(4）加强环与吊顶板焊接完成后，焊接加强环之间立缝(对接焊缝)。焊接时考虑到焊接变形,采取反变形的措施，即朝焊接收缩的反方向倾斜。(5）将12 圈和13圈加强环焊接固定后，焊接加强环之间的区域。此部分区域较为特殊，既包含长条板焊缝，又包含异形板焊缝。焊接顺序为：优先焊接长条板上的短缝，其次焊接长条板之间的长缝，再次焊接通长缝，最后焊接异形板位置。异形板焊接按照先短缝，后长缝原则，并根据不同异形板区域进行调整焊接方向，具体参见图4。异形板区域一异形板区域三2323-90(6）后续11圈加强环之后焊接顺序均参照优先焊接长条板上的短缝，其次焊接长条板之间的长缝，再次焊接通长缝的焊接顺序。其目的是以后面焊接的变形量改变之前的焊接变形量，通过多次变形量的相互抵消，来调整平整度。每焊接一圈加强环后，在焊接环形区域内吊顶板焊缝，以此类推。最需要注意的是，加强环的安装需要与环形区域逐次跟进，不可一次性将加强环全部安装完成，具体参见图5。(7）最外圈异形板焊缝是在第10 圈与第11圈加强环环形区域内的焊缝焊接完成后，返回焊接此部分焊缝。6 化工建设 2 3.8 焊接顺序为先焊接异形板搭接焊缝，最后焊接T型环与异形板搭接的环焊缝，避免板幅收缩造成吊顶板与T型环搭接量不够。1501506L5图4 异形板焊接顺序示意图(8）内部区域焊接原则是由外侧向中心分段倒退焊接，隔5 0 0 mm，焊5 0 0 mm。焊接时，其相邻区域内和相邻10120长条板需要将点焊打磨掉，让吊顶板可以自由伸缩，减少变形量。其余加强环区域按此方法进行安装焊接。此步骤至关重要，否则会加大铝吊顶变形量。4.4其他注意事项(1）焊接前，用卡具固定或用重物压住，防止焊接变形,重物建议采用碎石子，如采用沙袋破损后不易清理。(2）焊接之前先用点焊固定位置，为保证焊缝强度，点焊长度应大于5 0 mm。(3）保护气体采用混合比为9 9.9 9 9%的纯氩气，当氩气瓶压低于0.5 MPa后压力不足，不能使用。如果氩气纯度低，会造成焊接易出现缺陷，多次返工也会增加铝板的变形量。(4）焊接时，为了保证接头部位的低温韧性，需要控制焊接热输人。采用多道焊，以缩短高温停留时间。(5）罐内焊接时，在大小门洞处需采用适当的防风措施，防止产生气孔和焊道急剧冷却，造成焊接变形过大。(6）加强环焊接点焊时，容易产生表面气孔，在弧坑处产生弧坑裂纹。焊接时可在点焊部位采用分段退焊法将弧坑填满，以减少焊接缺陷。(7）铝吊顶的不锈钢吊杆采用定尺到场，避免因材料尺寸原因造成不锈钢吊杆连接出现焊口，避免因不锈钢吊杆焊接变形影响铝吊顶整体平整度。5结论通过在珠海某项目2 7 万mLNG储罐项目中的实践，在直径如此大的铝吊顶施工过程中以上述焊接顺序控rquipment&Installation装置与安装制铝吊顶的焊接变形,发现平整度均控制在2 0 mm以下，油化工建设,2 0 16,38(0 6):6 1-6 3完全满足设计及规范要求。而且外观成型美观，能够达到3王晓军，吴建英，薛洲，等.LNG全容罐5 0 8 3铝合金吊顶焊接施工技术 J.焊接技术，2 0 11,4 0(2)：2 3-2 5.控制整体施工质量的目的，对现场施工具有良好的指导作用。参考文献1龚家林，陈克朋，刘标.5 0 8 3铝合金的焊接工艺改进 J.焊接技术,2 0 2 0,4 9(6):5 4-5 6.2张继军,韩磊.16 万mLNG储罐铝吊顶焊接变形的控制 J.石4】肖俊彦，樊睿智，陆皓，等.5 0 8 3铝合金平板对接焊接变形实验与计算分析 J.造船技术,2 0 0 8,(5)：19-2 1.5】武建朝，姚渊，汪小华，等.5 0 8 3铝合金TIG焊接缺陷产生机理及预防措施 J.机械制造文摘一焊接分册，2 0 2 3,(1)：39-4 3.(收稿日期:2 0 2 3-0 6-11)(上接5 6 页)2.8.2注意事项(1）如果在施工中将卡套螺母拆下，严禁疏忽大意将前卡套和后卡套位置安装错误，这将造成卡套的损坏和泄漏，同时造成施工返工。严重的将造成整根绝热管的浪费。(2）卡套一定要安装到位，插人不到位会造成卡套的泄漏。插入前必须对管子插入长度进行标记，以确保管道插人到位（如图8 所示）。必须提前通知监理、业主单位进行现场旁站、见证，试压过程中做好完整的试压记录，试压完成后及时将试压资料报监理、业主单位审验。2.11伴热站保温伴热站保温形式有两种，一种为传统保温，一种为保温夹克形式。现场施工根据厂家提供的保温形式进行保温。伴热站保温材料采用离心玻璃棉及铁皮等保温材料必须经过验收合格，凡不符合设计性能要求的不予使用。效益分析3经济效益采用的施工工艺，材料基本得以有效利用，极少产生(a）正确插入（到位)图8 卡套安装到位示意图2.9卡压检查用专用量规检查卡压后尺寸是否到位，防止不良施工。应仔细检查卡压尺寸，量规刚好能够放人螺母间隙则螺母已经充分拧紧。量规已经不能放入卡压处时，应再次卡压或切断后重新安装。2.10系统试压由于伴热站在出厂前是经过严格试压后才放行发货至施工现场并附有试压报告，故在系统试压过程中考虑管路是成套安装，系统试压采用与主管连接完成后做一次系统试压即可。系统试验压力不得小于公称压力的1.5 倍，试验时间不得少于5 min，系统不渗漏即为合格。每套系统试压前(b）错误插入（不到位）浪费现象。且施工速度快，成型及布线美观，得到业主及监理高度认可，大大减少焊接工程量，同时也减少了高空作业时间，安全保障提高。质量好，有保障。蒸汽伴热集成系统施工，所用人员构造简单，施工效率快，比传统工艺在工期比较提升2 倍，在人员与材料比较节约3倍成本。该工艺在项目得到了很好的应用，很大程度的节约了施工成本，同时也保证了施工的安全，得到建设、监理单位的一致好评。参考文献1中华人民共和国工业和信息化部.GH/T3040-2012石油化工管道伴管及夹套管设计规范 S.北京：中国石化出版社，2 0 13。(收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 6)化 建 2 0 2 3.0 6 7