15×104m3大型储罐“外脚手架+自动焊”正装施工工法

'15×104m3大型储罐“外脚手架+自动焊”正装施工工法中国石油天然气管道局编写人管道二公司：朱怀德、张德山、张晓东、王小平、冯成功1．前言大型储罐施工中，安装工艺与焊接质量直接决定着储罐施工的进度与质量，对储罐投产后的运行安全及维护极其重要。在以往施工中多采用“内脚手架+自动焊”进行施工，但“内脚手架+自动焊”施工操作空间小、高空作业危险系数大、对母材损伤大。中国石油天然气管道局第二工程分公司（以下简称“管道二公司”）在西部管道工程兰州原油末站15×104m3大型储罐施工中，根据15×104m3大型储罐罐底半径大、第一节罐壁厚达42mm，且施工板材大部分为日本新日铁的低合金高强钢（SPV490Q），屈服强度高，浮船结构复杂等特点，革新走廊板铺设顺序、壁板立缝焊接、浮船组装顺序等工艺，采用“外脚手架+自动焊”正装施工工艺简化组对、焊接程序，有效地节约施工资源、缩短工期、提高了作业安全系数、降低作业人员的劳动强度，大大提高了特大型储罐施工质量，解决了储罐施工成本高、工期长等问题。“15×104m3特大型储罐安装技术”获得了“管道局2007年度技术革新奖一等奖”和“2007年度管道科学奖二等奖”。2．特点以往的大型储罐安装一般采用—18— 在罐壁板内侧焊挂耳，再分节悬挂内三脚架搭设内脚手架作为操作平台进行组对，焊接时采用自动焊进行焊接，以保证储罐的组装质量和焊接质量。与之相比，本工法优点如下：2.1无需专门制作搭设内脚手架的工装，操作空间大，降低了高空作业的危险系数和总工作量；2.2走廊板铺设一次定位，一次焊接成型，铺设精度高；2.3壁板立缝一次焊接成型技术，简化施工程序，缩短工期；2.4改变浮船组装顺序及工艺，保证浮船的组装精度，减少了焊接变形；2.5可进行多工序交叉作业（防腐保温、附件安装、无损检测），加快施工工期。2.6总体工艺简单、实用，施工工期短，经济效益好。3．适用范围适用于各种大中型储罐正装施工。4．工艺原理及流程4.1工艺原理罐壁板组装采用外脚手架作为组装的操作平台，根据每节壁板的安装进度逐层进行外脚手架的搭设，并使用相应工装卡具在储罐外侧分别进行罐壁板立缝与横缝的组对；该平台同时可作为储罐附件安装、无损检测、储罐罐体防腐保温的操作平台。使工序可以紧密衔接，大大提高了作业安全系数。—18— 图4.1外脚手架、罐壁焊缝组焊平台示意图储罐立缝焊接采用CO2气电立焊一次焊接成型，横缝焊接采用埋弧自动焊多层焊接成型。每节壁板照此操作，直至完成所有壁板施工。—18— 4.2工艺流程施工准备储罐基础施工储罐施工板材储运罐壁板及储罐附件预制浮船及附件预制储罐基础验收罐底划线垫板铺设罐底边缘板铺设罐底板中福板铺设焊接底板焊缝PT检测焊接边缘板外侧300mm边缘板外侧300mmRT检测罐底板真空试漏第一节壁板放线浮顶临时架台搭设浮船底板铺设第一节壁板组焊停监点验收第二节壁板组焊第三至其余各节壁板组焊加强圈组焊抗风圈组焊包边角钢、平台组焊大角缝焊接浮梯、盘梯预制八卦缝焊接盘梯安装加热盘管，中央排水管，量油、导向管等安装储罐上水试压放水清罐交工验收1/2圈船舱组焊浮船顶板铺设真空、煤油试漏剩余船舱组焊浮梯及浮船附件安装—18— 5．操作要点5.1现场施工准备5.1.1组织相关施工人员熟悉施工图纸、技术说明、相关规程、规范，对储罐施工人员进行技术交底；5.1.2结合施工组织设计和焊接工艺评定，从预制、安装、焊接、检查四个方面编制《15×104m3双盘式浮顶油罐施工作业指导书》；5.1.3保证施工场地“三通一平”，合理布置焊机并设置围栏；5.1.4为提高储罐施工质量，制订罐底组装与焊接施工工艺、罐壁自动焊工艺、浮船组装工艺。5.2罐底板的组装与焊接5.2.1采取以往的施工工艺：即在铺设罐底板时先铺设中幅板大板，然后再铺设走廊板。这样铺设与焊接后，无法保证中幅板大板和走廊板的组对间隙，势必导致重新起吊走廊板，再进行走廊缝的二次切割，以满足焊接的需要。本工法施工采取走廊板铺设一次定位，一次焊接成型的工艺，避免了二次铺设走廊板。如图5.2.1-1和图5.2.1-2所示：中幅板中幅板切割后的组装间隙二次起吊后的，走廊板位置线走廊板一次定位铺设后走廊板位置线走廊板中幅板中幅板组对间隙：4±1mm图5.2.1-1旧工艺走廊板铺设示意图图5.2.1-2新工艺走廊板铺设示意图—18— 5.2.2罐底板预制时严格控制切割质量，以保证罐底板铺设时的精度。5.2.3铺设过程中严把质量关，控制组对间隙。5.2.4铺设顺序：放线铺设吊车施工便道铺设走廊板铺设中幅板大板。5.2.5罐底板铺设后，应使用片马进行固定，保证走廊板依次铺设的精度。图5.2-4罐底板铺设罐底板铺设图5.2-3罐底板放线5.2.6罐底板焊接采用“CO2气体保护自动焊接+碎焊丝埋弧自动焊接”工艺。采取该工艺有以下优点：1．组对间隙小，大大减少了焊接输入量，焊接变形小，节省了技措用料；2．只需要4人操作4台焊机7天就可以完成罐底板焊接，节省了人力和设备，降低了职工的劳动强度；3．焊接质量上来讲，以前手工焊打底焊接，经PT一次检测合格率在90%左右，而采取CO2气体保护自动焊后，PT一次检测合格率达99%以上。4．焊接质量关键控制点：1）焊接前，使用砂轮机或钢丝刷清除坡口两侧各20mm范围—18— 坡口内的铁锈、污物，并采用压缩空气吹净。2）焊接时，轨道与焊接线（坡口）平行，一边要观察焊道的成形情况，一边随时调整焊丝的对正位置。3）严格控制组对间隙，防止焊接输入量增大而引起的焊接变形。太小时，必须用砂轮机打磨出间隙，保证焊透。4）焊条、焊剂在使用前应严格按规定烘干，做到随用随取，焊条应放在保温筒中。焊接过程中要严格按照工艺要求控制焊接参数（见表5.2.6）。表5.2.6罐底板自动焊焊接工艺参数焊接材料焊丝直径（mm）电流（A）电压（V）焊接速度(cm/min)最大热输入量(KJ/cm)CHT7111.2140～18020～288～1220～40Y-C/YF-154.8600～80035～4520～4020～405）SPV490Q板组焊焊前必须预热100℃以上（包括层间温度和清根、点焊前）。6）罐底板所有丁字缝初层焊清根后，必须PT检测合格后，方可进行填充盖帽焊接。图5.2.6-2碎焊丝埋弧自动焊接图5.2.6-1CO2气体保护自动焊接—18— 5.3壁板立缝气电立焊5.3.1以往的壁板立缝的起弧点都要留“汤止步”采用手工焊进行焊接（常规预留50～100mm），在立缝熄弧处使用熄弧板。而管道二公司采用“壁板立缝一次焊接成型技术”，较以往相比，一次焊接成型技术有以下优点：1．充分发挥自动焊设备优势，降低职工劳动强度。2．不再使用熄弧板，在保证焊接质量的同时，简化了施工程序，为缩短工期、提高经济效益奠定了基础。图5.3.1新旧焊接工艺对比熄弧板汤止步旧工艺新工艺3．如果继续保留“汤止步”和“熄弧板”，将存在以下两方面问题：1）继续保留“汤止步”，需使用手工焊进行焊接，易在与自动焊接头处形成焊接缺陷，焊接质量不容易保证。2）继续使用“熄弧板”，在壁板立缝焊接完成后，还需要用气割将“熄弧板”切割掉，切割过程中如有不慎会伤及到母材，且切割完成后还需使用砂轮机打磨。现在的工艺不再使用“熄弧板”，在壁板立缝焊接完成后直接使用砂轮机打磨后就可以达到要求。—18— 5.3.2焊接质量关键控制点：1．根据坡口形式选择铜滑块的规格，坡口宽度不得大于铜滑块尺寸，一般情况下比坡口上端尺寸适当放宽。铜滑块要紧贴壁板，不得有缝隙。2．焊接时观察焊丝到熔池的距离，随时调整焊丝伸出长度，使其保持在35～45mm。正常情况下，应保持熔池液面高度在铜滑块保护气体出口部位5mm的距离。3．自动焊机焊枪自动上升速度受焊接电流和焊丝长度控制，焊接过程中按照焊接工艺参数调整好，不得随意调节。4．若自动焊机突发故障，使焊接突然中断，重新引弧焊接时在引弧部位形成的“中间接头”，必须清除存有的气体和夹渣。电焊工应在接头处及时标注返修。5．清根、点焊前、层间温度始焊前必须预热达到100℃以上。6．焊接前，检查组装弧板是否牢靠，预防产生焊接变形。5.3.3罐壁板立缝的组对及防变形卡具图5.3.3罐壁板立缝的组对及防变形卡具示意图5.3.4第一节罐壁板防变形支具—18— 壁板内侧与边缘板间焊上防变形斜支撑（如图5.3.4），其数量为每张边板设3根，等八卦缝缝焊完之后拆除。斜支撑边缘板罐壁板罐内侧图5.3.4第一节罐壁板防变形支具示意图5.4壁板横缝埋弧自动焊壁板横缝焊采用MZHF-I型埋弧自动焊机，利用壁板作为焊机行走轨道。该焊机采用垂下特性的电压自动控制原理，灵敏控制送丝速度，使焊接电弧稳定，焊缝成形良好。5.4.1壁板组装壁板组装采用专用卡具，组装时利用背杠留一定的组对间隙，并在罐壁外侧每隔300mm点焊50mm，焊接顺序为先内后外。内侧第一遍焊时，外侧应使用焊剂进行堵缝。焊接工艺参数见表5.4.1：表5.4.1壁板横缝埋弧自动焊焊接工艺参数焊接材料焊丝直径（mm）电流（A）电压（V）焊接速度(cm/min)最大热输入量(KJ/cm)Y-E/NF-11H3.2380～55028～3630～4020～32H08A/HJ4313.2340～50028～3626～3416～305.4.2质量控制要点：—18— 1．为减小焊缝熔敷金属内应力，避免焊接冷裂纹和延迟裂纹的产生，必须清除坡口内的水份，焊前预热至100～150℃。2．焊接内侧第一遍时，调节焊枪与水平面成35°角，其余几遍调节角度至45°。3．焊接过程中及时去除焊渣，清除焊渣观察焊道外观是否成形良好。4．横缝焊接第一遍时，若采用大电流快速焊时，易产生埋弧焊凝固裂纹，焊接时适当调整电流。5．使用砂轮机清根后的焊道应保证其原始坡口形状变化不大，形状应为U形。6．碳弧气刨清根后、组焊前必经PT检测合格方可焊接（SPV490Q板）。图5.4.2-2罐壁横缝自动焊接图5.4.2-1CO2气电立焊5.4.3环缝组装采用的卡具为背杠、门型卡、小销子（如图5.4.3）—18— 图5.4.3环缝组对支具示意图5.5浮船施工针对15×104m3储罐浮船底板图纸选用的是“人”字排板，和以往的条形排板不同，针对该特点，本工艺结合施工规范调整浮船的施工程序如下：5.5.1预制浮船框架时，摒弃以往先预制后校直的做法，通过计算制作浮船预制胎具，预留50～70mm的焊接反变形量，然后再进行组对焊接。5.5.2搭设浮船架台时，根据图纸要求事先将50mm坡度留好，然后使用水准仪逐圈进行找平，保证浮船架台为整体的一个锥面。5.5.3和以往不同的是，浮船组装时没有先从浮船中心舱开始，再逐圈向外组装，而是按照图纸进行放线后，选择从第四圈浮船框架开始组装，然后依次向中心和两边进行组对。—18— 5.5.4该工艺优点是：1．保证了浮船的组装精度，将累计组装误差进行了分解；不象以往施工，浮船组装到最后时还需要进行调整。2．使焊接应力均匀释放，减少了焊接变形。在整个浮船施工结束后,浮船底板的变形非常小，取得了预期的效果。图5.5.4-2焊接成型的浮船底板图5.5.4-1浮船桁架组装5.6劳动组织表5.6劳动力资源序号工种人数序号工种人数1项目经理110铆工152项目副经理111焊工453安全总监112电工24技术员113操作手15经营计划员214起重工2—18— 6会计/出纳215钳工17HSE监督员116司机28质量员117普工409工地主任118火焊工66．主要设备及手段用料表6主要设备及手段用料No名称规格型号单位数量备注1汽车吊车25t台12履带吊车50t台13叉车WA470-3M/C台14立缝焊机SEGARC-SAT台45横缝焊机MZHF-I台86CO2半自动焊机YM-600KH2HGE台47平焊机YS-LT-7台48电焊机DC-800S台509焊剂烘干箱YZLH—10015kW台110焊条烘干箱YGCH-X—10015kW台111滚板机70×3500B90kW台112剪板机Q11-13×250040kW台113空压机WF—63/745kW台214卷扬机1.5吨6kW台215电动试压泵SY3505kW台216离心泵Q=600m2/hH=33m台117半自动切割机CG1-303kW台1018五十铃双排座CA1046L21.5t辆119指挥车/辆220配电箱100KVA个821经纬仪KJ2台122水准仪S7台123防爆灯/个824红外线测温仪/个1—18— 25风速仪/个126漆膜测厚仪TT300个12728角向磨光机Φ180台2028角向磨光机Φ125台107．质量标准7.1《立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范》GB50128-20057.2《压力容器无损检测》JB4730-20057.3《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》GB985-887.4《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2001、J84-20018．安全保护措施8.1施工前，组织相关人员对危害因素和环境因素进行识别，评价出重大危害因素和重要环境因素，制订削减、控制措施。8.2对所有施工人员进行技术、安全交底，并进行演练，保证每个施工人员熟悉操作规程、流程。8.3现场安全设施符合相关要求；设置醒目HSE标识。8.4所有施工人员应正确佩带劳动防护用品，高空作业人员必须配带安全带。8.5起吊作业前，起重人员应明确分工、各负其责、共同协作。起吊时应由专人指挥，发出的信号应准确、清晰。—18— 8.6上罐作业时，电焊软线及氧气、乙炔胶管不准缠在身上或背在肩上，应用吊绳拉上或卸下。8.7高空焊接、切割作业处下方不准有人作业或逗留。8.8高空焊接后的焊条头、切割下的料头不得乱扔，应采取可靠方法运回地面，并妥善处理。8.9施工用电按临时用电要求安装线路，架空线不低于3.5米；沿地面敷设的电线要用双层橡胶电缆，过路时要加防护套管，较长期使用的过路电缆应埋入地下。8.10进入有限空间作业，施工前应办理《进入有限空间作业票》。8.11现场有HSE监督人员进行巡查。与施工无关的人员应远离现场。9．经济分析采用“外脚手架+自动焊”正装施工工艺与以往的“内脚手架+自动焊”施工工艺相比，施工工效高、质量好，施工工期大大缩短，且施工人员、焊材和技术措施用料省，施工安全系数高，经济效益显著。9.1施工过程中节约的费用以往使用“内脚手架+自动焊”施工工艺进行储罐主体施工时，无法同时进行储罐附件的安装，且使用内脚手架工艺进行储罐外壁的防腐保温时，还需另外搭设作业平台，造成施工资源的重复投入。现使用“外脚手架+自动焊”施工工艺多道工序可交叉进行，形成流水作业，大大缩短了施工工期，节约了施工资源，提高了作业安全系数，节约的各项费用如下：1．节约人员费：(520人.元/天×25人×30天)=39万元—18— 2．节约设备费：自动焊机：787元/台班×12台×25天=23.61万元手工焊机：90元/台班×25台×30天=6.75万元其他施工设备：2200元/台班×2台×30天=13.2万元3．未采用革新工艺时，横焊单面焊接完成后要使用碳弧气刨清根，然后再使用砂轮机打磨坡口，采用新工艺后，直接使用砂轮机打磨就可以。共节省焊道清根费用1.18万元。4．未采用革新工艺时，焊接罐底走廊缝时，需要使用20#槽钢控制变形；技术革新后，不再使用。节省材料费用如下：200m×25.78Kg/m×4.57元/Kg=2.36万元5．节省搭设防腐保温作业平台的费用：人员：(210人.元/天×25人×15天)=7.88万元材料租赁费：1100元/天×30天=3.3万元6．投入的安全保护措施节约费：3.41万元以上各项合计节约费用：100.69万元9.2浮船技术革新节约的费用按以往工艺进行施工后，在进行最外圈船舱组装时，经常会发生船舱隔板尺寸与图纸尺寸不相符的现象，因此必须对船舱隔板进行重新下料切割与拼接。不仅造成材料的大量浪费，而且影响施工进度。采取新的施工工艺后，首先进行浮船中心舱和最外圈船舱的组对，保证组装精度的同时，将施工过程中产生的累计误差分解在了其他各圈船舱的组对过程中，无需再进行最外圈船舱隔板的重新下料切割与拼接。节约的费用如下：人员：(520人.元/天×5人×3天)=7800元—18— 设备：（90元/台班×5台×3天）=1350元材料费：5300元/吨×1.2吨=6360元合计节约费用：1.551万元9.3工期方面节省的费用施工工期比EPC项目部节点提前了3个月（实际提前合同工期8个月），平均每天可节省费用1.9万元，3个月合计节省171万元。10．应用实例管道二公司承建的西部管道工程兰州原油末站15×104m3储罐是中石油首台15×104m3储罐，比以往施工的储罐容积大，储罐高度高，直径大，大部分板材为进口日本新日铁的低合金高强钢（SPV490Q），第一节罐壁厚达42mm等特殊性。采用15×104m3特大型储罐“外脚手架+自动焊”安装工法施工，储罐焊接质量提升到了一个新的高度，其中储罐各项几何尺寸一次合格率100%；储罐RT检测一次合格率：99.6%，PT检测一次合格率：99.8%，MT检测一次合格率：100%。兰州15×104m3储罐工程自2007年6月18日开工，同年8月23日完成罐壁主体报捷，日历工期65天、有效工期56天，提前四个多月安全、优质、高效地完成了储罐主体施工任务（比合同工期提前8个月），社会效益和经济效益显著。—18—'