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摘要：众所周知，当前石油是重要能源之一。在工业化建设进程不断加快的背景下，我国石油行业也得到了迅速发展。石油储罐是石油储存的重要设备，分析石油储罐圆弧段的设计及制作过程，对于确保石油储运安全、促进石油行业的持续发展，有着十分重要的意义。
关键词：圆弧段；凸凹模；设计；制作
引言
随着经济的快速发展，油气产品需求量越来越多，中国从国外进口的油气产品增长迅速，用于油气产品储存石油储罐需求也在增多，特别是国家石油战略储备库的建设，以及沿海商业油库、LNG接受站等建设，石油储罐工程市场前景很好，参与石油储罐工程施工的单位也越来越多。国外一些著名的大型石化工程公司瞄准中国这一具有相当潜力的市场，石油储罐工程市场竞争也越来越激烈。
1模具设计及成形过程
1.1模具凸凹面成形
炉底圆弧段略成环碗型，如图1所示，可以看作是yoz平面上曲线w’w”：（y-m）2+（z-R）2=R2（y∈[m，m+R]，z∈[0，R]）绕z轴旋转360°而成的环形壳体。其在空间坐标系中的方程为：[（x2+y2）1/2-m]2+（z-R）2=R2，对于炉底圆弧段，有m=7200，R=300（注：计算时取环形壳体的中间尺寸）。这么大的环形壳体不可能一次成形。我们采用的方法是沿环形壳体圆周方向等分32等份，根据每等份的尺寸（等份块如图1中a’a”w”w’所示），预先制作好凸凹两套模具（这两套模具的凸面、凹面形状与等分块a’a”w”w’形状相同），将凸凹两套模具分别安装在锻压机上下压头上，压制出32块形状相同的等分板，然后再拼接焊连成形。
图1 圆弧段等分块
每块等分板的理论设计形状及尺寸如图1中曲面a’a”w”w’所示。根据等分板的理论设计形状及尺寸，考虑到板厚因素和压出后等分板外缘处的不规整，我们将每块等分板外形尺寸加大50-100mm，相应即可确定凸凹模具模板的尺寸和形状。需要强调的是，这样压出的等分板成形后需要将有不规则变形边缘的50-100mm部分切割掉，在拼接焊连时才能保证炉底圆弧段的几何外形尺寸）。
1.2凸凹模具立筋加强板的成形
如图1所示，过O点沿底圆半径方向作该等分板的一系列截面，可截得一系列弧段a’a”、b’b”、c’c”……，取各弧段的中点a、b、c……，过a、b、c……各点作等分板曲面的法线，则各法线共同组成了曲面板a’a”w”w’的中线法面。该法面与曲面板的交线即中线aw，中线aw将法面分为内法面和外法面。外法面即为凹模立筋加强板所在的位置，内法面即为凸模立筋加强板的位置。
1.3凸凹模具的形成
凸凹模板及上下立筋加强板确定以后，即可将它们分别组焊在一起，并在立筋加强板两侧增焊一系列侧筋板。考虑到乌鲁木齐周围地区锻压机的行程大都在1.5-2m以内，故可将凸凹模的高度定在400-500mm以内，并在与凸凹模板相对面分别加焊上下盖板（底板），并在盖板上钻孔，供与锻压机上下压头相连接。考虑到乌鲁木齐周围地区锻压机压头的压力约在100-1000t范围内，石油储罐圆弧段被压件的板厚为20mm（材料为Q235B），这样即可确定出石油储罐圆弧段模具（分凸模、凹模上下两套）凸凹模板、上下立筋加强板、侧筋板、上下盖板等一系列构件的具体尺寸，如图2所示。经计算，可将凸凹模各构件的材质定为Q345B（锻压Q235B其力学性能足以达到要求）。手工电弧焊将这些构件组焊在一起，焊条选用E5016，焊角高度需在8mm以上，最后进行加固修磨等处理即可得到阿特劳石油储罐圆弧段制作所需的凸凹模模具。
图2 圆弧段凸模和凹模
2凸凹模具的定位和压制
2.1固定凸凹模具
将锻压机上压头开到行程最高位置，用行车把凸模、凹模吊到锻压机工作台上，然后下降压头，用螺栓将凸模固定在上压头上，凹模固定在锻压机底座上。凸模固定好后，凹模的位置要根据凸模来调整，必须使凸凹模的纵向中心线与锻压机的纵向中心线相吻合，上下模的凸凹模板面之间也要相吻合，这样才能使压头的压力均匀地分布在被压工件上。
2.2热压成形
将下好的Q235B板料（厚度δ=20mm）用加热炉加热到1060-1120℃，使之呈赤黄色（无黑心），保温20-40min，在奥氏体单相状态下用800-1000t锻压机（有效行程为1.5m）在压模间缓慢加压，一次成形，板料定型呈黑色后方可吊出，以免变形。
3石油储罐圆弧段的制作过程
将凸凹模压制板料的工作过程重复32次，便可得到32块本文篇首所述的等分板。将这32块等分板拉运到阿特劳工程现场，而后进行修整，将设计模具时每块等分板外形尺寸加大的50-100mm部分切割掉（此部分位于边缘，因内应力不均匀常常变形也不规整），这样所得到的每块板料就恰好是图2所示的环碗状炉底圆弧段的1/32（即图1中理想等分块a’a”w”w’）。将这32块板在预先放好地样的钢平台上拼接、组焊（组焊时要打支撑加固，成形后再把支撑割除），最后就可得到要求的一个石油储罐底部的圆弧段。为保证工程质量，制定了严格的焊接制作工艺规程。
3.1焊条
针对母材为Q235B、20mm钢板，我们选用抗冷裂纹和热裂纹能力较强的碱性低氢焊条E5015（结507）。
3.2坡口
为减少热裂纹和消除气孔，采用V型坡口，以降低母材熔化比。破口附近的油、锈应去除干净。
3.3预热
焊前应缓慢预热，以降低冷却速度，控制临近焊缝区处马氏体的形成，降低淬硬倾向，以有效地防止冷裂纹的产生。此外，预热还可以改善接头的塑性，减少焊接残余应力。根据Q235B钢的碳当量，我们把预热温度定为100-150Ⅱ，焊前用氧炔焰缓慢把焊缝坡口处预热到这个温度范围。3.4焊接
采用直流反接，先用?3.2mm焊条打底，电流70-80A，再改直流正接，用?4.0mm焊条盖面，电流80-100A。焊接时锤击焊缝，减少残余应力，防止出现裂纹。
3.5焊后处理
焊后要注意保温缓冷。因条件所限，施焊时在现场搭建了大棚，焊后在圆弧段周围支上火炉，让焊件缓冷，使氢从接头区扩散出去，以防止出现冷裂纹。
3.6罐体防腐
圆弧段制作好后再与罐体直管、罐底圆板焊连在一起，清理焊渣、浮锈后即可进行防腐处理。防腐分为内防腐和外防腐。根据规范要求油罐内壁应选用导静电涂料，油罐外壁涂层应有较长的使用年限，宜选用防锈性好的底漆，保光保色性好、耐候性佳、易涂覆和维修的面漆。按此要求，给油罐内壁选择了金属粉体导静电涂料，油罐外壁底漆采用环氧富锌类油漆，面漆选择了丙烯酸类油漆。
结语
总之，在石油储罐制作过程中，其圆弧段制作是难点。用凸凹模模具分片进行压制，再拼接、组焊，是一种较好的成形方法。确定凸凹模模具各构件时，模板的形状、尺寸和材质是重点。在施工现场焊接圆弧段等分板时，要严格按照焊接工艺规程控制整个焊接制作过程。大型罐体制作时，除圆弧段外，制作其他各种形状曲线绕罐体轴线所成过渡段时，也可采用这种方法成形。
参考文献：
[1]胡利，赵永锋，林小刚.Q235B热轧厚钢板力学性能不合格原因分析与控制[J].物理测试，2016，34（5）：46.
[2]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第3卷：焊接结构[M].北京：机械工业出版社，1995.
[3]刘建华.材料成型工艺基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.
[4]赵志业.金属塑性变形与轧制理论[M].北京：冶金工业出版社，2000.
论文作者:唐天浩
论文发表刊物:《防护工程》2018年第33期
论文发表时间:2019/2/22
标签：凸凹论文; 圆弧论文; 等分论文; 石油论文; 储罐论文; 压头论文; 模具论文; 《防护工程》2018年第33期论文;