黃一飛

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

工藝管線焊接工作量量化分析

黃一飛

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

通過對工藝管線預制過程中焊接工作量的統(tǒng)計分析，得到一個能將各形式焊口的焊接工作量統(tǒng)一起來、結果更為精準的計算方法。

工藝管線；焊接工作量；量化分析

在工藝管線預制過程中，通常需要預制的工作量、工期等作為依據，進而確定人力、設備、焊材等需要配置的資源。然而，由于管線連接形式、坡口形式、尺寸、材質、焊接工藝等多種多樣，目前所使用的DB和DIN難以對焊接工作量做一個準確的統(tǒng)計分析。本文結合現場工藝管線預制時組隊、焊接實際，進行焊接工作量量化分析，得到能夠將各種形式焊口的焊接工作量統(tǒng)一起來的計算方法。

1 DIN和DB在進行焊接工作量計算時的問題

DIN（dia-inch），用公稱直徑（英寸）來表示工作量的一種計量單位，即焊接當量是指直徑1英寸的一個焊口為1個焊接當量。這種統(tǒng)計方法只考慮了焊口直徑，計算較為簡單，易于操作，適用于承插、螺紋和對焊接頭。然而，由于DIN法沒有考慮壁厚的影響，在計算壁厚較大的管線的焊口時，誤差較大。對于壁厚大于8mm的焊口，需要加乘一個系數，并且加乘系數難以確定，增加了計算分析的難度。DB(dia-inch-butt)，指用寸徑表示的焊接工作量的計量單位，即是指直徑一英寸，壁厚40S的一個對焊口為1個焊接當量。實際運用中，由于插焊口的多為2英寸以下的焊口,占項目整體焊接工作量的比例也較小,因此也用DB來表示插焊口的焊接工作量。對于小于1英寸插焊口，一個焊口為一焊接當量；大于1英寸且不大于2英寸，尺寸較小，插焊口和對焊口焊接工作量均為尺寸數乘以一個焊接當量；大于2英寸的管，多為對焊口，即一個焊口的焊接工作量為尺寸數乘以不同壁厚等級所對應的加乘因子。

然而由于同一壁厚等級（參考ASME36.10）不同尺寸的管線其壁厚也不同，采用DB法，同一焊工焊接不同尺寸管線時每天的焊接工作量差異較大，影響進行定額定量的分析精準度。

2 焊接工作量量化分析

2.1 焊接工作量算法的確定

通常情況下，碳鋼管線壁厚小于6mm的對焊口，其僅需要封底和蓋面就可完成焊接。壁厚大于6mm碳鋼管線焊口，需經過封底、填充和蓋面三道工序。由于三道工序的操作難度不同，熔敷相同質量的金屬，其工作量也不同。然而，在DB算法中，并未對這三道工序焊接工作量的差異進行區(qū)分，僅僅是尺寸數乘以不同壁厚等級所對應的加乘因子。為此，針對焊口采用了焊接工作量計算的組合算法，即是在傳統(tǒng)DB算法的基礎上分別考量封底、填充、蓋面三道工序的工作量，根據不同工序的熔敷金屬質量和操作難易程度，分別進行計算，使焊接工作量的計算結果更為精準的一種算法。

2.2 焊接工作量計算公式

根據前述對對焊口焊接工作量采用的組合算法，其計算公式如下：

式中：S為焊接工作量；

n為尺寸數；

V為熔金體積；

V0為1英寸SCH40對焊口熔金體積；

η為調整系數。

式中以尺寸1英寸壁厚SCH40的對焊口的焊接工作量為單位焊接工作量。由于焊接時封底和蓋面的熔金體積不易進行計算，但其與焊口的尺寸近似成比例，因此式中用n代表了填充和蓋面的工作量，填充和蓋面的體積近似為nV0，填充的體積是V-nV0，填充的工作量則是η（V-nV0）/V0。

2.3 填充體積的計算

由于不同的焊接工藝中焊縫坡口的形式也不盡相同，下面以工藝管線在進行焊接時通常采用V型坡口進行分析計算，焊縫圖形如圖1所示。

圖1 V型坡口填充面積示意圖

其中，各字母意義如下：δ為管線壁厚；c為坡口底端鈍邊間隙；h1為頂端蓋面余高；h2為底端封底余高；h3為坡口底端鈍邊高度；α為坡口角度；a為單邊蓋過坡口寬度；b為頂端蓋面寬度；D為管道直徑。焊縫填充體積計算中，將焊縫面積分為了四份。第一部分為頂端蓋面余出體積，采用近似的算法，直徑取管線外徑，公式如下，

第四部分為封底余出體積，采用近似算法，公式為：

因此，可得出熔金體積公式如下，

根據上述熔金體積公式，可精確地計算出采用V型坡口不同尺寸、規(guī)格的焊口的熔金體積，并可以據此估算焊材的使用量。對于其它坡口形式的焊口，也可以參照上述計算方法進行熔金體積的計算。

2.4 調整系數的確定

調整系數η，其意義是等體積的熔金量，填充與封底的焊接工作量之比。調整系數的選取直接影響到了焊接工作量計算的準確性。因此，為了消除人力、設備、環(huán)境等因素對焊接工作量計算的影響，調整系數的選取是根據實際生產中每人每天焊接工作量的統(tǒng)計數據進行擬合，其具體擬合過程如下：

（1）進行數據的統(tǒng)計，即統(tǒng)計一段時間內不同焊工每人每天焊接不同尺寸和壁厚的焊口的數量。（2）利用公式S=n+η（V-nV0）/V0，給定一個η值，算出每日實際工作量。（3）得出日均工作量S0，并計算出每個焊工實際日工作量與S0的算術平方差。（4）對每組數據的算術平方差進行求和，值為N；。（5） 不斷調整η值，確定N值最小時所對應的S0和η值。確定調整系數時，對每組數據的算術平方差求和并找出S0值最小時的調整系數，使計算的焊接工作量最接近實際工作量。前述所得S0，即為采用該算法在當前生產條件下的焊工日均工作量。

3 焊接工作量量化分析方法應用及拓展

前述焊接工作量的量化分析，均是針對采用手工氬弧焊的焊接方法以及坡口形式采用V型坡口的碳鋼工藝管線的焊口。在具體應用時，需要先對一段時間內焊接作業(yè)進行統(tǒng)計，并以此作為數據基礎擬合出調整系數。

根據擬合出的調整系數，利用前述焊接工作量的計算公式進行后續(xù)的焊接工作量的計算。對于不同材質、焊接方法、坡口形式的焊口，也可以參考上述將焊接工作量分為封底、填充、蓋面三部分的量化分析方法。該焊接工作量的量化分析方法中的調整系數由于是針對各特定自生產條件下擬合出來，從而有效地消除了人員、設備等因素對焊接工作量計算的影響,尤其適用于大批量的采用流水線生產作業(yè)的管線預制工作。此外，由于在前期需要大量的數據統(tǒng)計工作，并且在后續(xù)的應用中需要計算不同尺寸規(guī)格焊口的熔金體積，可以開發(fā)一個簡便的操作界面，提高計算分析的效率。

工藝管線的預制包括了下料、機械加工、組對焊接、熱處理、試壓、檢驗、噴砂噴漆等工序。工作量的量化分析不僅體現在焊接工作量上，其它預制工序中的各個環(huán)節(jié)均可參考前述進行分析的方法，從而確定自己的生產能力和項目的整體工作量，并合理配置各個工序的設備、人員等，使生產要素資源達到飽和狀態(tài)，從而尋求生產效率的最大化。

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