李平建，朱其勝，張春華

（1.福陸 （中國）工程建設(shè)有限公司，上海 201103；2.昆山貝色特材裝備有限公司，江蘇昆山 215321）

焊接工藝規(guī)程（WPS）是根據(jù)合格的焊接工藝評定（PQR）編制的、用于產(chǎn)品施焊的焊接工藝文件。標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝規(guī)程（SWPS）則是基于PQR編制的、可以多次重復(fù)使用的升級版WPS或WPS產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化文件。與WPS相比，SWPS的應(yīng)用范圍廣、使用頻率高且工藝參數(shù)更為嚴(yán)格。SWPS用于對焊接操作者提供指導(dǎo)，以保證焊接符合規(guī)范要求。因此，提供給焊工的SWPS應(yīng)易理解、易執(zhí)行，且數(shù)量越少越有利于執(zhí)行。但從目前國內(nèi)壓力容器制造企業(yè)具體實踐看，多數(shù)企業(yè)沒有利用好SWPS這一工具。筆者提出壓力容器制造企業(yè)可以編制供企業(yè)內(nèi)部使用的SWPS，并探討在企業(yè)中推行SWPS的可行性。

1 SWPS在國內(nèi)外使用情況

1.1 AWS及ASME推出的SWPS

AWS D1.1/D1.1M推出免除評定的WPS已多年，AWS D1.1/D1.1M：2020《Structural Welding Code—Steel》［1］中列出了不同的焊接方法、母材、厚度、焊接技巧以及接頭形式，當(dāng)這些參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)組合使用時，則認(rèn)為可免除評定。文獻［1］中的焊接方法包括焊條電弧焊（SMAW）、熔化極氣體保護焊（GMAW）、藥芯焊絲電弧焊（FCAW）和埋弧自動焊（SAW）。文獻［1］的規(guī)定減輕了企業(yè)負擔(dān)，在鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)得到廣泛使用。

2000版的ASME BPVC.Ⅸ中就已推出SWPS，是指經(jīng)過評定合格且官方認(rèn)可的焊接工藝規(guī)程。ASME BPVC.Ⅸ—2019《Welding，Brazing，and Fusing Qualifications》［2］第 5 章及強制性附錄 E給出了可允許使用的SWPS。ASME BPVC.Ⅸ—2019中采用33種適用母材僅限于P-No.1和P-No.8，焊接方法為 SMAW、GTAW、GMAW、FCAW，以及覆蓋厚度為3～38 mm(氬弧焊最小 1.5 mm)的 SWPS，并要求第一次使用SWPS的單位在使用前還要焊接1個驗證性試件進行試驗，且僅限于產(chǎn)品卷中不要求沖擊試驗的情況。此類SWPS在國外壓力容器制造企業(yè)應(yīng)用極為普遍。

1.2 SWPS在國內(nèi)應(yīng)用分析

1.2.1 鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)

GB 50661—2011 《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》［3］借鑒AWS D1.1并充分考慮國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)焊接情況，也增加了免予評定的相關(guān)條款，第6.6節(jié)提出了免予焊接工藝評定的WPS的限制性條件，供國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)參考或使用。

1.2.2 壓力容器制造企業(yè)

當(dāng)前，國內(nèi)特種設(shè)備行業(yè)國家層面的SWPS尚未推出。筆者近5 a來審核了多個國內(nèi)外項目的700余項合同、300多家國內(nèi)外壓力容器制造企業(yè)的WPS和PQR，查閱了其它項目100余家制造企業(yè)的WPS。在審核國外的焊接技術(shù)文件時發(fā)現(xiàn)SWPS應(yīng)用已經(jīng)普及，而國內(nèi)部分制造企業(yè)仍然按 NB/T 47015—2011 （JB/T 4709）《壓力容器焊接規(guī)程》［4］的推薦表C.3來編制焊接工藝卡，相比之下效率低很多。

由于SWPS的應(yīng)用涉及到PQR的輸出問題，因此目前國內(nèi)尚未允許采用SWPS。值得注意的是，目前國內(nèi)有關(guān)PQR的國家標(biāo)準(zhǔn)均是采用相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)等同轉(zhuǎn)化而來的。主管部門基于長期工業(yè)實踐證實行之有效的工程經(jīng)驗，結(jié)合我國科研成果的技術(shù)內(nèi)容，今后還會根據(jù)實際情況將焊接工藝規(guī)程和評定方面的國際標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)、及時地轉(zhuǎn)化為我國使用的國家標(biāo)準(zhǔn)［5］，以減少不必要的浪費。

1.3 推廣SWPS的意義

國內(nèi)壓力容器制造企業(yè)在焊接方面存在諸多困難,①焊接技術(shù)人員相對緊張，從事焊接工藝編制及相關(guān)工作的管理人員少，任務(wù)繁重。②熟練焊工招聘困難，焊工流動頻繁，年齡老化［6］。③企業(yè)花費大量時間按 NB/T 47015—2011（JB/T 4709）推薦表C.3編制焊接工藝卡，但實際執(zhí)行并不到位。很多工藝卡沒有發(fā)放到作業(yè)區(qū)，有的雖然發(fā)放到了作業(yè)區(qū)，但焊工普遍不看。有的焊工即便看了工藝卡，也不按其要求執(zhí)行。

筆者認(rèn)為，推廣SWPS有益于提升壓力容器制造企業(yè)成本控制水平，有效解決上述問題。

2 壓力容器制造企業(yè)SWPS編制

2.1 PQR和WPS有效期

2.1.1 PQR有效期

GB 50661—2011的第6.1.9節(jié)規(guī)定，免予評定的除外，根據(jù)板厚、鋼材分類、受力狀態(tài)和碳當(dāng)量來分類，對焊接難度等級A、B、C的PQR有效期為5 a，對于D級的PQR應(yīng)當(dāng)按照工程項目進行工藝評定。

TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》［7］規(guī)定，PQR技術(shù)檔案應(yīng)當(dāng)保存至該工藝評定失效為止，PQR試樣應(yīng)當(dāng)保存5 a。如果PQR一直在使用，就不會失效。

2.1.2 WPS有效期

筆者沒有查到對WPS有效期的明確規(guī)定。依據(jù) NB/T 47014—2011 （JB/T 4708）《承壓設(shè)備焊接工藝評定》［8］第6.2.3條規(guī)定，當(dāng)增加或變更次要因素時，不需要重新評定，但需重新編制預(yù)焊接工藝規(guī)程（p-WPS）。因此可以認(rèn)為，在重要因素、補加因素和次要因素不變的情況下，WPS無需改變，可重復(fù)使用。

例如，1臺Q345R塔器上有超過100個方位、標(biāo)高、伸出長度及大小等級不同的接管，接管直徑、厚度可能影響焊工資格的安排，但其方位等不是變更WPS的變素，也就是說1個WPS可以用于多個接管的焊接。某合同中有90臺Q345R容器，1個WPS完全可以用于1個合同中多臺容器的焊接。某項目中有超過1 500臺Q345R容器，1個工廠承接該項目的多個合同，1個WPS也可以用于同一項目多個合同容器的焊接。

WPS的編制原則為，在重要因素、補加因素和次要因素不變的情況下，1個WPS可以用于1臺容器多個接頭、1個合同多臺容器、1個項目不同合同或多個項目容器的焊接。WPS是可以重復(fù)使用的。

2.2 焊接技術(shù)文件要求

一個完整的焊接技術(shù)文件通常包括以下內(nèi)容,①根據(jù) GB 150.1～150.4—2011 《壓力容器》［9］第4.5.1.2節(jié)或 者ASME BPVC.Ⅷ.1—2019 《Rules for Construction of Pressure Vessels》［10］UW-3編寫的焊接接頭編號示意圖。②WPS一覽表或目錄。③WPS以及WPS的支持文件——PQR。

NB/T 47014—2011 （JB/T 4708） 中提出了p-WPS的概念。p-WPS是為進行PQR所擬定的焊接工藝文件，是一次性為PQR服務(wù)的。PQR試驗合格，p-WPS使命完成。PQR試驗不合格，則需重新擬定p-WPS再進行相關(guān)試驗。

2.3WPS及SWPS格式

國內(nèi)部分壓力容器制造企業(yè)經(jīng)常是在PQR合格后，將 p-WPS升級為 WPS，依據(jù) PQR編制 WPS。筆者也建議參照ASME BPVC.Ⅸ—2019的QW-482表格，刪去QW-402～410并增加編制人員認(rèn)為需要或必要的一些重要、補加、次要變數(shù)到WPS或SWPS中，以便指導(dǎo)焊接作業(yè)。

2.4 焊接工藝文件編制

仔細研究 NB/T 47014—2011（JB/T 4708）次要因素，發(fā)現(xiàn)影響重新編制WPS的一個主要方面是焊接接頭形式。各企業(yè)的焊接坡口形式不盡相同，與企業(yè)的實際條件及習(xí)慣密切相關(guān)。焊接接頭形式通常由技術(shù)人員會同車間主任、班組長討論后作為廠標(biāo)確定。因此在編制WPS時，可以把一些典型的焊接接頭形式附在WPS中，以大幅增加WPS的適用性。國內(nèi)外多數(shù)壓力容器制造企業(yè)把坡口詳圖也附在節(jié)點圖后。

不同企業(yè)的工藝目錄或匯總表形式有所不同，典型的焊接工藝目錄形式見表1。

表1 典型焊接工藝目錄形式

可將焊接方法、母材、焊接材料、壁厚、預(yù)熱及層間溫度、焊接參數(shù)和焊后熱處理要求等要素都落實到WPS里面，以滿足監(jiān)管要求［11］。對于一些項目的特殊要求，若在WPS、焊接接頭示意圖及目錄中未表述清楚，可在目錄后面加以備注，方便焊工和焊接檢驗員查閱。例如，①不同合同對焊道寬度的要求不盡相同，有的項目要求焊道寬度不超過 焊 芯 直 徑 的 3 倍 ，NB/T 47015—2011（JB/T 4709）推薦焊道最大寬度為焊芯直徑的4倍，一些加拿大項目中要求焊道寬度不超過焊芯直徑的2.5倍。②焊接接頭表面不得有裂紋、未熔合、未焊透、未填滿、夾渣、飛濺物、弧坑及表面氣孔等缺陷，焊縫與母材要圓滑過渡，接管角焊縫須凹形圓滑過渡。焊縫表面不得有咬邊。工業(yè)發(fā)達國家對制造的絕大多數(shù)壓力容器焊縫表面均進行修磨，容器上很少存在咬邊缺陷，這是我國壓力容器制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)借鑒的［12］。 ③API 582—2016《Welding Guidelines for the Chemical，Oil，and Gas Industries》［13］中的背部保護氣含氧量要求為0.5%， 而在 API 938-C—2011 《Use of Duplex Stainless Steels in the Oil Refining Industry》［14］中的背部保護氣含氧量要求則為0.25%。④焊接雙相鋼的最大、最小線能量范圍。⑤不銹鋼焊接時背部保護氣體一般持續(xù)到熔敷金屬厚度達6.3 mm為止，但有些項目要求保護氣體持續(xù)到熔敷金屬厚度達8 mm甚至10 mm為止。⑥對不銹鋼不允許進行碳刨清根。⑦熱處理后不允許進行焊接、打磨、動火等作業(yè)。

3 壓力容器制造企業(yè)編制SWPS推薦做法

3.1 成熟企業(yè)編制SWPS方法

我國特種設(shè)備制造企業(yè)數(shù)量遠超過其它國家，隨著互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，在未來不久，全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員可能會整合各種數(shù)據(jù)并且推出國內(nèi)的SWPS。在當(dāng)前國家層面尚未推出SWPS之前，國內(nèi)壓力容器制造企業(yè)可以借鑒AWS D1.1/D1.1M：2020、ASME BPVC. Ⅸ—2019、GB 50661—2011的方法，依據(jù)已有的PQR編制企業(yè)內(nèi)部可重復(fù)使用的WPS或SWPS。

依據(jù)1份評定合格的PQR報告可以編制出多份焊接工藝指導(dǎo)書，也可以依據(jù)多份PQR報告編制1份焊接工藝指導(dǎo)書［15］。在監(jiān)造過程中，筆者走訪過超200家壓力容器制造企業(yè)，發(fā)現(xiàn)企業(yè)PQR少的幾十份，多的則有幾百份甚至幾千份。GB 150.1～150.4—2011 和 GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》［16］中鋼板最小厚度為3 mm，依據(jù)已有的PQR，通過重要因素、補加因素和次要因素的整合優(yōu)化，通過多加幾個PQR號，就可以編制企業(yè)內(nèi)部適用于 SMAW、GTAW、GMAW、FCAW 的，可以覆蓋P-No.1和P-No.8、材料厚度為3～38 mm的SWPS，減少重復(fù)性勞動。

3.2 初創(chuàng)企業(yè)編制SWPS方法及注意事項

國內(nèi)外壓力容器的制造趨勢是通過制定PQR規(guī)則來減少PQR的數(shù)量。同時根據(jù)材料的焊接性能特點、焊接工藝基本規(guī)律和焊接管理要求，找出PQR因素的內(nèi)在聯(lián)系，對各種評定因素進行分類、分組并制訂相應(yīng)的替代關(guān)系、覆蓋關(guān)系和省略關(guān)系，以此編制PQR。PQR在一定條件下是可以覆蓋的，一般的一、二類壓力容器制造企業(yè)，只要認(rèn)真完成10個左右的PQR，即可滿足絕大多數(shù)產(chǎn)品的焊接，從而極大節(jié)約試件的用料，減少加工與試驗工作量［17］。

進行PQR時，很多企業(yè)會選擇技術(shù)最好的焊工來施焊，以確保評定一次性合格。實際生產(chǎn)中焊工技能良莠不齊，技術(shù)人員不定期進行車間巡檢、監(jiān)督、檢查非常必要。一個合格的技術(shù)人員應(yīng)能在壓力容器PQR試驗過程中排除人為因素，不應(yīng)將PQR與焊工技能評定混為一體。主持PQR的人員應(yīng)能分辨出產(chǎn)生缺陷的原因是焊接工藝問題、焊工技能問題還是焊材管理問題，有針對性地去解決。

3.2.1 PQR試樣安排

按照NB/T 47014—2011（JB/T 4708）的規(guī)定，評定對接焊縫p-WPS時，采用對接焊縫試件，對接焊縫試件評定合格的焊接工藝，適用于焊件中的對接焊縫和角焊縫。板狀對接焊縫試件評定合格的焊接工藝，適用于管狀焊件的對接焊縫，反之亦可。對接焊縫試件評定合格的焊接工藝可以用于焊件中各種焊接接頭的對接焊縫和角焊縫。當(dāng)規(guī)定進行沖擊試驗時，需增加補加因素，因此有沖擊試驗的PQR可以用于無沖擊試驗的產(chǎn)品。NB/T 47014—2011（JB/T 4708）與 ASME BPVC.Ⅸ的焊接工藝評定規(guī)則基本相似。對于Q345R/（Fe-1-2）［16］、SA/GB 713 Q345R （P-No.1 Group No.2）或者 ASME BPVC.Ⅸ—2019的 P-No.1等材料，推薦按表 2的厚度各焊接 2套試樣［16］，其中1套用于熱處理。

表2 規(guī)定進行沖擊試驗時的典型焊接工藝評定項目

需要說明的是：①ASME BPVC.Ⅸ—2017《Welding，Brazing，and Fusing Qualifica-tions》［18］的第 QW-405.2 條中關(guān)于焊接位置的補加因素在ASME BPVC.Ⅸ—2019中被刪除，估計今后NB/T 47014版本升級時也會跟進。②在低于下轉(zhuǎn)變溫度進行焊后熱處理時，試件的保溫時間不得小于焊件在制造過程中累計保溫時間的80%。推薦板厚不大于12 mm試樣的保溫時間在2.5 h以上、板厚38 mm試樣的保溫時間在6 h以上，以滿足某些項目3次熱循環(huán)要求（返修1次、熱處理后同部位返修1次、施工現(xiàn)場同部位返修1次）。對有些厚板（如100 mm），甚至要求材料和工藝評定要滿足3次最大和最小熱循環(huán)要求。③采用SMAW進行工藝評定時，要包含生產(chǎn)中可能使用的最大直徑焊條。④有的封頭要求進行正火處理，對于SAW，可以增加1副試板用于正火處理。⑤NB/T 47014—2011（JB/T 4708）與 ASME BPVC.Ⅸ—2019、API 582—2016以及 API 938-C—2011工藝評定的覆蓋范圍稍有差異。

通過上述工藝評定的組合可以編制覆蓋具有熱處理與否及沖擊與否要求的與 GTAW、SMAW、FCAW、SAW有關(guān)的P-No.1材料的SWPS，基本滿足產(chǎn)品需要。

準(zhǔn)備PQR時也可參考文獻［5］及《承壓設(shè)備焊接工程師培訓(xùn)教程》［19］，以避免多做或漏做PQR。需要指出的是，有些企業(yè)對碳鋼未做沖擊試驗或僅僅做常溫沖擊試驗，不能滿足多數(shù)項目的需要。對碳鋼的PQR，推薦進行硬度試驗和-29℃甚至 -46℃的低溫沖擊試驗。Q245R、Q345R、Q370R這類鋼材強度級別低，焊接性好，各制造企業(yè)均已熟練掌握了此類材料容器的焊接工藝，且已做過數(shù)以萬計的產(chǎn)品焊接試件，證明其力學(xué)性能穩(wěn)定，因此編制上述材料的SWPS條件已成熟。

3.2.2 FCAW的使用

對GMAW，也可參照FCAW進行相關(guān)評定。在國外企業(yè)，F(xiàn)CAW比GMAW更為常用。

FCAW通常用于殼體壁厚25 mm以下、無沖擊要求、無熱處理要求的薄壁容器。但是FCAW目前在承壓設(shè)備，尤其是壓力容器受壓焊縫的應(yīng)用方面存在爭議，F(xiàn)CAW的使用需符合合同規(guī)定的技術(shù)要求或者取得業(yè)主同意。筆者在審核相關(guān)文件時發(fā)現(xiàn)，國外企業(yè)也常將FCAW用于碳鋼容器D類焊縫焊接及A/B類縱、環(huán)焊縫的打底，并配以碳弧氣刨清根。

3.2.3 P-No.8材料的SWPS

對于304或316常用材料，既不要求也不禁止進行焊后熱處理，但當(dāng)其用作封頭材料時，通常要求進行固溶處理。筆者曾經(jīng)按照某LNG項目的要求到國內(nèi)企業(yè)見證PQR和焊工考試，該項目要求新PQR和新焊工考試需要見證，舊PQR和老焊工無需見證，只是因企業(yè)之前的PQR試驗項目不全而需要重新補做。例如有些企業(yè)因缺少硬度、鐵素體含量、晶間腐蝕和-196℃沖擊試驗及側(cè)向膨脹量等檢測項目，不得不重做或補做。在進行PQR時，最好一次性完成全部項目試驗，避免后期補做。對304、316以外的有晶間腐蝕要求的300系列材料，還需補做IGC晶間腐蝕試驗。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容只是最低的質(zhì)量要求，實際工程項目的PQR還需要滿足業(yè)主的要求。

3.2.4 P-No.8材料WPS編制數(shù)量縮減技巧

為減少不銹鋼材料的WPS編制數(shù)量，依據(jù)某一鋼號母材評定合格的焊接工藝可以用于同組別號的其他鋼號母材。對于眾多奧氏體不銹鋼歸于一組的情況，雖然這些不銹鋼焊接接頭的耐蝕性能不同，但當(dāng)重要因素不變時其焊接接頭力學(xué)性能相同，國外企業(yè)在SWPW里備注不銹鋼母材及填充金屬以覆蓋更多產(chǎn)品。不銹鋼母材及其填充金屬見表3。

表3 不銹鋼母材及其填充金屬

3.2.5 其它材料SWPS

對 于 Fe-3、Fe-4、Fe-10H 以 及 ASME 材 料P-No.4、P-No.10H等，也可用上述類似方法準(zhǔn)備PQR，以此編制可重復(fù)使用的SWPS。

3.2.6 編制案例

某合同中有80臺過濾器，殼體直徑300～1 500 mm，厚度 8～25 mm，長度 400～3 000 mm，材料為Q345R，壓力不大于1.6 MPa，部分過濾器有沖擊和熱處理要求，A、B、D類焊縫采用GTAW打底+GMAW填充和蓋面，C類和E類焊縫根據(jù)角焊縫長度使用GTAW或GMAW，編制了3個WPS用于產(chǎn)品的焊接，簡單實用。

4 結(jié)語

編制PQR之前，可通過各種方法搜索查找相關(guān)資料，根據(jù)企業(yè)及其它同行的焊接實踐經(jīng)驗準(zhǔn)備PQR，進而編制本企業(yè)的SWPS。之后結(jié)合經(jīng)常出現(xiàn)的問題持續(xù)優(yōu)化，使其日趨完善。基于PQR編制SWPS能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及合同要求，也得到了監(jiān)管部門的認(rèn)可。

在壓力容器制造企業(yè)中推廣應(yīng)用可重復(fù)使用的SWPS，可減少工藝卡編制數(shù)量，使SWPS發(fā)放數(shù)量至少減少80%，還可減少大量文書工作的準(zhǔn)備、打印、分發(fā)、傳遞、提交、批準(zhǔn)等工作，有效降低成本，提高生產(chǎn)效率，使焊接技術(shù)人員有更多的精力和時間到生產(chǎn)一線監(jiān)督檢查。焊接過程控制比焊后無損檢測更為重要，嚴(yán)肅焊接工藝紀(jì)律，排查質(zhì)量隱患，方能保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步提高。