標準焊接工藝規程在壓力容器制造中的應用探討

李平建，朱其勝，張春華

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

焊接工藝規程（WPS）是根據合格的焊接工藝評定（PQR）編制的、用于產品施焊的焊接工藝文件。標準焊接工藝規程（SWPS）則是基于PQR編制的、可以多次重復使用的升級版WPS或WPS產品的標準化文件。與WPS相比，SWPS的應用范圍廣、使用頻率高且工藝參數更為嚴格。SWPS用于對焊接操作者提供指導，以保證焊接符合規范要求。因此，提供給焊工的SWPS應易理解、易執行，且數量越少越有利于執行。但從目前國內壓力容器制造企業具體實踐看，多數企業沒有利用好SWPS這一工具。筆者提出壓力容器制造企業可以編制供企業內部使用的SWPS，并探討在企業中推行SWPS的可行性。

1 SWPS在國內外使用情況

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，當這些參數在規定范圍內組合使用時，則認為可免除評定。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］的規定減輕了企業負擔，在鋼結構制造企業得到廣泛使用。

2000版的ASME BPVC.Ⅸ中就已推出SWPS，是指經過評定合格且官方認可的焊接工藝規程。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應用極為普遍。

1.2 SWPS在國內應用分析

1.2.1 鋼結構制造企業

GB 50661—2011 《鋼結構焊接規范》［3］借鑒AWS D1.1并充分考慮國內鋼結構焊接情況，也增加了免予評定的相關條款，第6.6節提出了免予焊接工藝評定的WPS的限制性條件，供國內的鋼結構制造企業參考或使用。

1.2.2 壓力容器制造企業

當前，國內特種設備行業國家層面的SWPS尚未推出。筆者近5 a來審核了多個國內外項目的700余項合同、300多家國內外壓力容器制造企業的WPS和PQR，查閱了其它項目100余家制造企業的WPS。在審核國外的焊接技術文件時發現SWPS應用已經普及，而國內部分制造企業仍然按 NB/T 47015—2011 （JB/T 4709）《壓力容器焊接規程》［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的應用涉及到PQR的輸出問題，因此目前國內尚未允許采用SWPS。值得注意的是，目前國內有關PQR的國家標準均是采用相應的國際標準等同轉化而來的。主管部門基于長期工業實踐證實行之有效的工程經驗，結合我國科研成果的技術內容，今后還會根據實際情況將焊接工藝規程和評定方面的國際標準陸續、及時地轉化為我國使用的國家標準［5］，以減少不必要的浪費。

1.3 推廣SWPS的意義

國內壓力容器制造企業在焊接方面存在諸多困難,①焊接技術人員相對緊張，從事焊接工藝編制及相關工作的管理人員少，任務繁重。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，但實際執行并不到位。很多工藝卡沒有發放到作業區，有的雖然發放到了作業區，但焊工普遍不看。有的焊工即便看了工藝卡，也不按其要求執行。

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

2 壓力容器制造企業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節規定，免予評定的除外，根據板厚、鋼材分類、受力狀態和碳當量來分類，對焊接難度等級A、B、C的PQR有效期為5 a，對于D級的PQR應當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監察規程》［7］規定，PQR技術檔案應當保存至該工藝評定失效為止，PQR試樣應當保存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有效期的明確規定。依據 NB/T 47014—2011 （JB/T 4708）《承壓設備焊接工藝評定》［8］第6.2.3條規定，當增加或變更次要因素時，不需要重新評定，但需重新編制預焊接工藝規程（p-WPS）。因此可以認為，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，可重復使用。

例如，1臺Q345R塔器上有超過100個方位、標高、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是可以重復使用的。

2.2 焊接技術文件要求

一個完整的焊接技術文件通常包括以下內容,①根據 GB 150.1～150.4—2011 《壓力容器》［9］第4.5.1.2節或 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再進行相關試驗。

2.3WPS及SWPS格式

國內部分壓力容器制造企業經常是在PQR合格后，將 p-WPS升級為 WPS，依據 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并增加編制人員認為需要或必要的一些重要、補加、次要變數到WPS或SWPS中，以便指導焊接作業。

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，發現影響重新編制WPS的一個主要方面是焊接接頭形式。各企業的焊接坡口形式不盡相同，與企業的實際條件及習慣密切相關。焊接接頭形式通常由技術人員會同車間主任、班組長討論后作為廠標確定。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。國內外多數壓力容器制造企業把坡口詳圖也附在節點圖后。

不同企業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、預熱及層間溫度、焊接參數和焊后熱處理要求等要素都落實到WPS里面，以滿足監管要求［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。工業發達國家對制造的絕大多數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應當借鑒的［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。

3 壓力容器制造企業編制SWPS推薦做法

3.1 成熟企業編制SWPS方法

我國特種設備制造企業數量遠超過其它國家，隨著互聯網大數據的應用，在未來不久，全國鍋爐壓力容器標準化技術委員可能會整合各種數據并且推出國內的SWPS。在當前國家層面尚未推出SWPS之前，國內壓力容器制造企業可以借鑒AWS D1.1/D1.1M：2020、ASME BPVC. Ⅸ—2019、GB 50661—2011的方法，依據已有的PQR編制企業內部可重復使用的WPS或SWPS。

依據1份評定合格的PQR報告可以編制出多份焊接工藝指導書，也可以依據多份PQR報告編制1份焊接工藝指導書［15］。在監造過程中，筆者走訪過超200家壓力容器制造企業，發現企業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，依據已有的PQR，通過重要因素、補加因素和次要因素的整合優化，通過多加幾個PQR號，就可以編制企業內部適用于 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，減少重復性勞動。

3.2 初創企業編制SWPS方法及注意事項

國內外壓力容器的制造趨勢是通過制定PQR規則來減少PQR的數量。同時根據材料的焊接性能特點、焊接工藝基本規律和焊接管理要求，找出PQR因素的內在聯系，對各種評定因素進行分類、分組并制訂相應的替代關系、覆蓋關系和省略關系，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，只要認真完成10個左右的PQR，即可滿足絕大多數產品的焊接，從而極大節約試件的用料，減少加工與試驗工作量［17］。

進行PQR時，很多企業會選擇技術最好的焊工來施焊，以確保評定一次性合格。實際生產中焊工技能良莠不齊，技術人員不定期進行車間巡檢、監督、檢查非常必要。一個合格的技術人員應能在壓力容器PQR試驗過程中排除人為因素，不應將PQR與焊工技能評定混為一體。主持PQR的人員應能分辨出產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。當規定進行沖擊試驗時，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品。NB/T 47014—2011（JB/T 4708）與 ASME BPVC.Ⅸ的焊接工藝評定規則基本相似。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次熱循環要求（返修1次、熱處理后同部位返修1次、施工現場同部位返修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要求。③采用SMAW進行工藝評定時，要包含生產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有關的P-No.1材料的SWPS，基本滿足產品需要。

準備PQR時也可參考文獻［5］及《承壓設備焊接工程師培訓教程》［19］，以避免多做或漏做PQR。需要指出的是，有些企業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，各制造企業均已熟練掌握了此類材料容器的焊接工藝，且已做過數以萬計的產品焊接試件，證明其力學性能穩定，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進行相關評定。在國外企業，FCAW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目前在承壓設備，尤其是壓力容器受壓焊縫的應用方面存在爭議，FCAW的使用需符合合同規定的技術要求或者取得業主同意。筆者在審核相關文件時發現，國外企業也常將FCAW用于碳鋼容器D類焊縫焊接及A/B類縱、環焊縫的打底，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，但當其用作封頭材料時，通常要求進行固溶處理。筆者曾經按照某LNG項目的要求到國內企業見證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，只是因企業之前的PQR試驗項目不全而需要重新補做。例如有些企業因缺少硬度、鐵素體含量、晶間腐蝕和-196℃沖擊試驗及側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。相關標準內容只是最低的質量要求，實際工程項目的PQR還需要滿足業主的要求。

3.2.4 P-No.8材料WPS編制數量縮減技巧

為減少不銹鋼材料的WPS編制數量，依據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，但當重要因素不變時其焊接接頭力學性能相同，國外企業在SWPW里備注不銹鋼母材及填充金屬以覆蓋更多產品。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備PQR，以此編制可重復使用的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類焊縫根據角焊縫長度使用GTAW或GMAW，編制了3個WPS用于產品的焊接，簡單實用。

4 結語

編制PQR之前，可通過各種方法搜索查找相關資料，根據企業及其它同行的焊接實踐經驗準備PQR，進而編制本企業的SWPS。之后結合經常出現的問題持續優化，使其日趨完善。基于PQR編制SWPS能滿足相關標準及合同要求，也得到了監管部門的認可。

在壓力容器制造企業中推廣應用可重復使用的SWPS，可減少工藝卡編制數量，使SWPS發放數量至少減少80%，還可減少大量文書工作的準備、打印、分發、傳遞、提交、批準等工作，有效降低成本，提高生產效率，使焊接技術人員有更多的精力和時間到生產一線監督檢查。焊接過程控制比焊后無損檢測更為重要，嚴肅焊接工藝紀律，排查質量隱患，方能保證產品質量穩步提高。