油氣管道焊接材料數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)研究*

黃一丹，孫 良，江 濤，楊 佳，韓鵬岳，賈 晉

（西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065）

0 前 言

管道輸送在石油化工行業(yè)處于重要環(huán)節(jié)，如何確保管道焊接質(zhì)量成為了提升管道施工效率中亟需解決的難題[1]。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立油氣管道焊材及工藝相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，有助于提升管道焊接效率[2]。

美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家在材料數(shù)據(jù)庫(kù)方面的研究較為領(lǐng)先，涵蓋了金屬材料、高溫材料、復(fù)合材料、陶瓷材料、橡膠、核工業(yè)材料、功能材料等[3-5]。美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研發(fā)的Materials Project計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫(kù)，儲(chǔ)存了幾十萬(wàn)條第一性原理計(jì)算數(shù)據(jù)[6]，綜合了多個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)、超導(dǎo)材料數(shù)據(jù)庫(kù)和物理性能數(shù)據(jù)庫(kù)[7]。日本最大的材料數(shù)據(jù)庫(kù)是NIMS 數(shù)據(jù)庫(kù)，包括結(jié)構(gòu)材料、工程、高溫合金、非金屬材料等17 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)和物理性能數(shù)據(jù)庫(kù)[8]。

我國(guó)在材料數(shù)據(jù)庫(kù)研究方面起步較晚。國(guó)內(nèi)最全面的材料科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)——中國(guó)科學(xué)院數(shù)據(jù)云門(mén)戶(hù)網(wǎng)站建立于2019 年，主要包括金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、閃爍材料、碳化硅材料、 納米材料和有機(jī)高分子材料等子數(shù)據(jù)庫(kù)[9-10]。

我國(guó)在材料研究領(lǐng)域主要采用的是國(guó)外材料數(shù)據(jù)庫(kù)，而國(guó)外數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器會(huì)保留檢索與瀏覽痕跡，研發(fā)信息與數(shù)據(jù)安全將受到威脅，不利于我國(guó)材料學(xué)的發(fā)展[11]。尤其在油氣管道領(lǐng)域，焊接工程量巨大，焊接材料市場(chǎng)需求量龐大，并且材料復(fù)雜、種類(lèi)多樣，導(dǎo)致焊接工藝要求較高。同時(shí)油田焊接工程環(huán)境大多存在高溫、低溫、高壓、腐蝕等情況，且地質(zhì)復(fù)雜，條件嚴(yán)苛，容錯(cuò)率較低，對(duì)選材要求高，對(duì)焊接技術(shù)要求嚴(yán)格。因此，開(kāi)發(fā)針對(duì)油田石化的焊接材料數(shù)據(jù)庫(kù)可以有效彌補(bǔ)管道焊接工程方面的信息缺口，解決在復(fù)雜環(huán)境條件下的選材、試錯(cuò)等問(wèn)題。為此本研究通過(guò)對(duì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)驗(yàn)證后的焊材型號(hào)與焊接參數(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，設(shè)計(jì)油氣管道焊接材料數(shù)據(jù)庫(kù)，為后期焊接試驗(yàn)提供技術(shù)支撐。

1 焊材數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

可行性是數(shù)據(jù)庫(kù)建立架構(gòu)的必要標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)焊接材料數(shù)據(jù)的快速增長(zhǎng)模型、具體數(shù)據(jù)對(duì)象的訪問(wèn)頻度、焊材數(shù)據(jù)庫(kù)的需求必要性與安全性[12]可知，建立焊接材料數(shù)據(jù)庫(kù)具有充足可行性，油田焊接管道材料系統(tǒng)適合搭配數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)和需求結(jié)構(gòu)分析，即實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中針對(duì)母材選用對(duì)應(yīng)焊材功能，將焊接材料數(shù)據(jù)庫(kù)劃分為：①后臺(tái)管理員模塊；②用戶(hù)模塊；③數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。

經(jīng)過(guò)前期調(diào)研，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：①實(shí)現(xiàn)材料數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要包括管道母材信息和焊材信息，其中焊材劃分為兩大類(lèi)，同種管道焊材和異種管道焊材；②實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)精確管理，保留管理員對(duì)后臺(tái)材料信息增刪修改痕跡；③實(shí)現(xiàn)用戶(hù)查詢(xún)功能，用戶(hù)可輸入牌號(hào)精確搜索材料信息。兩模塊功能設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫(kù)前后臺(tái)功能用例圖

1.1 用戶(hù)模塊

用戶(hù)用例圖（圖1（a））主要包含兩個(gè)用例，即材料信息查詢(xún)、網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容瀏覽，其中網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容包括材料屬性和工藝案例參考等功能。用戶(hù)獲得有效信息后，根據(jù)工程需求匹配所需材料。

1.2 管理員模塊

管理員用例視圖（圖1（b））展示用戶(hù)和其他用戶(hù)之間的關(guān)系，構(gòu)建用例模型須確認(rèn)模塊和參加人員。焊接材料數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)端參與人員主要是管理員和用戶(hù)，用戶(hù)是多個(gè)，管理員則根據(jù)維護(hù)難度任命一個(gè)或多個(gè)人員。

后臺(tái)管理員共4 個(gè)用例，包括查詢(xún)材料信息、修改數(shù)據(jù)庫(kù)中材料信息、增加數(shù)據(jù)庫(kù)中材料信息、刪除數(shù)據(jù)庫(kù)中材料信息。

1.3 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)中，用戶(hù)即為焊接材料數(shù)據(jù)庫(kù)使用者，搭建該數(shù)據(jù)庫(kù)的主要目標(biāo)是為了幫助用戶(hù)了解并熟悉油氣管道焊接相關(guān)內(nèi)容，要求操作簡(jiǎn)單直觀，讓用戶(hù)可直接查看管道焊接相關(guān)信息。該應(yīng)用只涵蓋學(xué)習(xí)查看，不需要登錄注冊(cè)，故不存在安全性問(wèn)題，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖2所示。其中，系統(tǒng)功能主要包括：①材料信息展示，WEB主頁(yè)面呈現(xiàn)搜索欄框，檢索可展示油氣管道數(shù)據(jù)庫(kù)材料種類(lèi)；②按需查詢(xún)材料信息，用戶(hù)可根據(jù)母材查找所需焊接材料，通過(guò)母材檢索跳轉(zhuǎn)至其焊材信息頁(yè)面，例如焊材類(lèi)型、焊接工藝等；③根據(jù)材料信息實(shí)施應(yīng)用，通過(guò)檢索、瀏覽、對(duì)比等功能，用戶(hù)根據(jù)實(shí)際工況及需求擬定油田管道焊接方案；④定期維護(hù)功能，即定期維護(hù)和增刪改查數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)圖

2 數(shù)據(jù)庫(kù)焊材選材標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字化焊接材料數(shù)據(jù)庫(kù)必須包含充足的數(shù)據(jù)資源，能夠快速獲取材料的計(jì)算性質(zhì)并批量導(dǎo)入材料數(shù)據(jù)庫(kù)[13]。本數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)資源來(lái)源于焊接相關(guān)手冊(cè)、焊接試驗(yàn)文獻(xiàn)及焊接相關(guān)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容，通過(guò)多方面數(shù)據(jù)歸納收集，整合后針對(duì)油氣管道方向制定材料數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)主材鋼管分類(lèi)以《管道工程用無(wú)縫及焊接鋼管尺寸選用規(guī)定》[14]為分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，將主材劃分為用熱壓、冷軋等方法生產(chǎn)的管壁無(wú)接縫的鋼管和將鋼板或鋼帶卷曲成型然后焊接制成的鋼管；對(duì)焊接材料以《石油化工異種鋼焊接規(guī)范》[15]和《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》[16]為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)同種主材和異種主材做焊接分類(lèi)。

以各專(zhuān)業(yè)使用的《護(hù)理學(xué)基礎(chǔ)》《護(hù)理專(zhuān)業(yè)技術(shù)實(shí)訓(xùn)》教材為基礎(chǔ)，通過(guò)多途徑搜集相關(guān)臨床差錯(cuò)案例。（1）借鑒護(hù)理臨床案例相關(guān)讀物，如《護(hù)理臨床案例精選》《臨床護(hù)理案例啟示錄》等；（2）利用檢查護(hù)生醫(yī)院實(shí)習(xí)情況時(shí)搜集到的臨床案例；（3）利用網(wǎng)絡(luò)資源平臺(tái)（如中華護(hù)士網(wǎng)）搜集相關(guān)臨床護(hù)理案例；（4）通過(guò)新聞報(bào)道、身邊事例來(lái)獲取護(hù)理安全、醫(yī)療糾紛等有關(guān)信息。

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)由用戶(hù)層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層組成[14]。本油氣管道焊接材料數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主要分為兩大類(lèi)：母材信息和焊材信息，分類(lèi)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)分類(lèi)

根據(jù)油田管道焊接需求，數(shù)據(jù)庫(kù)選材的特點(diǎn)包括：①焊材需求較大，由于焊接環(huán)境復(fù)雜、焊接類(lèi)型多樣，焊材應(yīng)用靈活，在油氣管道焊接工作中應(yīng)用普遍，數(shù)據(jù)庫(kù)加入焊條材料條目；②油田行業(yè)油氣管道主材多以無(wú)縫鋼管為主，以此為基礎(chǔ)擴(kuò)展無(wú)縫鋼管類(lèi)別；③管道焊接工藝多樣，不同工程、材料、位置所需焊接方法不同，材料信息中按照母材類(lèi)別導(dǎo)入與焊接工藝相關(guān)的數(shù)據(jù)。

焊材主要分為同種管道焊材和異種管道焊材兩類(lèi)。同種鋼材焊接時(shí)，焊材的篩選需符合焊縫金屬性能和化學(xué)成分與母材相當(dāng)，且焊材的工藝性能良好。

根據(jù)SH/T 3526—2015《石油化工異種鋼焊接規(guī)范》，異種鋼材焊接時(shí)，焊材的選用符合：①兩側(cè)之一為奧氏體不銹鋼時(shí)，一般選用鉻、鎳含量較高的且塑性、抗裂性較好的奧氏體鋼焊條（焊絲）；②兩側(cè)鋼材為強(qiáng)度級(jí)別不同的鋼時(shí)，可選用強(qiáng)度介于二者之間或合金含量低的一側(cè)相配的焊條（焊絲）；③兩側(cè)鋼材均為不銹復(fù)合鋼板時(shí)，對(duì)基層焊接選用相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)的結(jié)構(gòu)鋼焊條，對(duì)復(fù)層焊接選用奧氏體不銹鋼焊條，對(duì)過(guò)渡層焊接選用塑性、抗裂性較好的奧氏體鋼焊條（焊絲）。

由于工藝、母材、工況等條件不同，篩選焊材也應(yīng)依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)GB/T 31032—2014《國(guó)家鋼制管道焊接及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》，立焊縫焊接構(gòu)件可選用J420 等專(zhuān)用向下焊的焊條；對(duì)熔深要求較大的焊接構(gòu)件可選用J424 焊條；對(duì)低碳鋼母材管道，應(yīng)選用鈦鈣型焊條，例如J422 和J502 焊條；當(dāng)油氣構(gòu)件塑性和韌性要求較高時(shí)，選用低氫型焊條，例如J427 和J507；對(duì)光滑薄板構(gòu)件可選用鈦型焊條；同樣，焊接電流也是焊條的重要篩選條件，當(dāng)使用交流電焊接時(shí)，可選用交直流兩用的低氫型焊條。

部分常見(jiàn)同種母材管道焊接材料選用依據(jù)見(jiàn)表1，部分異種母材管道焊接材料選用依據(jù)見(jiàn)表2。

表1 同種母材管道焊接材料選用依據(jù)

表2 異種母材管道焊接材料選用依據(jù)

3 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在充分分析用戶(hù)需求和系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，開(kāi)展數(shù)據(jù)庫(kù)的總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

油氣管道材料數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)規(guī)劃為三大部分，如圖4所示，即用戶(hù)界面（用戶(hù)層）、數(shù)據(jù)庫(kù)功能模塊（應(yīng)用層）、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)（數(shù)據(jù)層）三層結(jié)構(gòu)[16]。功能模塊和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接，數(shù)據(jù)庫(kù)為功能模塊提供材料數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用開(kāi)發(fā)等功能，功能模塊向用戶(hù)層反饋結(jié)果，用戶(hù)層用以實(shí)現(xiàn)指令輸入和信息輸出功能。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)模型設(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)量龐大，容易發(fā)生錯(cuò)漏，為確保數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需細(xì)化數(shù)據(jù)庫(kù)信息表，即通過(guò)表的ID 和參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)中表與表之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容架構(gòu)

模型設(shè)計(jì)確定好之后，利用SQL Server 搭建數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)，載入系統(tǒng)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入過(guò)程中數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)屬性必須準(zhǔn)確、類(lèi)型統(tǒng)一，導(dǎo)入后詳細(xì)排查可能存在的空值、參數(shù)不對(duì)應(yīng)、類(lèi)型不統(tǒng)一等問(wèn)題。確定數(shù)據(jù)載入無(wú)誤，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的底層數(shù)據(jù)完善后，可在數(shù)據(jù)庫(kù)上搭建網(wǎng)站。

4 數(shù)據(jù)庫(kù)檢驗(yàn)

本系統(tǒng)選用navicat軟件搭建前后端，以此作為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站功能的平臺(tái)。如圖6所示，該模塊為本系統(tǒng)的首頁(yè)，以此作為用戶(hù)的向?qū)?，?shí)現(xiàn)用戶(hù)的瀏覽、查詢(xún)、篩選等需求。

圖6 數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)首頁(yè)

對(duì)母材厚度5 mm的Q235鋼管焊接為例，驗(yàn)證該數(shù)據(jù)庫(kù)的適用性。首先利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)Q235進(jìn)行查詢(xún)，在“基本信息—可用焊材”欄可知，有J422、J426、J427 三種焊材可選用，可選取其中任何一種焊材進(jìn)行焊接。由于工件要求5 mm厚，根據(jù)管徑匹配表，可選擇Φ3.2 mm 焊條；隨后對(duì)焊條進(jìn)行查詢(xún)，搜索J422，根據(jù)“基本信息—可焊接母材”欄及“焊接電流”欄，對(duì)選材進(jìn)一步篩選，可得Φ3.2 mm焊條可用電流大小為100～130A，查詢(xún)結(jié)果如圖7所示。由此可知，焊接5 mm厚的Q235鋼管宜選用J422焊條，焊接電流可在100 ～130 A取任意值。

圖7 Q235鋼管焊材查詢(xún)結(jié)果

5 結(jié) 論

（1）針對(duì)油氣管道母材及焊材建立數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了油氣管道材料的主材基本信息和性能數(shù)據(jù)、焊接材料的基本信息和試驗(yàn)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)和管理。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)的材料性能、焊接試驗(yàn)工藝等數(shù)據(jù)可作為油氣管道所用的儲(chǔ)罐、管道、鉆頭等油田建設(shè)設(shè)備的參考，實(shí)現(xiàn)焊接材料、油田管道技術(shù)與管道焊接技術(shù)研發(fā)的良好匹配。