工艺管线焊接工作量量化分析

黄一飞

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

工艺管线焊接工作量量化分析

黄一飞

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

通过对工艺管线预制过程中焊接工作量的统计分析，得到一个能将各形式焊口的焊接工作量统一起来、结果更为精准的计算方法。

工艺管线；焊接工作量；量化分析

在工艺管线预制过程中，通常需要预制的工作量、工期等作为依据，进而确定人力、设备、焊材等需要配置的资源。然而，由于管线连接形式、坡口形式、尺寸、材质、焊接工艺等多种多样，目前所使用的DB和DIN难以对焊接工作量做一个准确的统计分析。本文结合现场工艺管线预制时组队、焊接实际，进行焊接工作量量化分析，得到能够将各种形式焊口的焊接工作量统一起来的计算方法。

1 DIN和DB在进行焊接工作量计算时的问题

DIN（dia-inch），用公称直径（英寸）来表示工作量的一种计量单位，即焊接当量是指直径1英寸的一个焊口为1个焊接当量。这种统计方法只考虑了焊口直径，计算较为简单，易于操作，适用于承插、螺纹和对焊接头。然而，由于DIN法没有考虑壁厚的影响，在计算壁厚较大的管线的焊口时，误差较大。对于壁厚大于8mm的焊口，需要加乘一个系数，并且加乘系数难以确定，增加了计算分析的难度。DB(dia-inch-butt)，指用寸径表示的焊接工作量的计量单位，即是指直径一英寸，壁厚40S的一个对焊口为1个焊接当量。实际运用中，由于插焊口的多为2英寸以下的焊口,占项目整体焊接工作量的比例也较小,因此也用DB来表示插焊口的焊接工作量。对于小于1英寸插焊口，一个焊口为一焊接当量；大于1英寸且不大于2英寸，尺寸较小，插焊口和对焊口焊接工作量均为尺寸数乘以一个焊接当量；大于2英寸的管，多为对焊口，即一个焊口的焊接工作量为尺寸数乘以不同壁厚等级所对应的加乘因子。

然而由于同一壁厚等级（参考ASME36.10）不同尺寸的管线其壁厚也不同，采用DB法，同一焊工焊接不同尺寸管线时每天的焊接工作量差异较大，影响进行定额定量的分析精准度。

2 焊接工作量量化分析

2.1 焊接工作量算法的确定

通常情况下，碳钢管线壁厚小于6mm的对焊口，其仅需要封底和盖面就可完成焊接。壁厚大于6mm碳钢管线焊口，需经过封底、填充和盖面三道工序。由于三道工序的操作难度不同，熔敷相同质量的金属，其工作量也不同。然而，在DB算法中，并未对这三道工序焊接工作量的差异进行区分，仅仅是尺寸数乘以不同壁厚等级所对应的加乘因子。为此，针对焊口采用了焊接工作量计算的组合算法，即是在传统DB算法的基础上分别考量封底、填充、盖面三道工序的工作量，根据不同工序的熔敷金属质量和操作难易程度，分别进行计算，使焊接工作量的计算结果更为精准的一种算法。

2.2 焊接工作量计算公式

根据前述对对焊口焊接工作量采用的组合算法，其计算公式如下：

式中：S为焊接工作量；

n为尺寸数；

V为熔金体积；

V0为1英寸SCH40对焊口熔金体积；

η为调整系数。

式中以尺寸1英寸壁厚SCH40的对焊口的焊接工作量为单位焊接工作量。由于焊接时封底和盖面的熔金体积不易进行计算，但其与焊口的尺寸近似成比例，因此式中用n代表了填充和盖面的工作量，填充和盖面的体积近似为nV0，填充的体积是V-nV0，填充的工作量则是η（V-nV0）/V0。

2.3 填充体积的计算

由于不同的焊接工艺中焊缝坡口的形式也不尽相同，下面以工艺管线在进行焊接时通常采用V型坡口进行分析计算，焊缝图形如图1所示。

图1 V型坡口填充面积示意图

其中，各字母意义如下：δ为管线壁厚；c为坡口底端钝边间隙；h1为顶端盖面余高；h2为底端封底余高；h3为坡口底端钝边高度；α为坡口角度；a为单边盖过坡口宽度；b为顶端盖面宽度；D为管道直径。焊缝填充体积计算中，将焊缝面积分为了四份。第一部分为顶端盖面余出体积，采用近似的算法，直径取管线外径，公式如下，

第四部分为封底余出体积，采用近似算法，公式为：

因此，可得出熔金体积公式如下，

根据上述熔金体积公式，可精确地计算出采用V型坡口不同尺寸、规格的焊口的熔金体积，并可以据此估算焊材的使用量。对于其它坡口形式的焊口，也可以参照上述计算方法进行熔金体积的计算。

2.4 调整系数的确定

调整系数η，其意义是等体积的熔金量，填充与封底的焊接工作量之比。调整系数的选取直接影响到了焊接工作量计算的准确性。因此，为了消除人力、设备、环境等因素对焊接工作量计算的影响，调整系数的选取是根据实际生产中每人每天焊接工作量的统计数据进行拟合，其具体拟合过程如下：

（1）进行数据的统计，即统计一段时间内不同焊工每人每天焊接不同尺寸和壁厚的焊口的数量。（2）利用公式S=n+η（V-nV0）/V0，给定一个η值，算出每日实际工作量。（3）得出日均工作量S0，并计算出每个焊工实际日工作量与S0的算术平方差。（4）对每组数据的算术平方差进行求和，值为N；。（5） 不断调整η值，确定N值最小时所对应的S0和η值。确定调整系数时，对每组数据的算术平方差求和并找出S0值最小时的调整系数，使计算的焊接工作量最接近实际工作量。前述所得S0，即为采用该算法在当前生产条件下的焊工日均工作量。

3 焊接工作量量化分析方法应用及拓展

前述焊接工作量的量化分析，均是针对采用手工氩弧焊的焊接方法以及坡口形式采用V型坡口的碳钢工艺管线的焊口。在具体应用时，需要先对一段时间内焊接作业进行统计，并以此作为数据基础拟合出调整系数。

根据拟合出的调整系数，利用前述焊接工作量的计算公式进行后续的焊接工作量的计算。对于不同材质、焊接方法、坡口形式的焊口，也可以参考上述将焊接工作量分为封底、填充、盖面三部分的量化分析方法。该焊接工作量的量化分析方法中的调整系数由于是针对各特定自生产条件下拟合出来，从而有效地消除了人员、设备等因素对焊接工作量计算的影响,尤其适用于大批量的采用流水线生产作业的管线预制工作。此外，由于在前期需要大量的数据统计工作，并且在后续的应用中需要计算不同尺寸规格焊口的熔金体积，可以开发一个简便的操作界面，提高计算分析的效率。

工艺管线的预制包括了下料、机械加工、组对焊接、热处理、试压、检验、喷砂喷漆等工序。工作量的量化分析不仅体现在焊接工作量上，其它预制工序中的各个环节均可参考前述进行分析的方法，从而确定自己的生产能力和项目的整体工作量，并合理配置各个工序的设备、人员等，使生产要素资源达到饱和状态，从而寻求生产效率的最大化。

[1]王洪光.实用焊接工艺手册[M].化学工业出版社，2010.

[2]李颂宏.当量焊接合格率及计算方法[J].电焊机，2009,39(5):162～166.

[3]马跃星.浅谈站场工艺安装焊接效率管理[J].中国石油和化工标准与质量，2013(16):210～210.

[4]陈玉忠，尚秋玲，梁治文.工艺管线工厂化预制技术的探讨与应用[J].科技信息，2006(9X):32-32.

TE973.3

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