油气管道焊接材料数据库应用系统研究*

黄一丹，孙 良，江 涛，杨 佳，韩鹏岳，贾 晋

（西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065）

0 前 言

管道输送在石油化工行业处于重要环节，如何确保管道焊接质量成为了提升管道施工效率中亟需解决的难题[1]。利用计算机技术建立油气管道焊材及工艺相关数据库，有助于提升管道焊接效率[2]。

美国、英国、德国、日本等国家在材料数据库方面的研究较为领先，涵盖了金属材料、高温材料、复合材料、陶瓷材料、橡胶、核工业材料、功能材料等[3-5]。美国劳伦斯伯克利国家实验室和麻省理工学院联合研发的Materials Project计算材料数据库，储存了几十万条第一性原理计算数据[6]，综合了多个结构数据库、超导材料数据库和物理性能数据库[7]。日本最大的材料数据库是NIMS 数据库，包括结构材料、工程、高温合金、非金属材料等17 个数据库和物理性能数据库[8]。

我国在材料数据库研究方面起步较晚。国内最全面的材料科学数据库——中国科学院数据云门户网站建立于2019 年，主要包括金属材料、无机非金属材料、闪烁材料、碳化硅材料、 纳米材料和有机高分子材料等子数据库[9-10]。

我国在材料研究领域主要采用的是国外材料数据库，而国外数据库服务器会保留检索与浏览痕迹，研发信息与数据安全将受到威胁，不利于我国材料学的发展[11]。尤其在油气管道领域，焊接工程量巨大，焊接材料市场需求量庞大，并且材料复杂、种类多样，导致焊接工艺要求较高。同时油田焊接工程环境大多存在高温、低温、高压、腐蚀等情况，且地质复杂，条件严苛，容错率较低，对选材要求高，对焊接技术要求严格。因此，开发针对油田石化的焊接材料数据库可以有效弥补管道焊接工程方面的信息缺口，解决在复杂环境条件下的选材、试错等问题。为此本研究通过对符合国家标准与试验验证后的焊材型号与焊接参数进行归纳总结，设计油气管道焊接材料数据库，为后期焊接试验提供技术支撑。

1 焊材数据库架构标准

可行性是数据库建立架构的必要标准。根据焊接材料数据的快速增长模型、具体数据对象的访问频度、焊材数据库的需求必要性与安全性[12]可知，建立焊接材料数据库具有充足可行性，油田焊接管道材料系统适合搭配数据库系统。

根据系统目标和需求结构分析，即实现焊接过程中针对母材选用对应焊材功能，将焊接材料数据库划分为：①后台管理员模块；②用户模块；③数据库模块。

经过前期调研，整个系统应具备以下功能：①实现材料数据存储功能，存储的数据主要包括管道母材信息和焊材信息，其中焊材划分为两大类，同种管道焊材和异种管道焊材；②实现数据库精确管理，保留管理员对后台材料信息增删修改痕迹；③实现用户查询功能，用户可输入牌号精确搜索材料信息。两模块功能设计如图1所示。

图1 数据库前后台功能用例图

1.1 用户模块

用户用例图（图1（a））主要包含两个用例，即材料信息查询、网页内容浏览，其中网页内容包括材料属性和工艺案例参考等功能。用户获得有效信息后，根据工程需求匹配所需材料。

1.2 管理员模块

管理员用例视图（图1（b））展示用户和其他用户之间的关系，构建用例模型须确认模块和参加人员。焊接材料数据库的对端参与人员主要是管理员和用户，用户是多个，管理员则根据维护难度任命一个或多个人员。

后台管理员共4 个用例，包括查询材料信息、修改数据库中材料信息、增加数据库中材料信息、删除数据库中材料信息。

1.3 系统功能

本系统中，用户即为焊接材料数据库使用者，搭建该数据库的主要目标是为了帮助用户了解并熟悉油气管道焊接相关内容，要求操作简单直观，让用户可直接查看管道焊接相关信息。该应用只涵盖学习查看，不需要登录注册，故不存在安全性问题，系统功能设计如图2所示。其中，系统功能主要包括：①材料信息展示，WEB主页面呈现搜索栏框，检索可展示油气管道数据库材料种类；②按需查询材料信息，用户可根据母材查找所需焊接材料，通过母材检索跳转至其焊材信息页面，例如焊材类型、焊接工艺等；③根据材料信息实施应用，通过检索、浏览、对比等功能，用户根据实际工况及需求拟定油田管道焊接方案；④定期维护功能，即定期维护和增删改查数据库。

图2 数据库应用系统功能设计图

2 数据库焊材选材标准

数字化焊接材料数据库必须包含充足的数据资源，能够快速获取材料的计算性质并批量导入材料数据库[13]。本数据库的数据资源来源于焊接相关手册、焊接试验文献及焊接相关网络内容，通过多方面数据归纳收集，整合后针对油气管道方向制定材料数据库。对主材钢管分类以《管道工程用无缝及焊接钢管尺寸选用规定》[14]为分类标准，将主材划分为用热压、冷轧等方法生产的管壁无接缝的钢管和将钢板或钢带卷曲成型然后焊接制成的钢管；对焊接材料以《石油化工异种钢焊接规范》[15]和《钢结构焊接规范》[16]为标准，对同种主材和异种主材做焊接分类。

以各专业使用的《护理学基础》《护理专业技术实训》教材为基础，通过多途径搜集相关临床差错案例。（1）借鉴护理临床案例相关读物，如《护理临床案例精选》《临床护理案例启示录》等；（2）利用检查护生医院实习情况时搜集到的临床案例；（3）利用网络资源平台（如中华护士网）搜集相关临床护理案例；（4）通过新闻报道、身边事例来获取护理安全、医疗纠纷等有关信息。

数据库系统由用户层、应用层和数据层组成[14]。本油气管道焊接材料数据库系统主要分为两大类：母材信息和焊材信息，分类如图3所示。

图3 数据库分类

根据油田管道焊接需求，数据库选材的特点包括：①焊材需求较大，由于焊接环境复杂、焊接类型多样，焊材应用灵活，在油气管道焊接工作中应用普遍，数据库加入焊条材料条目；②油田行业油气管道主材多以无缝钢管为主，以此为基础扩展无缝钢管类别；③管道焊接工艺多样，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类别导入与焊接工艺相关的数据。

焊材主要分为同种管道焊材和异种管道焊材两类。同种钢材焊接时，焊材的筛选需符合焊缝金属性能和化学成分与母材相当，且焊材的工艺性能良好。

根据SH/T 3526—2015《石油化工异种钢焊接规范》，异种钢材焊接时，焊材的选用符合：①两侧之一为奥氏体不锈钢时，一般选用铬、镍含量较高的且塑性、抗裂性较好的奥氏体钢焊条（焊丝）；②两侧钢材为强度级别不同的钢时，可选用强度介于二者之间或合金含量低的一侧相配的焊条（焊丝）；③两侧钢材均为不锈复合钢板时，对基层焊接选用相应强度等级的结构钢焊条，对复层焊接选用奥氏体不锈钢焊条，对过渡层焊接选用塑性、抗裂性较好的奥氏体钢焊条（焊丝）。

由于工艺、母材、工况等条件不同，筛选焊材也应依照相关标准。根据GB/T 31032—2014《国家钢制管道焊接及验收标准》，立焊缝焊接构件可选用J420 等专用向下焊的焊条；对熔深要求较大的焊接构件可选用J424 焊条；对低碳钢母材管道，应选用钛钙型焊条，例如J422 和J502 焊条；当油气构件塑性和韧性要求较高时，选用低氢型焊条，例如J427 和J507；对光滑薄板构件可选用钛型焊条；同样，焊接电流也是焊条的重要筛选条件，当使用交流电焊接时，可选用交直流两用的低氢型焊条。

部分常见同种母材管道焊接材料选用依据见表1，部分异种母材管道焊接材料选用依据见表2。

表1 同种母材管道焊接材料选用依据

表2 异种母材管道焊接材料选用依据

3 数据库系统总体设计

在充分分析用户需求和系统功能的基础上，开展数据库的总体系统设计工作。

3.1 数据库系统总体结构设计

油气管道材料数据库应用系统，总体结构规划为三大部分，如图4所示，即用户界面（用户层）、数据库功能模块（应用层）、基础数据库（数据层）三层结构[16]。功能模块和基础数据库链接，数据库为功能模块提供材料数据、数据管理、应用开发等功能，功能模块向用户层反馈结果，用户层用以实现指令输入和信息输出功能。

图4 数据库应用系统总体结构

3.2 数据库架构模型设计

该数据库数据量庞大，容易发生错漏，为确保数据之间的对应关系，需细化数据库信息表，即通过表的ID 和参数建立数据库中表与表之间的关系，如图5所示。

图5 数据库内容架构

模型设计确定好之后，利用SQL Server 搭建数据库架构，载入系统数据，导入过程中数据与对应属性必须准确、类型统一，导入后详细排查可能存在的空值、参数不对应、类型不统一等问题。确定数据载入无误，即实现数据库的底层数据完善后，可在数据库上搭建网站。

4 数据库检验

本系统选用navicat软件搭建前后端，以此作为实现网站功能的平台。如图6所示，该模块为本系统的首页，以此作为用户的向导，实现用户的浏览、查询、筛选等需求。

图6 数据库应用系统首页

对母材厚度5 mm的Q235钢管焊接为例，验证该数据库的适用性。首先利用数据库对Q235进行查询，在“基本信息—可用焊材”栏可知，有J422、J426、J427 三种焊材可选用，可选取其中任何一种焊材进行焊接。由于工件要求5 mm厚，根据管径匹配表，可选择Φ3.2 mm 焊条；随后对焊条进行查询，搜索J422，根据“基本信息—可焊接母材”栏及“焊接电流”栏，对选材进一步筛选，可得Φ3.2 mm焊条可用电流大小为100～130A，查询结果如图7所示。由此可知，焊接5 mm厚的Q235钢管宜选用J422焊条，焊接电流可在100 ～130 A取任意值。

图7 Q235钢管焊材查询结果

5 结 论

（1）针对油气管道母材及焊材建立数据库，实现了油气管道材料的主材基本信息和性能数据、焊接材料的基本信息和试验工艺数据库的存储和管理。

（2）数据库的材料性能、焊接试验工艺等数据可作为油气管道所用的储罐、管道、钻头等油田建设设备的参考，实现焊接材料、油田管道技术与管道焊接技术研发的良好匹配。