工藝管線焊接工作量量化分析

黃一飛

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

工藝管線焊接工作量量化分析

黃一飛

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

通過(guò)對(duì)工藝管線預(yù)制過(guò)程中焊接工作量的統(tǒng)計(jì)分析，得到一個(gè)能將各形式焊口的焊接工作量統(tǒng)一起來(lái)、結(jié)果更為精準(zhǔn)的計(jì)算方法。

工藝管線；焊接工作量；量化分析

在工藝管線預(yù)制過(guò)程中，通常需要預(yù)制的工作量、工期等作為依據(jù)，進(jìn)而確定人力、設(shè)備、焊材等需要配置的資源。然而，由于管線連接形式、坡口形式、尺寸、材質(zhì)、焊接工藝等多種多樣，目前所使用的DB和DIN難以對(duì)焊接工作量做一個(gè)準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)分析。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝管線預(yù)制時(shí)組隊(duì)、焊接實(shí)際，進(jìn)行焊接工作量量化分析，得到能夠?qū)⒏鞣N形式焊口的焊接工作量統(tǒng)一起來(lái)的計(jì)算方法。

1 DIN和DB在進(jìn)行焊接工作量計(jì)算時(shí)的問(wèn)題

DIN（dia-inch），用公稱直徑（英寸）來(lái)表示工作量的一種計(jì)量單位，即焊接當(dāng)量是指直徑1英寸的一個(gè)焊口為1個(gè)焊接當(dāng)量。這種統(tǒng)計(jì)方法只考慮了焊口直徑，計(jì)算較為簡(jiǎn)單，易于操作，適用于承插、螺紋和對(duì)焊接頭。然而，由于DIN法沒(méi)有考慮壁厚的影響，在計(jì)算壁厚較大的管線的焊口時(shí)，誤差較大。對(duì)于壁厚大于8mm的焊口，需要加乘一個(gè)系數(shù)，并且加乘系數(shù)難以確定，增加了計(jì)算分析的難度。DB(dia-inch-butt)，指用寸徑表示的焊接工作量的計(jì)量單位，即是指直徑一英寸，壁厚40S的一個(gè)對(duì)焊口為1個(gè)焊接當(dāng)量。實(shí)際運(yùn)用中，由于插焊口的多為2英寸以下的焊口,占項(xiàng)目整體焊接工作量的比例也較小,因此也用DB來(lái)表示插焊口的焊接工作量。對(duì)于小于1英寸插焊口，一個(gè)焊口為一焊接當(dāng)量；大于1英寸且不大于2英寸，尺寸較小，插焊口和對(duì)焊口焊接工作量均為尺寸數(shù)乘以一個(gè)焊接當(dāng)量；大于2英寸的管，多為對(duì)焊口，即一個(gè)焊口的焊接工作量為尺寸數(shù)乘以不同壁厚等級(jí)所對(duì)應(yīng)的加乘因子。

然而由于同一壁厚等級(jí)（參考ASME36.10）不同尺寸的管線其壁厚也不同，采用DB法，同一焊工焊接不同尺寸管線時(shí)每天的焊接工作量差異較大，影響進(jìn)行定額定量的分析精準(zhǔn)度。

2 焊接工作量量化分析

2.1 焊接工作量算法的確定

通常情況下，碳鋼管線壁厚小于6mm的對(duì)焊口，其僅需要封底和蓋面就可完成焊接。壁厚大于6mm碳鋼管線焊口，需經(jīng)過(guò)封底、填充和蓋面三道工序。由于三道工序的操作難度不同，熔敷相同質(zhì)量的金屬，其工作量也不同。然而，在DB算法中，并未對(duì)這三道工序焊接工作量的差異進(jìn)行區(qū)分，僅僅是尺寸數(shù)乘以不同壁厚等級(jí)所對(duì)應(yīng)的加乘因子。為此，針對(duì)焊口采用了焊接工作量計(jì)算的組合算法，即是在傳統(tǒng)DB算法的基礎(chǔ)上分別考量封底、填充、蓋面三道工序的工作量，根據(jù)不同工序的熔敷金屬質(zhì)量和操作難易程度，分別進(jìn)行計(jì)算，使焊接工作量的計(jì)算結(jié)果更為精準(zhǔn)的一種算法。

2.2 焊接工作量計(jì)算公式

根據(jù)前述對(duì)對(duì)焊口焊接工作量采用的組合算法，其計(jì)算公式如下：

式中：S為焊接工作量；

n為尺寸數(shù)；

V為熔金體積；

V0為1英寸SCH40對(duì)焊口熔金體積；

η為調(diào)整系數(shù)。

式中以尺寸1英寸壁厚SCH40的對(duì)焊口的焊接工作量為單位焊接工作量。由于焊接時(shí)封底和蓋面的熔金體積不易進(jìn)行計(jì)算，但其與焊口的尺寸近似成比例，因此式中用n代表了填充和蓋面的工作量，填充和蓋面的體積近似為nV0，填充的體積是V-nV0，填充的工作量則是η（V-nV0）/V0。

2.3 填充體積的計(jì)算

由于不同的焊接工藝中焊縫坡口的形式也不盡相同，下面以工藝管線在進(jìn)行焊接時(shí)通常采用V型坡口進(jìn)行分析計(jì)算，焊縫圖形如圖1所示。

圖1 V型坡口填充面積示意圖

其中，各字母意義如下：δ為管線壁厚；c為坡口底端鈍邊間隙；h1為頂端蓋面余高；h2為底端封底余高；h3為坡口底端鈍邊高度；α為坡口角度；a為單邊蓋過(guò)坡口寬度；b為頂端蓋面寬度；D為管道直徑。焊縫填充體積計(jì)算中，將焊縫面積分為了四份。第一部分為頂端蓋面余出體積，采用近似的算法，直徑取管線外徑，公式如下，

第四部分為封底余出體積，采用近似算法，公式為：

因此，可得出熔金體積公式如下，

根據(jù)上述熔金體積公式，可精確地計(jì)算出采用V型坡口不同尺寸、規(guī)格的焊口的熔金體積，并可以據(jù)此估算焊材的使用量。對(duì)于其它坡口形式的焊口，也可以參照上述計(jì)算方法進(jìn)行熔金體積的計(jì)算。

2.4 調(diào)整系數(shù)的確定

調(diào)整系數(shù)η，其意義是等體積的熔金量，填充與封底的焊接工作量之比。調(diào)整系數(shù)的選取直接影響到了焊接工作量計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此，為了消除人力、設(shè)備、環(huán)境等因素對(duì)焊接工作量計(jì)算的影響，調(diào)整系數(shù)的選取是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中每人每天焊接工作量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其具體擬合過(guò)程如下：

（1）進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，即統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)不同焊工每人每天焊接不同尺寸和壁厚的焊口的數(shù)量。（2）利用公式S=n+η（V-nV0）/V0，給定一個(gè)η值，算出每日實(shí)際工作量。（3）得出日均工作量S0，并計(jì)算出每個(gè)焊工實(shí)際日工作量與S0的算術(shù)平方差。（4）對(duì)每組數(shù)據(jù)的算術(shù)平方差進(jìn)行求和，值為N；。（5） 不斷調(diào)整η值，確定N值最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的S0和η值。確定調(diào)整系數(shù)時(shí)，對(duì)每組數(shù)據(jù)的算術(shù)平方差求和并找出S0值最小時(shí)的調(diào)整系數(shù)，使計(jì)算的焊接工作量最接近實(shí)際工作量。前述所得S0，即為采用該算法在當(dāng)前生產(chǎn)條件下的焊工日均工作量。

3 焊接工作量量化分析方法應(yīng)用及拓展

前述焊接工作量的量化分析，均是針對(duì)采用手工氬弧焊的焊接方法以及坡口形式采用V型坡口的碳鋼工藝管線的焊口。在具體應(yīng)用時(shí)，需要先對(duì)一段時(shí)間內(nèi)焊接作業(yè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并以此作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)擬合出調(diào)整系數(shù)。

根據(jù)擬合出的調(diào)整系數(shù)，利用前述焊接工作量的計(jì)算公式進(jìn)行后續(xù)的焊接工作量的計(jì)算。對(duì)于不同材質(zhì)、焊接方法、坡口形式的焊口，也可以參考上述將焊接工作量分為封底、填充、蓋面三部分的量化分析方法。該焊接工作量的量化分析方法中的調(diào)整系數(shù)由于是針對(duì)各特定自生產(chǎn)條件下擬合出來(lái)，從而有效地消除了人員、設(shè)備等因素對(duì)焊接工作量計(jì)算的影響,尤其適用于大批量的采用流水線生產(chǎn)作業(yè)的管線預(yù)制工作。此外，由于在前期需要大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作，并且在后續(xù)的應(yīng)用中需要計(jì)算不同尺寸規(guī)格焊口的熔金體積，可以開(kāi)發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)便的操作界面，提高計(jì)算分析的效率。

工藝管線的預(yù)制包括了下料、機(jī)械加工、組對(duì)焊接、熱處理、試壓、檢驗(yàn)、噴砂噴漆等工序。工作量的量化分析不僅體現(xiàn)在焊接工作量上，其它預(yù)制工序中的各個(gè)環(huán)節(jié)均可參考前述進(jìn)行分析的方法，從而確定自己的生產(chǎn)能力和項(xiàng)目的整體工作量，并合理配置各個(gè)工序的設(shè)備、人員等，使生產(chǎn)要素資源達(dá)到飽和狀態(tài)，從而尋求生產(chǎn)效率的最大化。

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