通用型承壓設備焊接工藝評定系統設計

蒲炯 苑興楠 魏艷紅 劉仁培

摘要：結合NB/T 47014標準，針對以往相關系統開發周期長、成本高的問題和承壓設備焊接工藝評定的需求，在基本的工藝文件（預焊接工藝規程、焊接工藝評定報告和焊接工藝規程）管理基礎上，設計開發了通用型承壓設備焊接工藝評定系統，實現了焊接工藝評定項目的輔助提出、焊接工藝評定的必要性智能判定以及焊接工藝規程的自動生成，輔助焊接工程師進行工藝評定，提高工作效率。與以往定制焊接工藝評定系統相比，通用型系統可滿足大部分承壓設備企業的使用需求，避免重復開發，縮短開發周期，降低開發成本。

關鍵詞：NB/T 47014-2011;承壓設備;通用型系統;焊接工藝評定

中圖分類號：TG409 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）04-0031-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.06

0 ? ?前言

隨著承壓設備的蓬勃發展，焊接質量要求越來越嚴格，焊接工藝合理與否直接影響產品最終質量[1]。生產企業應按相應標準對受壓或承載的焊接接頭編制焊接工藝規程（Welding Procedure Specification，WPS），并通過焊接工藝評定驗證WPS的合理性。以往國內壓力容器、鍋爐等承壓設備遵循不同的標準，很多內容不同，部分條款甚至相互矛盾，這已成為制約承壓設備焊接發展的重要因素。隨著NB/T 47014-2011的執行[2]，承壓設備工藝評定標準逐步統一。承壓設備的各項焊接工藝評定都要求按照NB/T 47014-2011標準進行。

國內外研究機構長期以來按各種標準開發了相應的焊接工藝評定系統[3-8]。英國焊接研究所的WeldSpecTM 4.3集成了ASMEⅨ，EN 288，AWS D1.1標準，實現焊材選擇;美國WPSAmerica集成ASMEⅨ，AWS D1.1，D1.2，D1.3，D1.5，D1.6，D9.1，D17.1，實現焊接文件的管理及編制。國內南京航空航天大學與南京維爾德智能科技公司合作開發了基于AWSD1.1，NB/T47014，EN287的系統，實現焊接工藝評定必要性判定和焊接工藝文件審核及會簽，在青島四方、振華港機等企業發揮了重要作用。

現有工藝評定系統一般針對特定企業設計，在符合標準條件下，文件格式、術語和工作流程可最大程度地滿足特定企業的需求，但是這種定制型系統開發成本高、周期長。隨著承壓設備標準的統一及軟件技術的發展，通用型系統成為可能。文中調研部分承壓設備生產企業，研究通用性功能，設計通用型承壓設備焊接工藝評定系統。

1 系統設計

系統定位為通用型承壓設備焊接工藝評定系統，集焊接數據、焊接標準、經驗知識于一身，并結合企業流程化管理思維，打造通用的企業焊接工藝評定與管理系統，實現WPS及預焊接工藝規程（Preliminary Welding Procedure Specification，pWPS）設計與管理，焊接工藝評定報告（Welding procedure qualification record，PQR）管理，焊接工藝評定必要性判斷，坡口圖庫、工藝文件的日常審批流程等。

系統采用模塊化管理，根據需求分析將系統分為用戶管理、流程管理、我的工作、工藝管理和系統設置5個模塊，各模塊間既相互獨立又相互關聯。系統通過用戶管理和系統設置模塊明確各個用戶的權責范圍，通過流程管理、我的工作和工藝管理模塊之間的相互配合完成焊接工藝評定任務。

1.1 數據庫設計

數據庫是整個系統最基礎的部分，為系統所有功能提供數據支持。數據庫的質量將直接影響系統的質量，同時數據庫應具有動態適應性，適應未來系統功能的擴充。本系統結合NB/T 47014-2011標準和需求分析完成平臺數據庫設計，包括母材數據庫、焊材數據庫、接頭數據庫、pWPS數據庫、PQR數據庫和工藝卡數據庫。常用實體-聯系（Entity Relationship Diagram，E-R）圖表示數據庫設計過程，系統E-R如圖1所示。其中矩形框為數據實體，橢圓形框為屬性，菱形框為對應關系。

1.2 知識庫和推理機設計

知識庫是系統的核心，知識庫中知識的數量和質量決定了系統的質量和系統代替專家工作的能力。系統知識分為母材信息、焊材信息、焊接標準等清晰的顯性知識和專家經驗、焊接工藝評定覆蓋規則等難以直接表示的隱性知識。其中顯性知識通常以人工方式或半自動方式獲取并用邏輯表示法和語義網絡表示法表示，隱性知識常用半自動方式和自動方式獲取并用規則表示法表示，即if A，then B的形式表示。

知識利用則是利用推理機對焊接工藝評定必要性進行判斷并實現工藝文件的編制，系統利用推理機進行焊接工藝評定，生成WPS時需要遵循以下兩個規則：

（1）pWPS與 PQR匹配規則。制定新的pWPS時，若無支持的PQR，則需根據pWPS進行焊接工藝評定試驗，生成PQR時需根據規則確定pWPS中數據如何在PQR中表示。

（2）PQR與WPS匹配規則。當新工藝無法免除評定時需要進行焊接工藝評定試驗并生成PQR報告，此時需根據PQR及制定的匹配規則編制WPS。

推理機是根據承壓設備焊接實際操作設計的，如圖2所示。首先判斷是同種材料焊接還是異種材料焊接，同種母材則依次按照焊接方法、母材類別、焊后熱處理類別、預熱溫度、母材組別、填充金屬類別和試件厚度順序搜索是否已有相應PQR。異種材料焊接時首先搜索焊接方法、焊后熱處理類別、預熱溫度，然后判斷母材是否為同類別材料，若母材是同類別材料或是Fe-1～Fe-5A的非同類別材料，則只需搜索較高母材組別號，然后搜索填充金屬類別、母材厚度，得到適用的PQR;否則兩種類別下都應有符合條件的PQR。滿足上述條件則無需進行新的焊接工藝評定，直接利用推理出的PQR指導生產即可。其他情況則無法免除評定，需根據pWPS進行焊接工藝評定試驗，生成PQR和WPS。

1.3 項目流程設計

項目流程的總體設計思路是流程與具體工作相互獨立。流程可以自定義，而具體工作則是依據制定流程時的關聯項來確定。

在該模塊中，用戶可制定新流程、編輯流程和刪除流程。制定流程時，需要輸入流程名稱、創建時間、每一步驟的名稱、辦理時限、預警時間、預警信息和下一步，還需指定每個步驟的辦理人和知會人，即可自動生成如圖3所示的流程步驟順序。

創建流程時需遵循以下規則：

（1）流程完整性：流程步驟必須封閉（例如：開始→A;A→B;B→結束）;

（2）每個步驟至少指定一個辦理人。

系統采用用戶-角色-權限模型，系統一般默認一個超級管理員，為普通用戶分配角色和指定權限，使其只能在職責范圍內工作，也可避免無權限人員使用系統，確保系統安全性的同時保證不同用戶之間協同高效工作。

在項目流程中共有6種工作流程，即我可以發起的、我發起的、我的經辦、我的待辦、知會我的和已結束的。工作流程即用戶具體的工作，主要包括pWPS、PQR和工藝卡管理。根據用戶角色、權限不同，可以操作的工作流程也各不相同，例如有的用戶只有編制pWPS的權限而無審批權限，有的用戶只有查看文件的權限而無刪除權限。

2 系統實現

2.1 系統開發技術

系統采用瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）結構，如圖4所示。其中表示層是人機交互界面;業務層存儲業務和數據運算規則;數據層存儲數據并定義數據標準及訪問規則。B/S結構在服務器中運行，沒有客戶端，只要有操作系統和瀏覽器即可使用系統，維護和升級簡單。

系統采用開源的web框架SpringMVC+mybatis框架，mysql數據庫、java編程語言和面向對象技術。利用mybatis實現系統后端與mysql數據庫的交互，簡化代碼，提高運行效率，便于修改SQL及獲取SQL執行結果并將其轉化為java對象。MVC（即Model模型，View視圖和Controller控制器）將復雜的系統分成簡單清晰的界面、業務邏輯和數據三個部分，簡化開發步驟，提高開發效率，降低系統出錯可能。

SpringMVC框架架構如圖5所示。首先用戶發起請求，系統前端接收請求后根據url找到 Controller文件中的相應方法并執行該方法，若與系統后端無交互則直接返回ModelAndView至前端，否則逐步執行service，map和dao中的方法直到從數據庫中取出數據，此時返回Model數據至前端并對其進行渲染。最后，將結果返回給用戶并在前端界面顯示。

2.2 系統功能實現

系統主要實現流程管理，pWPS、PQR、WPS和工藝卡等工藝文件的管理和焊接工藝評定必要性判斷等功能。其中工藝卡包含封面、接頭列表、焊材列表、附件列表和工藝卡片等多種信息，因此以工藝卡樹形式存儲于系統中。

在流程中的工藝文件可以進行附加到流程（選擇）、查看、添加、編輯、移至垃圾箱、永久刪除、生成副本等操作。其中，查看、添加和編輯操作都鏈接到工藝管理模塊進行。只有定版的工藝文件可以生成副本，未在流程中并且未定版的WPS文件可以發送或共享給其他用戶。此外，用戶還可以自定義模板并將模板共享給其他用戶使用。還可對工藝文件導出、打印等操作，使系統中的工藝文件不斷更新。以工藝卡管理為例，其主界面如圖6所示。

在長期的生產中，企業積累了大量的工藝文件，針對一份新的pWPS，應先判斷系統中是否有相應的PQR或標準可以支撐這條pWPS，若有則無需進行新的焊接工藝評定試驗，可直接生成正式的WPS用于指導生產，可免除不必要的焊接工藝評定試驗，大大減少了人力、物力和時間，節省成本并增加企業的核心競爭力。

而作為通用型承壓設備焊接工藝評定系統，遵循的標準為NB/T47014，參與判斷的元素包括：焊接方法、母材、試件厚度（包括板、管，其中管焊接只判斷管厚，無需判斷直徑）、焊縫金屬厚度、焊后熱處理制度、焊接位置（對接）、沖擊試驗的沖擊功和溫度。母材不同進行焊接工藝評定必要性判斷的步驟略有不同，主要分為普通情況、復合板、堆焊和換熱管或管板4種情況，下面以普通情況為例介紹系統如何進行焊接工藝評定必要性判斷，其主界面如圖7所示。

用戶根據提示依次輸入母材牌號、母材厚度等信息后點擊“ 確定 ”按鈕，系統將把參數和已有PQR進行對比分析，判斷是否有可覆蓋該條記錄的PQR，若有則將結果顯示在界面右側供用戶參考，若有多種焊接方法時，將會在界面右下方顯示推薦焊評;若無PQR可覆蓋該條記錄，將建議用戶針對該pWPS進行焊接工藝評定試驗。

3 結論

（1）為彌補定制的焊接工藝評定系統開發周期長、成本高的不足，在統一的承壓設備焊接工藝評定標準NB/T47014-2011的基礎上，設計了通用型承壓設備焊接工藝評定系統。

（2）通過用戶管理和角色管理，系統可為企業中的不同人員分配與其職責相對應的權限，同時還可按需要修改用戶角色及其相應權限，使系統更加安全、靈活、高效。

（3）通過流程管理、我的工作和工藝管理模塊之間的相互配合，實現了焊接工藝評定工作的流程制定、評定項目的提出、焊接工藝評定必要性智能判定和焊接工藝規程的自動生成。

參考文獻：

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收稿日期：2020-10-09

作者簡介：蒲 炯（1997—），女，碩士，主要從事焊接數據庫、專家系統、力學性能預測等方面的研究。E-mail：pujiong1997@126.com。

通訊作者：劉仁培，碩士生導師，主要從事焊接專家系統、焊接過程數值模擬與仿真等教研工作。E-mail：lrp_msc@nuaa.edu.cn。