油氣管道焊接材料數據庫應用系統研究*

黃一丹，孫 良，江 濤，楊 佳，韓鵬岳，賈 晉

（西安石油大學 材料科學與工程學院，西安 710065）

0 前 言

管道輸送在石油化工行業處于重要環節，如何確保管道焊接質量成為了提升管道施工效率中亟需解決的難題[1]。利用計算機技術建立油氣管道焊材及工藝相關數據庫，有助于提升管道焊接效率[2]。

美國、英國、德國、日本等國家在材料數據庫方面的研究較為領先，涵蓋了金屬材料、高溫材料、復合材料、陶瓷材料、橡膠、核工業材料、功能材料等[3-5]。美國勞倫斯伯克利國家實驗室和麻省理工學院聯合研發的Materials Project計算材料數據庫，儲存了幾十萬條第一性原理計算數據[6]，綜合了多個結構數據庫、超導材料數據庫和物理性能數據庫[7]。日本最大的材料數據庫是NIMS 數據庫，包括結構材料、工程、高溫合金、非金屬材料等17 個數據庫和物理性能數據庫[8]。

我國在材料數據庫研究方面起步較晚。國內最全面的材料科學數據庫——中國科學院數據云門戶網站建立于2019 年，主要包括金屬材料、無機非金屬材料、閃爍材料、碳化硅材料、 納米材料和有機高分子材料等子數據庫[9-10]。

我國在材料研究領域主要采用的是國外材料數據庫，而國外數據庫服務器會保留檢索與瀏覽痕跡，研發信息與數據安全將受到威脅，不利于我國材料學的發展[11]。尤其在油氣管道領域，焊接工程量巨大，焊接材料市場需求量龐大，并且材料復雜、種類多樣，導致焊接工藝要求較高。同時油田焊接工程環境大多存在高溫、低溫、高壓、腐蝕等情況，且地質復雜，條件嚴苛，容錯率較低，對選材要求高，對焊接技術要求嚴格。因此，開發針對油田石化的焊接材料數據庫可以有效彌補管道焊接工程方面的信息缺口，解決在復雜環境條件下的選材、試錯等問題。為此本研究通過對符合國家標準與試驗驗證后的焊材型號與焊接參數進行歸納總結，設計油氣管道焊接材料數據庫，為后期焊接試驗提供技術支撐。

1 焊材數據庫架構標準

可行性是數據庫建立架構的必要標準。根據焊接材料數據的快速增長模型、具體數據對象的訪問頻度、焊材數據庫的需求必要性與安全性[12]可知，建立焊接材料數據庫具有充足可行性，油田焊接管道材料系統適合搭配數據庫系統。

根據系統目標和需求結構分析，即實現焊接過程中針對母材選用對應焊材功能，將焊接材料數據庫劃分為：①后臺管理員模塊；②用戶模塊；③數據庫模塊。

經過前期調研，整個系統應具備以下功能：①實現材料數據存儲功能，存儲的數據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，同種管道焊材和異種管道焊材；②實現數據庫精確管理，保留管理員對后臺材料信息增刪修改痕跡；③實現用戶查詢功能，用戶可輸入牌號精確搜索材料信息。兩模塊功能設計如圖1所示。

圖1 數據庫前后臺功能用例圖

1.1 用戶模塊

用戶用例圖（圖1（a））主要包含兩個用例，即材料信息查詢、網頁內容瀏覽，其中網頁內容包括材料屬性和工藝案例參考等功能。用戶獲得有效信息后，根據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））展示用戶和其他用戶之間的關系，構建用例模型須確認模塊和參加人員。焊接材料數據庫的對端參與人員主要是管理員和用戶，用戶是多個，管理員則根據維護難度任命一個或多個人員。

后臺管理員共4 個用例，包括查詢材料信息、修改數據庫中材料信息、增加數據庫中材料信息、刪除數據庫中材料信息。

1.3 系統功能

本系統中，用戶即為焊接材料數據庫使用者，搭建該數據庫的主要目標是為了幫助用戶了解并熟悉油氣管道焊接相關內容，要求操作簡單直觀，讓用戶可直接查看管道焊接相關信息。該應用只涵蓋學習查看，不需要登錄注冊，故不存在安全性問題，系統功能設計如圖2所示。其中，系統功能主要包括：①材料信息展示，WEB主頁面呈現搜索欄框，檢索可展示油氣管道數據庫材料種類；②按需查詢材料信息，用戶可根據母材查找所需焊接材料，通過母材檢索跳轉至其焊材信息頁面，例如焊材類型、焊接工藝等；③根據材料信息實施應用，通過檢索、瀏覽、對比等功能，用戶根據實際工況及需求擬定油田管道焊接方案；④定期維護功能，即定期維護和增刪改查數據庫。

圖2 數據庫應用系統功能設計圖

2 數據庫焊材選材標準

數字化焊接材料數據庫必須包含充足的數據資源，能夠快速獲取材料的計算性質并批量導入材料數據庫[13]。本數據庫的數據資源來源于焊接相關手冊、焊接試驗文獻及焊接相關網絡內容，通過多方面數據歸納收集，整合后針對油氣管道方向制定材料數據庫。對主材鋼管分類以《管道工程用無縫及焊接鋼管尺寸選用規定》[14]為分類標準，將主材劃分為用熱壓、冷軋等方法生產的管壁無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；對焊接材料以《石油化工異種鋼焊接規范》[15]和《鋼結構焊接規范》[16]為標準，對同種主材和異種主材做焊接分類。

以各專業使用的《護理學基礎》《護理專業技術實訓》教材為基礎，通過多途徑搜集相關臨床差錯案例。（1）借鑒護理臨床案例相關讀物，如《護理臨床案例精選》《臨床護理案例啟示錄》等；（2）利用檢查護生醫院實習情況時搜集到的臨床案例；（3）利用網絡資源平臺（如中華護士網）搜集相關臨床護理案例；（4）通過新聞報道、身邊事例來獲取護理安全、醫療糾紛等有關信息。

數據庫系統由用戶層、應用層和數據層組成[14]。本油氣管道焊接材料數據庫系統主要分為兩大類：母材信息和焊材信息，分類如圖3所示。

圖3 數據庫分類

根據油田管道焊接需求，數據庫選材的特點包括：①焊材需求較大，由于焊接環境復雜、焊接類型多樣，焊材應用靈活，在油氣管道焊接工作中應用普遍，數據庫加入焊條材料條目；②油田行業油氣管道主材多以無縫鋼管為主，以此為基礎擴展無縫鋼管類別；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別導入與焊接工藝相關的數據。

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

根據SH/T 3526—2015《石油化工異種鋼焊接規范》，異種鋼材焊接時，焊材的選用符合：①兩側之一為奧氏體不銹鋼時，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）；②兩側鋼材為強度級別不同的鋼時，可選用強度介于二者之間或合金含量低的一側相配的焊條（焊絲）；③兩側鋼材均為不銹復合鋼板時，對基層焊接選用相應強度等級的結構鋼焊條，對復層焊接選用奧氏體不銹鋼焊條，對過渡層焊接選用塑性、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，篩選焊材也應依照相關標準。根據GB/T 31032—2014《國家鋼制管道焊接及驗收標準》，立焊縫焊接構件可選用J420 等專用向下焊的焊條；對熔深要求較大的焊接構件可選用J424 焊條；對低碳鋼母材管道，應選用鈦鈣型焊條，例如J422 和J502 焊條；當油氣構件塑性和韌性要求較高時，選用低氫型焊條，例如J427 和J507；對光滑薄板構件可選用鈦型焊條；同樣，焊接電流也是焊條的重要篩選條件，當使用交流電焊接時，可選用交直流兩用的低氫型焊條。

部分常見同種母材管道焊接材料選用依據見表1，部分異種母材管道焊接材料選用依據見表2。

表1 同種母材管道焊接材料選用依據

表2 異種母材管道焊接材料選用依據

3 數據庫系統總體設計

在充分分析用戶需求和系統功能的基礎上，開展數據庫的總體系統設計工作。

3.1 數據庫系統總體結構設計

油氣管道材料數據庫應用系統，總體結構規劃為三大部分，如圖4所示，即用戶界面（用戶層）、數據庫功能模塊（應用層）、基礎數據庫（數據層）三層結構[16]。功能模塊和基礎數據庫鏈接，數據庫為功能模塊提供材料數據、數據管理、應用開發等功能，功能模塊向用戶層反饋結果，用戶層用以實現指令輸入和信息輸出功能。

圖4 數據庫應用系統總體結構

3.2 數據庫架構模型設計

該數據庫數據量龐大，容易發生錯漏，為確保數據之間的對應關系，需細化數據庫信息表，即通過表的ID 和參數建立數據庫中表與表之間的關系，如圖5所示。

圖5 數據庫內容架構

模型設計確定好之后，利用SQL Server 搭建數據庫架構，載入系統數據，導入過程中數據與對應屬性必須準確、類型統一，導入后詳細排查可能存在的空值、參數不對應、類型不統一等問題。確定數據載入無誤，即實現數據庫的底層數據完善后，可在數據庫上搭建網站。

4 數據庫檢驗

本系統選用navicat軟件搭建前后端，以此作為實現網站功能的平臺。如圖6所示，該模塊為本系統的首頁，以此作為用戶的向導，實現用戶的瀏覽、查詢、篩選等需求。

圖6 數據庫應用系統首頁

對母材厚度5 mm的Q235鋼管焊接為例，驗證該數據庫的適用性。首先利用數據庫對Q235進行查詢，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行焊接。由于工件要求5 mm厚，根據管徑匹配表，可選擇Φ3.2 mm 焊條；隨后對焊條進行查詢，搜索J422，根據“基本信息—可焊接母材”欄及“焊接電流”欄，對選材進一步篩選，可得Φ3.2 mm焊條可用電流大小為100～130A，查詢結果如圖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鋼管焊材查詢結果

5 結 論

（1）針對油氣管道母材及焊材建立數據庫，實現了油氣管道材料的主材基本信息和性能數據、焊接材料的基本信息和試驗工藝數據庫的存儲和管理。

（2）數據庫的材料性能、焊接試驗工藝等數據可作為油氣管道所用的儲罐、管道、鉆頭等油田建設設備的參考，實現焊接材料、油田管道技術與管道焊接技術研發的良好匹配。