通用型承壓設備焊接工藝評定系統(tǒng)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(tǒng)開發(fā)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(guī)程、焊接工藝評定報告和焊接工藝規(guī)程）管理基礎上，設計開發(fā)了通用型承壓設備焊接工藝評定系統(tǒng)，實現(xiàn)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(guī)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(tǒng)相比，通用型系統(tǒng)可滿足大部分承壓設備企業(yè)的使用需求，避免重復開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

關鍵詞：NB/T 47014-2011;承壓設備;通用型系統(tǒng);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(fā)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(chǎn)品最終質量[1]。生產(chǎn)企業(yè)應按相應標準對受壓或承載的焊接接頭編制焊接工藝規(guī)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(nèi)壓力容器、鍋爐等承壓設備遵循不同的標準，很多內(nèi)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(fā)展的重要因素。隨著NB/T 47014-2011的執(zhí)行[2]，承壓設備工藝評定標準逐步統(tǒng)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(nèi)外研究機構長期以來按各種標準開發(fā)了相應的焊接工藝評定系統(tǒng)[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(xiàn)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(xiàn)焊接文件的管理及編制。國內(nèi)南京航空航天大學與南京維爾德智能科技公司合作開發(fā)了基于AWSD1.1，NB/T47014，EN287的系統(tǒng)，實現(xiàn)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(yè)發(fā)揮了重要作用。

現(xiàn)有工藝評定系統(tǒng)一般針對特定企業(yè)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(yè)的需求，但是這種定制型系統(tǒng)開發(fā)成本高、周期長。隨著承壓設備標準的統(tǒng)一及軟件技術的發(fā)展，通用型系統(tǒng)成為可能。文中調(diào)研部分承壓設備生產(chǎn)企業(yè)，研究通用性功能，設計通用型承壓設備焊接工藝評定系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)定位為通用型承壓設備焊接工藝評定系統(tǒng)，集焊接數(shù)據(jù)、焊接標準、經(jīng)驗知識于一身，并結合企業(yè)流程化管理思維，打造通用的企業(yè)焊接工藝評定與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)WPS及預焊接工藝規(guī)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(tǒng)采用模塊化管理，根據(jù)需求分析將系統(tǒng)分為用戶管理、流程管理、我的工作、工藝管理和系統(tǒng)設置5個模塊，各模塊間既相互獨立又相互關聯(lián)。系統(tǒng)通過用戶管理和系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)最基礎的部分，為系統(tǒng)所有功能提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)庫的質量將直接影響系統(tǒng)的質量，同時數(shù)據(jù)庫應具有動態(tài)適應性，適應未來系統(tǒng)功能的擴充。本系統(tǒng)結合NB/T 47014-2011標準和需求分析完成平臺數(shù)據(jù)庫設計，包括母材數(shù)據(jù)庫、焊材數(shù)據(jù)庫、接頭數(shù)據(jù)庫、pWPS數(shù)據(jù)庫、PQR數(shù)據(jù)庫和工藝卡數(shù)據(jù)庫。常用實體-聯(lián)系（Entity Relationship Diagram，E-R）圖表示數(shù)據(jù)庫設計過程，系統(tǒng)E-R如圖1所示。其中矩形框為數(shù)據(jù)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(tǒng)的核心，知識庫中知識的數(shù)量和質量決定了系統(tǒng)的質量和系統(tǒng)代替專家工作的能力。系統(tǒng)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(jīng)驗、焊接工藝評定覆蓋規(guī)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(wǎng)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(guī)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(xiàn)工藝文件的編制，系統(tǒng)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(guī)則：

（1）pWPS與 PQR匹配規(guī)則。制定新的pWPS時，若無支持的PQR，則需根據(jù)pWPS進行焊接工藝評定試驗，生成PQR時需根據(jù)規(guī)則確定pWPS中數(shù)據(jù)如何在PQR中表示。

（2）PQR與WPS匹配規(guī)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(jù)PQR及制定的匹配規(guī)則編制WPS。

推理機是根據(jù)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(chǎn)即可。其他情況則無法免除評定，需根據(jù)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(jù)制定流程時的關聯(lián)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(chuàng)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(chuàng)建流程時需遵循以下規(guī)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(tǒng)采用用戶-角色-權限模型，系統(tǒng)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(nèi)工作，也可避免無權限人員使用系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全性的同時保證不同用戶之間協(xié)同高效工作。

在項目流程中共有6種工作流程，即我可以發(fā)起的、我發(fā)起的、我的經(jīng)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(jù)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(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)技術

系統(tǒng)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(yè)務層存儲業(yè)務和數(shù)據(jù)運算規(guī)則;數(shù)據(jù)層存儲數(shù)據(jù)并定義數(shù)據(jù)標準及訪問規(guī)則。B/S結構在服務器中運行，沒有客戶端，只要有操作系統(tǒng)和瀏覽器即可使用系統(tǒng)，維護和升級簡單。

系統(tǒng)采用開源的web框架SpringMVC+mybatis框架，mysql數(shù)據(jù)庫、java編程語言和面向對象技術。利用mybatis實現(xiàn)系統(tǒng)后端與mysql數(shù)據(jù)庫的交互，簡化代碼，提高運行效率，便于修改SQL及獲取SQL執(zhí)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(tǒng)分成簡單清晰的界面、業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)三個部分，簡化開發(fā)步驟，提高開發(fā)效率，降低系統(tǒng)出錯可能。

SpringMVC框架架構如圖5所示。首先用戶發(fā)起請求，系統(tǒng)前端接收請求后根據(jù)url找到 Controller文件中的相應方法并執(zhí)行該方法，若與系統(tǒng)后端無交互則直接返回ModelAndView至前端，否則逐步執(zhí)行service，map和dao中的方法直到從數(shù)據(jù)庫中取出數(shù)據(jù)，此時返回Model數(shù)據(jù)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(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)主要實現(xiàn)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(chǎn)中，企業(yè)積累了大量的工藝文件，針對一份新的pWPS，應先判斷系統(tǒng)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(chǎn)，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(jié)省成本并增加企業(yè)的核心競爭力。

而作為通用型承壓設備焊接工藝評定系統(tǒng)，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(tǒng)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(jù)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(tǒng)將把參數(shù)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(tǒng)開發(fā)周期長、成本高的不足，在統(tǒng)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(tǒng)。

（2）通過用戶管理和角色管理，系統(tǒng)可為企業(yè)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(tǒng)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(xiàn)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(guī)程的自動生成。

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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(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)、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(tǒng)、焊接過程數(shù)值模擬與仿真等教研工作。E-mail：lrp_msc@nuaa.edu.cn。