接工艺规程编制、评定和应用中的若干问题 (节选)
Some Problems in Preparation, Qualification and Application of WPS

郭晶Guo Jing; 李艳Li Yang; 史雪芬Shi Xuefen
大连日立机械设备有限公司Dalian Hitachi Machinery & Equipment Co., Ltd
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本文献[1]介绍了焊接工艺规程编制,评定和应用方面的基本原则。本文介绍在实际应用中出现和存在的一些问题,这些问题不同程度地干扰和影响着对ASME规范的正确认识和我国锅炉压力容器生产技术的进步。
Some basic principles about preparation, qualification and application of the welding procedure specifications have been presented in the reference [1]. In this paper, the authors would like to give their clarification for some problems predominated progress of Chinese BPV production in our country which remarkably interferes with the understanding of the ASME Code and the technical advance

焊接工艺规程,焊接工艺评定,编制,评定,应用,问题
WPS,PQR,Preparation,Qualification,Application,Problems

前言
关于焊接工艺规程编制,评定和应用方面的基本问题作者已在[1]中作了介绍。但发现在实际工作中还存在一些问题,干扰着对ASME规范焊接评定标准的正确理解和执行,有必要对其进行澄清。
这些问题都来源于一个集中的“发源地”,通过不同层次的“宣灌”,“培训”和“考核”扩散到了全国各地。这些问题的产生也有其认识上的根源。
我国取得ASME锅炉和/或压力规范授权证书的工厂已逾百家。这些单位自然也都有国内相应产品的设计和/或制造许可证。这些单位的焊接工程师时而执行ASME规范,时而执行国内标准,也就免不了互相渗透,互相影响。例如锅炉压力容器制造厂的焊接责任工程师大多数都参加过一种称作“培训考核班”的学习。
在[1]中作者说过,ASME规范第IX卷的独特编排结构,使得对它的理解不是轻易能够完成的,这就为错误观点的浸入留下了可乘之机。就像学习和掌握科学知识,相对而言总会遇到一些困难,需要花费一定精力,也需要一定知识背景。但接收迷信宣传却几乎不用费任何力气,也不需要任何知识垫底。

1、认识根源
这些问题产生的认识根源是对ASME规范,第IX卷本质认识上的背离。这种背离并不是有意的,而是因为对ASME规范没有作深入全面的学习,没能深入到规范内部,抓住其本质要点,而产生的误读,误解。
1.1ASME焊接工艺评定规范的核心
ASME焊接工艺评定规范的核心可归纳为以下几点:
(1)ASME规范第IX卷关注的焦点是焊接工艺规程(WPS),它是指导产品焊接的文件。该卷的立意,编制和修订完全是围绕着使焊接工艺规程(WPS)能够得到全面评定,从而最终保证产品焊接质量而展开的。
(2)焊接工艺规程(WPS)是焊接工程师以公认的知识和经验为依据编制出来的,所以自然应该是正确的。这就是焊接工艺评定试验,一次通过就行,不要求重复验证的根据。
(3)对焊接工艺规程(WPS)进行评定,不是证明其内容的正确性,而是对WPS中规定的内容能够在某一生产单位具体条件下得以实现的一种实际确认(Verification),具有“试生产”的性质,这就是通过评定的焊接工艺规程(WPS),只能在进行评定的单位内部使用,不能在单位间转移的根据。
1.2偏离的认识上
目前流行的观点可归因于下列认识上的偏离。
(1)完全没有焊接工艺规程(WPS)的概念。虽然一个字母都没有改动地照搬了Welding Procedure Specification(WPS)这一段英文短语,但中文表达却成了“焊接工艺指导书”。指导对象是什么,是焊接工艺评定试板,而不是锅炉或压力容器产品的焊接。
(2)焊接工程师编制的焊接工艺规程(WPS)(国内叫做焊接工艺指导书)是否正确事先不知道。需要依靠评定试验证明。
(3)焊接工艺评定试验的目的是验证焊接工程师编制的焊接工艺规程(国内叫做焊接工艺指导书)(WPS)是否正确。

2、存在的问题
目前广泛流行的问题就是上述认识偏离的表现。下面列举几个例子。
2.1 先编制“焊接工艺指导书”,进行焊接工艺评定试验。或先编制“焊接工艺指导书”,进行焊接工艺评定试验,待评定试验成功后再编制产品用“焊接工艺指导书”
不管那种提法,反正焊接工艺评定试板是要有指导书指导的,而且这个指导书从形式上看,就是ASME规范中的焊接工艺规程(WPS)。
2.1.1 焊接工艺评定试验需要指导书指导吗?
工艺评定试板的焊接是否需要有指导书指导以及指导书是什么形式,ASME规范第IX卷都没有提到过。规范只是说在焊接工艺评定试板的过程中,焊接评定试板的焊工或焊接操作工必须完全处在制造厂或承包方的监督(Supervision)和控制(Control)之下(QW-201)。如果没有监督(Monitor)就不能把使用的变素记录到PQR中去(QW-200.2(b))。
这里ASME规范给制造厂预留了很大的自由空间。也就是说工艺评定试板的焊接可以有指导书指导,也可以没有。没有并不构成对规范的违反。规范对此既不检查,也不追问。
当然如果有指导书指导,规范也没有说不对。但是可以肯定当地说,ASME规范所说的“焊接工艺规程(WPS)”绝对不是用来指导工艺评定试板焊接的。在这一点在[1]中已经说得很清楚了。说焊接工艺评定试板一定要用WPS作指导是对ASME规范的精神的曲解。
2.1.2 监督控制的目的
ASME规范强调,对评定试板的焊接过程必须“控制”和“监督”,其目的是
---控制焊接变素,使其符合评定意图。也就是说焊接评定试板使用的焊接变素不能由焊工或焊接操作工自己决定,也不能按照焊工或焊接操作工的习惯,以及操作是否“方便”或 “顺手”来确定,而是要根据如何能实现评定目的而确定。例如当有冲击韧性要求时,需要在立焊位置,使用大电流,低速度焊接。要做到这一点,有时并不很容易,甚至有一定困难。
---记录焊接评定试板过程中实际使用的变素,或发生的事件。
很遗憾,目前国内对规范强调的这种“控制”和“监督”重视得十分不够,甚至可以说完全忽略了。反而把注意力引导到什么“指导书”上面去了。
十多年前,辽宁省曾强制推行过一套所谓“辽表”,“辽表”系列里的焊接工艺评定指导书,还包括要进行那些试验项目,每个试验项目需要几个试样(Specimen),合格标准是什么等栏目。那才是十足的“指导书”。现在的“指导书”和ASME规范推荐的WPS样表形式相似,但标准编制者的认识却和“辽表”没有实质差别。
2.1.3由谁实施监督控制?
由制造厂或承包方的什么人实施监督和控制,规范也没有硬性规定,只要是制造厂或承包方的雇员就行。当然最好是焊接工程师,尤其是直接编制焊接工艺规程(WPS)的焊接工程师。其他人员,如其他焊接工程师,QC检验员等,单从记录焊接评定试板实际使用的变素角度看,似乎没有问题,但从对试板焊接过程实施控制的角度看,还是直接编制被评定的焊接工艺规程(WPS)的焊接工程师最合适,因为只有他或她才最了解编制该份WPS的意图,最了解应该使用怎样的极限变素焊接评定试板才能使WPS中规定的各项变素或范围无遗漏地都得到评定。
目前国内普遍的做法是,焊接工程师编制好WPS后,就交给了本单位的焊接试验室。评定试板的焊接和试验完全由焊接试验室完成。这种做法虽然不构成对规范的明显违反。但绝不是规范的精神。只有直接编制WPS的焊接工程师,也直接参与评定试板的焊接和试验的监督,他或她才能对整个过程有一个全面深入的了解,才能得到一个鲜活的过程印象。一旦评定结果出了问题,例如某项试验不合格,也容易查找原因。评定试验不合格,也找不出原因的情况也不是没有发生过。
像目前国内普遍的这种做法,即把焊接工艺评定工作交给编制WPS的焊接工程师以外的其他人去做,当然需要一份指导性书,否则人家怎么知道该怎样做。但是如果由直接编制WPS的焊接工程师去直接监督控制,那么这份指导书就可以有,也可以无了。因为焊接工艺评定试验毕竟不算什么复杂试验,没有试验指导书完全可以。
2.1.4 能直接用焊接工艺规程(WPS)做焊接工艺评定试验的指导书吗?
(略)
2.1.5能从专为焊接评定试板编制的WPS派生出多少适用于产品焊接的WPS呢?
(略)
2.2 焊接工艺评定的目的是验证WPS的正确性
2.2.1
这种认识的危害性
这种观点的错误已在[1]中谈到过。这里再一次提出来,是因为这种观点的危害实在太大。
首先,这种观点非常容易被接受。保守估计,全国锅炉压力容器制造领域内至少80%的焊接工程师接受了这种观点,包括很多高层专家。例如“焊接责任工程师培训考核班”的授课讲师,就在培训班课堂上宣讲过这个观点。
这种观点带来的后果非常危险。一方面它能松懈焊接工程师刻苦钻研理论知识和认真分析总结实际经验的努力,淡化他们对保证焊接工艺规程(WPS)正确性是自己责任的使命感,转而过份地依赖评定试验。另一方面还会使一些有问题,但又“通过”了评定试验的工艺被误认为正确的而应用到实际中去。例如才得到实际应用不足20年的奥氏体-铁素体双相不锈钢,当前普遍接受的认识是,这种材料只能在固溶状态下使用,低于1000℃的热作用,由于σ相和其他金属间化和物的析出会使材料的韧性和抗腐蚀性降低。由德国一家公司设计的一种压力容器产品,由于封头直径小,壁厚大,封头只能热成型。因解决不了复合钢钢板封头热成型后的热处理问题,最终放弃了采用复合钢板的方案,而决定采用整体双相不锈钢钢板制造,封头热成型后再固溶处理。可是在我国的刊物上已经看到了,使用双相不锈钢作耐蚀层的复合钢板制造压力容器的报道,封头也是热成型的,而且说还进行了热成型后复层材料的冲击试验,以证明其质量的符合性。一般复合钢板的复层材料厚度只有3~5mm,冲击试验用试样不知道是怎样切取出来的。这样的试验能让人信服吗?即使试验没问题,也仅是一家之谈。除非已经得到公认的东西,凡是和当前普遍接受的认识不一致的试验,观点,虽然其中可能蕴藏着创新的成分,但必须需经过其他试验室的验证,变成普遍认可的东西后,才能在实际中应用。因为“新”东西固然可能是新的突破,但也可能是一种偶然,甚至错误或假象。就像生物学中的变异,有好的,也有坏的,有稳定的,也有不稳定的一样。
规范规定的焊接工艺评定试验,只要通过,一次试验即可,不要求重复,不要求其他单位验证。如果WPS中还包括未知的成分,能是这中情况吗?
鼓励开展科学试验,鼓励创新,但要和焊接工艺评定试验分开。这是两回事,不可混为一谈。
2.2.2焊接工艺评定试验到底能不能鉴别出WPS的对错?
(略)
2.3 焊接工艺评定试验应该在那里进行
(略)
2.4 焊接工艺评定试验过程中的记录
(略)
2.5 焊接工艺评定记录还是焊接工艺评定报告
Procedure Qualification Record,简称PQR在中国被改称为“焊接工艺评定报告”。先不说就字面上讲就说不过去。“记录”和“报告”意义完全不同。“记录”就是如实记下来,不做任何修饰,处理,润色或归纳,保持事实原本面貌。ASME追求的正是这种“原本面貌”。凡报告都含人工处理痕迹。例如无损检验报告。多数无损检验方法直接探测到的并不是缺陷本身,而是缺陷的影像或信号。是不是缺陷,是何种缺陷,以及是否超过了允许极限,还需经过称作“Interpretation”和“Evaluation”两道人工处理的程序。这样形成的文件才叫“报告”。
ASME规范中要求“记录”的地方很多。例如锅炉和压力容器,最后合拢的那一条环焊缝,如果不能进行射线检验,可用超声波检验代替(UW-11.(a)(7)),但绝对不是像国内理解或执行的那这么简单。规范要求使用的超声波设备必须配备计算机自动数据记录系统。检验数据必须不经任何处理(unprocessed)的纪录下来。记录的参数不仅要完全,而且不得经过任何包括gating, filtering 或thresholding的处理(规范案例第2235.9号)。也就是说,不能仅提供一份合格或不合格,或有何种缺陷的报告,还要提供检验过程的原样记录,以便确认检验结论是怎样得出的,以及检验方法和结论是否有问题。
了解了这一些,就不难发现,把PQR称为“焊接工艺评定报告”不能不说是对规范精神的曲解。
2.6 焊接工艺评定实验不合格怎么办?
(略)
2.7 对于新材料,焊接工艺评定之前先进行“工艺性”实验”
什么是“新”材料?
ASME规范指的“新”材料是那些已经纳入公认的美国或其它国家或国际组织标准,但尚未收入ASME规范第II卷,因而也未曾用来按ASME规范制造过锅炉,压力容器或核设备的材料。对于新研究开发出来的材料,ASME也希望能够先被公认的美国或其它国家或国际组织的标准所采纳,或由这类公认的组织建立一项新标准,然后再向ASME提出批准申请。ASME所说的公认的国家和国际组织标准,不包材料生产厂的公司标准或企业标准。
不难看出ASME所指“新”材料,尽管还没有制造过规范产品,但也已经相当成熟了。因为要被某一公认的国家或国际组织承认,就得先通过该组织的审查。即使这样的材料,要想得到ASTM的批准,要提供的试验数据也绝不仅限于“焊接性”一个方面,而是包括力学性能,物理性能,焊接性,其他加工性能等很多方面。而且要求用不同厚度材料,在不同温度下每相隔50℃或25℃进行试验的数据。详见ASME规范第II卷“Guideline on the approval of new materials under the ASME boiler and pressure vessel code”。粗略估计这些数据要多达数千甚至上万个。
可见ASME对于材料的控制是相当严格的。绝不是经过简单试验,试制就准许应用的。
在这一点上国内流行观点倒是把问题简单化了。这样说也决不是孔穴来风。在发展我国核电事业过程中,某些“设计”单位与钢厂和焊材厂合作,曾开发出一种称作20RH的钢板和一种称作J427HR的焊条。虽然至今经过的时间已不算短了,但还没有进入国家标准或行业标准,而仍停留在参与合作的钢厂和焊材厂企业标准,甚至还没有上升到企业标准,而仅停留在“技术条件”的水平上。还好这种钢板和焊材还仅仅是简单的碳素钢系列,不算复杂。还有一家核工程单位“开发”了一种E5018-1的焊条。E5018-1焊条是国家标准GB/T5117“碳钢焊条”中的一个标准焊条型号(在美国标准中称作标准分类号)。标准规定这种型号焊条的抗拉强度最低必须达到490MPa.(见GB/T5117-95,表7)。但那家工程单位的规定却只有410MPa.。没有达到标准规定指标,怎么能使用标准规定的标识呢?
这几件事例与本文所说的问题“发生源”倒没有直接关系,但都反映了对材料控制最基本规则不甚了解的事实。
鼓励材料厂和焊材厂以及科研机构开发研究材料新品种,但实际应用之前,最好先申请列入国家标准。即把采用新材料的最终“把关”单位提高到“公认的国家或国际组织”水平上,而不是低于该水平的其他组织和单位。其实像前面提到的那种钢板或那几种焊材,采用现有国家标准中已有的品种,附加一些补充要求,完全能解决问题,美国ASME核电规范,法国RCC-M都是这样做的。根本用不着“发明”那些“新”牌号。由于没有列入标准,自然没有标准号,设计文件上只能标注材料牌号,采购都费周折,因为先得打听当初这些材料是哪家钢厂或焊材厂参与试制的。
当然国内在宣讲“焊接工艺评定”标准时提到的 “新”材料并不是这类“新”材料,而是指某锅炉或压力容器制造厂首次遇到的材料。从规范,标准角度看,只要是列入标准的材料,都不应该称作“新”材料。如果要以是否首次遇到来做为划分“新”材料的界限,各个工厂将会有不同标准。某种材料对某工厂是首次遇到,对别的工厂可能就不是。
只要是列入标准的材料,焊接性虽然有好坏之分,但实际应用的问题都是已经解决了的。是否要进行“焊接性”试验,也是工厂自己决定的事。不进行并不构成对规范或标准的违反。如果为做到心中有数,进行了焊接性试验,就像正式比赛前,运动员的热身赛那样,规范当然也不禁止。

3、结束语
本文的目的是澄清目前国内在焊接工艺规程编制,评定和应用方面广泛流传的若干错误观点,以排除它们对正确理解和执行ASME规范的干扰。
国内ASME授权证书持有单位,也都同时持有国内相应产品的制造许可证。这是否意味着这些单位的焊接工程师需要随时在国内和国外标准之间切换自己的思想认识呢?其实不必。按照一种认识,即正确的认识对待两个标准完全可以。即摆脱这些错误认识的干扰,按[1]所述基本原则,编制和评定按国内规范建造产品的焊接工艺规程完全可以。国内焊接工艺评定标准,单就评定规则这一个方面而言,除了没有对焊接材料恰当分类,母材和熔敷金属厚度评定范围与ASME规范不同外,其余与ASME规范精神基本一致,因而按作者的建议处理问题不会构成对国内标准的违反。
这样做开始阶段可能会遇到一些阻力。因为其它相关人员,如锅检所驻厂检验员也是受这些思想熏陶出来的,刚看到稍不一样的东西,未免不会感到惊讶。遇到这种情况需耐心解释。例如你的评定试板是在某个一定位置下焊接的,为什么WPS中焊接位置一栏就写了F,H,V甚至还有OH好几个位置呢?为什么焊接评定试板只用了一种直径的焊条,而WPS中焊接材料一栏又有3.2mm,4.0mm甚至5.0mm的焊条呢?你可以翻开国内标准告诉他,这是标准允许的。你也可以用WPS中,各种直径焊条后面规定的电流,电压和速度,计算一下热输入量,告诉他,并没有超过PQR中的最大热输入量,也是符合规范的。你还可以反问一下,我的焊评试板也只是一个固定厚度,可WPS中母材厚度一栏写成了一个厚度范围,为什么你同意了呢(这一点国内是无异议的)。
只要符合规范规定,要敢于坚持。这种坚持也是一种互相提高的过程。一家欧洲公司,在审查了我们为一项316L不锈钢容器准备的WPS后说,WPS中母材一栏不应填写P-No.8,而应填写316L。我们回答说,按ASME规范编制的WPS永远针对的是一个很宽的范围, P-No. 8包含着316L,凡需要进一步具体化的内容,一律留在产品的接头识别卡(JIC)中去解决。还有一家美国客户,在审查了我们提交的WPS后,提出应增加QW-410.64要求内容。我们的WPS是以前编制和评定的,当时这一条还没有作为一项变素列入规范中,根据QW-100.3,可以不用增加修改。
改变不合理的现状,总需要有突破。担当突破的人,会遭遇一些不愉快,但是一旦突破取得成功,也将享受到更大的喜悦。任何正当的付出都将得到补偿。当然希望这种突破还是由问题“发源地”开始最好。

参考文献
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