ASME BPV规范第IX卷在 SMAW、SAW、GMAW和GTAW工艺评定中的具体应用(节选)
Application of ASME BPV Code Section IX for Procedure Qualification of SMAW、SAW、GMAW and GTAW
赵孟显Zhao Mengxian

本文利用一些企业实际使用的WPS和PQR来具体说明ASMEBPV规范第IX卷在SMAW(手工电弧焊)、SAW(埋弧焊)、GMAW(熔化极气体保护焊)和GTAW(钨极气体保护焊)焊接工艺评定中的具体应用。对于这些WPS和PQR,为了举例的需要,本人对表格格式和个别内容有些小的修改。
This paper uses WPS and PQR of some corporation’s to illustrate ASME BPV Code Section IX’s application in Welding Procedure Oualification for SMAW、SAW、GMAW and GTAW. In order to meet the needs of taking an example, I myself make small modifications to the format and content of the Forms used for WPS and PQR.

焊接,工艺,评定,手工电弧焊,埋弧焊,熔化极气体保护焊,钨极气体保护焊
Welding,Procedure,Oualification,SMAW,SAW,GMAW,GTAW

前言:
在看这些例子前,首先要说明对于某种焊接方法或工艺,这里介绍的分析方法的第一步是先要将第IX卷第II章中有关规定该焊接方法或工艺其各类变素的表格找出来,对于大多数焊接方法,有二张表,第一张表是用于常规焊接方法的,第二张表是用于该焊接方法的表面堆焊工艺的。如对于SMAW,QW-253是用于常规焊接方法的,QW-253.1则是用于该焊接方法的表面堆焊工艺的,对于可以应用于表面堆焊工艺的有关焊接方法,都是如此。这些表格请参见第IX卷原文,本文不再重复
在这些表格中,规定了该焊接方法的各类变素,并有每个变素的简要叙述,由于最近几年已经连续讲过几次第IX卷的工艺评定,关于变素的详细内容,除非有必要,一般不再在这里重复。如需要了解每个变素的详细内容,可以直接去查阅第IX卷原文。
这里介绍的分析方法的第二步是从有关WPS和PQR的编号、日期及修改号开始进行分析;方法的第三步是按变素的类别依次对每个所举例子从QW-402到QW-410对每个有关的WPS和PQR进行分析。
最后是对有关的PQR的试验结果进行分析。
还需要说明的是,我们分析依据的是2007版的第IX卷(包括07、08、09增补),但即使2010版有修改,按照QW-100.3的规定,这些文件仍然有效。
现在按此方法对所举例子分析如下:

一、例1、2:SMAW

这里举了两个例子,第一个例子是不要求冲击韧性的,见表1(WPS)和表2(PQR);第二个例子是要求冲击韧性的,见表3(WPS)和表4、5及6(PQR)。先看例1-表1(WPS)和表2(PQR):
1)表1的 WPS的编号为W02,日期为2009.11.03,修改号为0,其引用的PQR编号为P04。再看表2的PQR,编号为P04、引用的WPS的编号为W02,日期为2009.11.03。二者引用的文件编号和日期一致,说明该WPS为该PQR的原始文件。关于二者的日期,是否应该相同或不同,曾经有不少争议,按QW-201的规定,WPS需要PQR的支持,因此将WPS的日期放在PQR前是说不通的,但大多数人认为在进行评定前,需要有一个WPS,以便给评定试件的焊接提供指导,我们认为这样是合理的,但这时候的WPS由于试件的试验结果还没有出来,不能成为生效的WPS,只能看成是一个初稿。至于如果将WPS的日期放在PQR后,如果是经过修改的WPS(修改号为1、2等等),或者是后来从该PQR派生出来的WPS,那是可以的,但是对于PQR上引用的原始的WPS(修改号为0),目前比较合理的做法是用同一个日期,包括文件上的编制、批准/签证等都使用同一个日期。
2)QW-402-接头:先看QW-253,在这里没有重要变素和附加重要变素(由于该WPS不要求冲击韧性,下面不再提附加重要变素),只有4个非重要变素,是QW-402.1、QW-402.4、QW-402.10和QW-402.11,分别涉及接头形式、衬垫、根部间隙和成型块的使用。在表2的PQR上表达的是试件的实际数据,而在表1的WPS上反映的是产品焊接接头的实际情况,由于都是非重要变素,WPS 和PQR可以不同,不存在需要互相支持的问题。但需要指出的是,按QW-200.1(b)的规定:“一份完整的WPS应述及在WPS中采用的、对每一种焊接方法而言的所有重要变素、非重要变素和当需要时的附加重要变素”。在大多数情况下,接头形式、衬垫和根部间隙的表达一般都会体现,但QW-402.11“成型块的使用”往往没有表达,由于这个变素是焊接工艺上的需要,所以在产品图样上也是不会表示的,需要引起大家的注意。在表1中坡口形式和根部间隙采用“按施工图样或返修工艺”的做法,可以最大限度地反映产品的需要,是一种值得推荐的做法,因此我们不推荐在WPS给出具体的接头型式的做法,那样做会造成极大地限制WPS的应用范围。
3) QW-403-母材:先看QW-253,在这里有3个重要变素,分别是QW-403.8、QW-403.9和QW-403.11,归纳起来是关于母材的厚度和P-No.的评定范围,母材的厚度的评定范围是按表QW-451.1的规定;P-No.的评定范围是按QW-424.1的规定。这里特别要指出的是QW-403.9:“对于单道焊或多道焊,其中任一焊道的厚度大于1/2in.(13mm),厚度的增加超过评定试件厚度的1.1倍”。即如果有任一焊道的厚度大于1/2in.(13mm),那么评定的厚度范围上限就不是按QW-451.1的规定,而是进一步限制为“评定试件厚度的1.1倍”。但是对于我们在本文要提到的SMAW、GMAW和GTAW,应该说不会出现这种情况,可以不予考虑。而对于SAW,出现这种情况的可能性也不大。目前只有在GTAW这一焊接方法中,没有将此变素列为重要变素。
下面我们来看在表2的PQR和表1的 WPS中如何体现这些变素:
(略)

二、例3:SAW
这里举了一个例子,是不要求冲击韧性的,见表7(WPS)和表8(PQR)。
1)表7的 WPS的编号为W-0708S-1,日期为2007.8.20,修改号为0,其引用的PQR编号为P-0607S-1。再看表8的PQR,编号为P-0607S-1、但引用的WPS的编号为W- 0607S-1(0),日期为2006.7.25。表7的WPS引用的支持用PQR编号与表8的PQR一致,但表8的PQR引用的WPS的编号与表7的不一致,而且日期在该WPS之前,说明该WPS不是表8的PQR的原始文件,而是根据该PQR派生出来的。
2)QW-402-接头:先看QW-254,在这里没有重要变素和附加重要变素(由于该WPS不要求冲击韧性,下面不再提附加重要变素),只有4个非重要变素,与SMAW完全相同,即在这里WPS可以与PQR不同,不再重复说明。
但在表7的 WPS中,有一些欠妥之处,需要指出:
a)在“接头型式”中,规定可适用于“V型坡口或角焊缝”,但在QW-403中又规定不应用于角焊缝;而在QW-404和QW-405中又规定可用于角焊缝,互相矛盾。应该说,在实际的压力容器焊接中,SAW用于角焊缝的可能性不大。
b)在坡口详图中规定了坡口角度、间隙和钝边,对于5~32mm的厚度范围不一定都合适。如对于厚度为小于6mm时,不可能使用钝边6mm,而厚度接近上限时,还使用单面V型坡口也不合适。
c)没有规定成形块的使用情况。
(略)

三、例4:GMAW(FCAW)
这里举了一个例子,是要求冲击韧性的,见表9(WPS)和表10(PQR)。
1)表9的 WPS的编号为V130-GM,日期为2007.3.22,修改号为0,其引用的PQR编号为V130,使用的焊接方法为GMAW。再看表10的PQR,编号为V130、但引用的WPS的编号为V130 ,日期为2007.1.22。表9的WPS引用的支持用PQR编号与表10的PQR一致,但表10的PQR引用的WPS的编号与表9的不一致,而其评定用的焊接方法为GMAW+SAW,日期也在该WPS之前,说明该WPS不是表10的PQR的原始文件,而是根据该PQR派生出来的。
由于在表9的WPS中只使用一种焊接方法,即GMAW,而在表10的PQR中使用二种焊接方法,我们在下面只讨论有关GMAW的各项变素。
2)QW-402-接头:先看QW-255,在这里没有重要变素和附加重要变素,只有4个非重要变素,与SMAW完全相同,即在这里WPS可以与PQR不同,不再重复说明。还可以发现该WPS只使用一种焊接方法,而该PQR评定时使用了二种焊接方法,也说明了评定的焊接方法可以单独使用。
在这个PQR中还列出了应该列于QW-409和QW-404的内容:即二种焊接方法的焊道数、焊接材料、电流、电压和各自的焊缝厚度等,可能该编写者认为这样表达更清楚,由于PQR的表格格式不是强制性要求,这样做无可厚非。(注:PQR中的图只是示意,关于焊道数不正确)。
3) QW-403-母材:先看QW-255,有4个重要变素,3个与SMAW相同,而其中QW-403.10是气体保护焊特有的,是关于使用短路弧时,当评定试件厚度小于13mm时,评定厚度的上限为1.1T。
在这里还有2个附加重要变素,分别是QW-403.5和 QW-403.6,与SMAW一致。见例2。
这里与SMAW相同,没有非重要变素。
下面我们来看在表10的PQR和表9的 WPS中如何体现这些变素:
QW-403.5和QW-403.11:在表10的PQR中,材料为SA516,Gr70.,查QW/QB422,该材料属于P-No.1, Gr.2;因此在表9的 WPS中规定材料为P-No.1, Gr..2与P-No.1, Gr.2互相焊接是受到PQR支持的。
QW-403.6和QW-403.8:在表10的PQR中,试件厚度为一个不等厚的接头,一侧为35mm,另一侧为40mm,根据QW-202.4的规定:“当评定试件母材厚度为38mm或更厚时,则产品接头较厚一侧最大厚度不限”。所以在表9的WPS中,只规定母材厚度坡口焊时大于16 mm(QW-403.6要求),没有规定上限,但应该指出,上限不限,只适用于不等厚度母材对接接头的厚边一侧。
QW-403.9:由于已经规定最大焊道厚度小于13mm,所以不考虑对评定厚度的进一步限制。
QW-403.10:由于在QW-404中已经说明不使用短路弧,所以可以不予考虑该变素的影响。
因此,在该WPS中,包括了该焊接方法需要的全部重要变素和附加重要变素,并得到PQR的支持。
4) QW-404-填充金属:先看QW-255,在这里有7个重要变素,除了QW-404.4、QW-404.5和QW-404.30是与SMAW相同的以外,QW-404.23、QW-404.24、QW-404.27和QW-404.32是相对于SMAW增加的重要变素,分别涉及填充金属制品形式的改变;附加填充金属的增减或改变;附加填充金属对焊缝金属成分的影响;使用短路弧对评定焊缝金属厚度的进一步限制。
1个附加重要变素,是QW-404.12,是涉及SFA分类号的改变,在前面已经提到。还有二个非重要变素,是QW-404.6和QW-404.33.
下面我们来看在表10的PQR和表9的 WPS中如何体现这些变素:
(略)

四、例5:GTAW
这里举了一个例子,是不要求冲击韧性的,见表11(WPS)和表12(PQR)。
1)表11的 WPS的编号为W0708C-2,日期为2007.8.20,修改号为0,其引用的PQR编号为P0201C-14,其使用的焊接方法为GTAW+SMAW。再看表12的PQR,编号为P0201C-14,但引用的WPS的编号为W0201C-14(0),日期为2002.1.28。表11的WPS引用的支持用PQR编号与表12的PQR一致,但表12的PQR引用的WPS的编号与表11的不一致,(而其评定用的焊接方法倒是一致的),日期也在该WPS之前,说明该WPS不是表12的PQR的原始文件,而是根据该PQR派生出来的。
由于在这个例子中只讨论GTAW,我们在下面只讨论有关GTAW的各项变素。但你们也可以检查SMAW。
2)QW-402-接头:先看QW-256,在这里没有重要变素和附加重要变素,只有4个非重要变素,与SMAW完全相同,即在这里WPS可以与PQR不同,不再重复说明。但需要指出,该WPS与表7(SAW)存在同样的问题,即在这里规定了一个接头详图,该图显然不能适用于1.5~12 mm的全部厚度范围。
3) QW-403-母材:先看QW-256,有2个重要变素,与SMAW相同(比SMAW少了QW-403.9),不再重复说明。与SMAW相同,没有非重要变素。
下面我们来看在表12的PQR和表11的 WPS中如何体现这些变素:
QW-403.11:在表12的PQR中,材料为SA516,Gr70.,查QW/QB422,该材料属于P-No.1, Gr.2;因此在表9的 WPS中规定材料为P-No.1与P-No.1互相焊接是受到PQR支持的。
QW-403.8:在表12的PQR中,试件厚度为6mm,由于不要求冲击韧性,支持了表11的WPS中规定的坡口焊缝为1.5~12 mm,管子直径范围为在厚度范围内的全部直径和全部角焊缝:
因此,在该WPS中,包括了该焊接方法需要的全部重要变素,并得到PQR的支持。
4) QW-404-填充金属:先看QW-256,在这里有5个重要变素,除了QW-404.4、QW-404.5和QW-404.30是与SMAW相同的以外,QW-404.14和QW-404.23是相对于SMAW增加的重要变素,分别涉及填充金属使用与否和填充金属制品形式的改变。
有4个非重要变素,是QW-404.3、QW-404.22、QW-404.33和QW-404.50,分别涉及填充金属尺寸的改变;可熔化嵌条的使用与否;SFA No.的改变;表面溶剂使用与否。只有QW-404.33与SMAW相同。
下面我们来看在表12的PQR和表11的 WPS中如何体现这些变素:
QW-404.4、QW-404.5和QW-404.33:由于使用了国产的焊丝,所以二表都没有列出F-No.和SFA No,但列出了A-No.。表12的PQR和表11的 WPS是相同的。
QW-404.14:表12的PQR和表11的 WPS都列出了要使用填充金属。
QW-404.23:表12的PQR和表11的 WPS都列出了填充金属的金属制品形式为实芯焊丝。
QW-404.30:表12的PQR列出评定时的熔敷焊缝金属厚度为坡口焊:GTAW:2mm,支持了表11WPS中的用于坡口焊为GTAW最厚4mm和全部角焊缝的规定。
QW-404.3:虽然是非重要变素,但二表列出的相同的填充金属直径。
QW-404.22:二表列出都列出了不使用可熔化嵌条。
QW-404.33:二表都规定了使用08Mn2Si A。
QW-404.50:二表在“其它”栏没有列出使用相关表面溶剂的使用情况,说明没有使用。
因此,在本变素中,WPS包括了该焊接方法需要的全部重要变素和非重要变素,并得到PQR的支持。
5)QW-405-焊接位置:先看QW-256,在这里没有重要变素,有2个非重要变素,是QW-405.1和QW-405.3,与与SMAW相同。
下面我们来看在表12的PQR和表11的 WPS中如何体现这些变素:
QW-405.1和QW-405.3:由于表12的PQR中试件的焊接位置是1G,表11的WPS规定了坡口焊缝位置为F和H 是完全没有问题的(即使规定全部位置也可以)。
6)QW-406-预热:先看QW-256,在这里只有一个重要变素,是QW-406.1,与前面相同,没有非重要变素。
下面我们来看在表12的PQR和表11的 WPS中如何体现这个变素:
QW-406.1:在表12中评定使用的预热温度为5℃;在表11中规定预热温度为10℃,符合要求。
7)QW-407-PWHT:先看QW-256,在这里2个重要变素,是QW-407.1和QW-407.4,没有非重要变素,与SMAW完全相同,不再重复。
下面我们来看在表12的PQR和表11的 WPS中如何体现这些变素:
QW-407.1 QW-407.4和QW-407.2:由于二表都规定不进行PWHT,所以本变素符合要求。
8)QW-408-气体:这是气体保护焊特有的变素,先看QW-256,在这里有3个重要变素,是QW-408.2、QW-408.9、QW-408.10,分别涉及保护气体的种类和混合气的组成;对于某些P-No(41~49、10I、10J、10K、51~53、61~62)背面保护气的取消或改变;尾部的取消或改变。2个非重要变素,是QW-408.3和QW-408.5.,分别涉及保护气的流量改变;背面保护气的增减或流量和组成的改变。与GMAW相同。
下面我们来看在表12的PQR和表11的 WPS中如何体现这些变素:
QW-408.2:在表12的PQR和表11的 WPS中,保护气的名称、组成都是相同的。
QW-408.9、QW-408.10:由于这里是P-No.1Gr. 2的材料,与这些变素无关。
QW-408.3:这里的流量略有差别,但也是允许的。
QW-408.5:这里不使用背面保护气。
因此,在这里表12的PQR支持了表11的 WPS关于本变素的要求。
9)QW-409-电特性:先看QW-256,在这里没有重要变素。有四个非重要变素,是QW-409.3、QW-409.4、QW-409.8和QW-409.12。分别涉及脉冲电源的增删;电流种类和极性的改变;电流范围的改变;钨极型号或尺寸的改变。
下面我们来看在表12的PQR和表11的 WPS中如何体现这些变素:
QW-409.3:二表都规定了不使用脉冲电源。
QW-409.4:二表规定的电流种类和极性是一致的。
QW-409.8:二表规定的电流、电压范围略有不同,由于是非重要变素,是允许的。
QW-409.12:二表规定的钨极型号和直径相同。
因此,由于在这里没有重要变素,而且表11的 WPS列出了全部非重要变素,满足本变素的要求。
10)QW-410-焊接技巧:先看QW-256,在这里有二个重要变素,是QW-410.11和QW-410.64,前者涉及焊接环境是在封闭的室内或室外,但只适用于P-No.51~ P-No.53的材料。后者与SMAW相同,二者都与本评定无关,不予考虑。还有十个非重要变素,是QW-410.1、QW-410.3、QW-410.5、QW-410.6、QW-410.7、QW-410.9、QW-410.10、QW-410.15、QW-410.25和QW-410.26。
下面我们来看在表12的PQR和表11的 WPS中如何体现这些变素:
(略)
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