NBT470142011《承压设备焊接工艺评定》标准中的逻辑问题

1、NB/T 47014-2011承压设备焊接工艺评定标准中的逻辑问题靳茂明（江苏省特种设备安全监督检验研究院，210003，南京）摘要：对NB/T 47014-2011承压设备焊接工艺评定标准的厚度评定规则中有关逻辑问题进行分析，指出增加小冲击试样的必要性或者修改相应评定规则的必要性。对不等厚焊接提出仅对较薄板提出评定要求的观点，并从逻辑理论上给予分析和证明。分析管子-管板评定中换热管壁厚、直径、孔桥宽度三个参数在评定规则中的逻辑关系，指出孔桥宽度的评定规则中存在的逻辑上的缺陷。关键词：承压设备；焊接工艺评定；逻辑；小冲击试样；孔桥宽度Logical questions in sdandard

2、of NB/T 47014-2011Welding procedure qualifications for pressure equipmentsJin Maoming (Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute, Nanjing 210000, China)Abstract: Analyzed logical of thickness qualification rules in NB/T 47014-2011Welding procedure qualifications for

3、pressure equipments. Pointed out it is necessary to providing subsize specimen for impact test or revising rules related.For dissimilar thicknesses, view in this paper would be diferent from ASME IX. Analyzed qualification rules about width of ligament between tube holes,one question of logical was

4、discovered.Key words: Pressure vessels;Qualification;Logical;subsize specimen for impact test;width of ligament between tube holes1. 母材厚度评定中的逻辑问题1.1 冲击试验要求的概念什么叫“有冲击试验要求”，在NB/T 47014-2011标准中没有解释，但这个问题不解决就会给实际应用带来一些困惑，比如：不锈钢材料设计厚度低于5mm，但制造规范要求有低温冲击实验的情况，在评定标准里算“有要求”还是“无要求”；再如：如果用一个厚度4mm的试件来评定8mm的产品，无

5、论产品是“有要求”还是“无要求”，进行评定时都可以不进行冲击试验，所谓的“有冲击要求”也是名存实亡的要求（虽然实际应用中，工厂都尽力回避这种评定方法，但这种评定方法在标准中并没有被禁止使用）；对无冲击试验的4mm试件算无冲击要求的评定还是算“有冲击要求”的评定。所有这些问题在NB/T 47014-2011标准中是无法回答的。在ASME第IX卷中，对5mm以下厚度继续执行有冲击要求的评定规则，是有3.3mm×10mm 和2.5mm×10mm小试样冲击试验来保障的（ASME II卷 A篇 SA370-22.2.24），而我们的标准中没有这个小冲击试样。有冲击要求下的评定规则和冲

6、击试验方法两者之间存在着不可分割的逻辑关系，当冲击试验条件不能满足评定规则要求时，照搬ASME 的标准必然造成逻辑上的无法解释。在厚度小于5mm时，无论是对试件还是对产品，“冲击要求”这一概念已经不适用了。但不存在“冲击要求”的试件，却还在验证5mm-10mm之间的真正有冲击要求的产品，同时5mm以下设计上有冲击要求的产品，其实并不存在“冲击要求”这一概念了，但可能仍然被要求使用经过冲击试验的试件进行验证。增加小试样冲击试验是解决问题的根本办法，否则对10mm以下厚度产品的评定就不能按ASME标准中的规定，这是逻辑上的必然结果。1.2 有冲击要求时厚度评定规则的分析标准6.1.5.2规定可理解

7、为：当规定进行冲击试验时，评定厚度的最大值为2T，若T6mm,评定厚度的最小值为T/2；当6mmT16mm时，评定厚度的最小值为T；当T16mm时，评定厚度的最小值为16mm。假设1：有一个4mm的试件评定合格（未进行冲击试验），现有一个8mm的产品，设计有冲击要求，按评定规则，4mm试件的焊接工艺可以用于8mm的产品。假设2：有一个8mm的试件评定合格（未进行冲击试验），现有一个8mm的产品，设计有冲击要求，按评定规则，8mm试件的焊接工艺不可以用于8mm的产品。假设3：有一个10mm试件评定合格（有冲击试验），现有一个8mm的产品，设计有冲击要求，按评定规则，10mm试件的焊接工艺不可以用

8、于8mm的产品。假设4：有一个10mm试件评定合格（有冲击试验），现有一个:20mm的产品，设计有冲击要求，按评定规则，10mm试件的焊接工艺可以用于20mm的产品。假设5：在试件和产品之间存在一个模拟度N，模拟度越高表明产品采用试件的焊接工艺时可靠性越高。试件与产品的厚度差减小，N为增高趋势；试件增加冲击试验，N为增高趋势。分析：根据假设5，对于8mm产品，8mm试件未进行冲击试验的模拟度以及10mm试件进行过冲击试验的模拟度都要高于4mm未进行冲击试验的模拟度，即使10mm的试件未进行过冲击试验，在厚度差上也比4mm的试件更具有模拟优势，限制模拟度更高的试件而允许模拟度较低的试件，显然这不

9、符合基本的逻辑推理。对于假设3和假设4也存在同样的逻辑上的不合理，但作为标准这种不合理还可以接受，因为对8mm的产品还有比10mm模拟度更高的7mm、8mm的试件可以选择，至少在逻辑上不算错误。而对于假设1和假设2假设3之间的矛盾，则是逻辑上的错误，它选择的是模拟度最低的试件，而否定的是模拟度较高的试件，这是不能接受的。有必要改变规则，使之符合基本逻辑推理，建议可以采用下面两种方式进行逻辑优化：方法1：禁止无冲击试验的试件对有冲击要求的产品进行评定（5mm以下除外）：1) 进行过冲击试验的试件，可以评定无冲击要求的产品；较低温度的冲击试验可以评定较高温度的冲击试验。2) 当产品有冲击要求，产品

10、厚度Tn5mm时，试件必须进行冲击试验。3) 当产品有冲击要求，试件厚度T1.5mm时，按无冲击要求时规定；当试件厚度1.5mmT5mm时，试件可以免做冲击，评定厚度的最小值为T/2，但不得低于1.5mm，评定厚度的最大值为2T，但不得超过5mm（如果试件进行过冲击试验，评定厚度的最大值可为2T）。4) 当产品有冲击要求，如果试件进行过冲击试验，当试件厚度5mmT6mm时,评定厚度的最小值为T/2；当6mmT16mm时，评定厚度的最小值为T；当T16mm时，评定厚度的最小值为16mm。评定厚度的最大值按无冲击要求时规定。解释：基本保持6.1.5.2规定不变，但禁止试件厚度T5mm的试件（未进行

11、冲击试验）评定产品厚度Tn5mm的有冲击要求的产品。对于产品厚度Tn5mm时，既可以选择厚度T5mm的无冲击试验的试件，也可以选择厚度在5mm至6mm之间的有冲击试验的试件，但对于产品厚度Tn2.5mm的产品，则只能选择厚度T5mm的无冲击试验的试件。对于产品厚度Tn5mm时，只能按要求选择有冲击试验的试件。方法2：允许试件厚度T10mm无冲击试验的试件评定1.5mm-10mm之间有冲击要求的产品1)进行过冲击试验的试件，可以评定无冲击要求的产品；较低温度的冲击试验可以评定较高温度的冲击试验。2)当产品有冲击要求, 试件厚度T1.5mm时，按无冲击要求时规定；当试件厚度1.5mm T10mm时

12、，试件可以不进行冲击试验，无论试件是否进行过冲击试验，评定厚度的最小值为T/2，但不得低于1.5mm，评定厚度的最大值为2T，但如果试件未进行冲击试验，对于厚度5mmT10mm的试件，评定厚度的最大值为10mm。3)当产品有冲击要求，对于试件厚度T10mm时，试件必须进行冲击试验。当10mmT16时，评定厚度的最小值为T，当T16mm时，评定厚度的最小值为16mm。评定厚度的最大值按无冲击要求时规定。解释：因为5mm的板厚可能因为钢板负偏差而在理论上不符合冲击试验的试样要求，所以无冲击试验的的试件可能评定有冲击要求产品的最大厚度是10mm，因此也应该允许所有厚度10mm的无冲击试件评定厚度10

13、mm的产品。ISO 15614-1-2004金属材料焊接工艺规范和鉴定 第1部分 钢的电弧焊和气焊与镍及镍合金的电弧焊8.3.2.2条厚度评定规则的规定，有冲击要求时采用的规定跟上述“方法2”相似，见表1。表1按有冲击要求时的评定规则（当T6mm时，评定厚度的最小值为T/2），当T3mm时，评定的最小值将低于1.5mm,这将与无冲击要求的评定规则发生逻辑冲突，因此这个规定应补加限制条件，应规定评定的最小值不得低于1.5mm。其实当试件或产品小于5mm时，无论对试件还是产品，是否有冲击要求在NB/T 47014-2011中已经没有实质上的意义了，所以对试件厚度10mm时，当最小评定值T/2小于5

14、mm时，这个规则将完全失去意义，强制规定必然和无冲击要求的评定规则产生逻辑冲突。从逻辑分析上看似乎应该存在某个厚度点，该点之上遵守有冲击要求的规则，该点之下时无条件遵守无冲击要求的规则，只有这样才可能避免两种规则在厚度变小的趋势中发生矛盾。任何一个规律都有它的适用性，随着厚度的减小，厚度对冲击的影响逐渐减弱，评定规则的科学性也在发生着变化，从“合理”到“相对合理”，再到“不合理”，这是一个从量变到质变的过程，假设厚度值存在一个质变点，那么这个质变点应该是两个规律存在矛盾的那些点，如5mm和10mm这两个厚度值，5mm以下即使有冲击要求也无法进行冲击验证，厚度在10mm以下时将出现用无冲试件验证

15、有冲击要求产品的情况。所以有冲击要求时的厚度评定规则应依据这两个质变点进行考虑，特别是试件或产品厚度10mm时，应和无冲击规则进行协调。按ASME对5mm以下的材料规定冲击要求，最小冲击试样厚度为2.5mm，最小覆盖厚度1.25mm,它的质变点是2.5mm和5mm,因此在ASME标准中当试件和产品厚度5mm时，存在着同样的逻辑问题，如2.5mm以下即使有冲击要求也无法进行冲击验证，厚度在5mm以下时将出现用无冲击试件验证有冲击要求的情况，同样当试件厚度3mm时，评定的最小值将低于1.5mm,这与无冲击要求的评定规则发生逻辑冲突。相比较NB/T 47014-2011和ASME第IX卷，NB/T

16、47014-2011中严重的逻辑问题发生在5mm以下，向上影响到10mm，而ASME第IX卷是发生在2.5mm以下，向上影响到5mm，尽管ASME对5mm以下的有冲击要求的评定规则存在同样的逻辑问题，但或许在ASME中这种情况实际发生的可能性已经很小，但对于NB/T 47014-2011来说这个逻辑问题却是无法回避的现实问题。ISO 15614-1-2004标准中有冲击要求和无冲击要求规则基本上一致，且对12mm以下的产品，试件的冲击试验为非强制性要求，因此在ISO 15614-1-2004中厚度评定规则无逻辑上的缺陷。1.3 厚度的变化趋势和评定规则在逻辑上的一致性问题1.3.1 厚度对冲击

17、性能的影响趋势在相同材料、相同焊接工艺下是否存在着焊件厚度的变化趋势和冲击性能变化趋势上的一致性，这个问题无法做出绝对的回答，也缺少这方面的研究文献。对冲击性能的研究多是从材料的化学成分、焊接参数、焊后组织、晶粒大小、热处理方法、冲击温度等方面进行的研究，但多数观点认为，在较小厚度时的冲击性能高于较厚时的冲击性能，但这一观点并没有在ASME标准中体现，相反，在6mm-16mm之间对母材的评定规则是：任何厚度都不能验证较小的厚度，但却可以在2倍厚度范围内验证较大的厚度。在16mm以上时，任何厚度却都可以验证较小的厚度，且可以在2倍厚度范围内验证较大的厚度。在6mm以下时则表现为较大和较小的厚度在

18、一定范围内可以相互验证。ASME在这三个厚度区间，厚度的变化趋势对冲击性能的影响趋势在逻辑上表现为不同的结果，6mm以下时表现为向上和向下都“有条件信任”；在6mm-16mm之间表现为向下“不信任”，向上“有条件信任”；16mm以上时表现为向下“信任”，向上“有条件信任”。本文无法证明ASME的这种规定是否符合逻辑，也无法证明材料在不同厚度区间，随着厚度的变化，冲击性能是否真的存在着截然相反的变化趋势，但如果这一切都不能证明，那么厚度的变化对冲击性能的影响关系，在逻辑上表现为向上和向下都是“有条件信任”，才是最能接受的“验证规则”，只是这个“条件”比无冲击要求时更为“苛刻”而已。1.3.2 评

19、定规则的逻辑所反映的数学模型假设有厚度T，用F（T）表示对冲击值的影响函数，根据评定规则反映的逻辑形式，表明在6mm,16mm区间，F（T）为单调递增，在16mm,200mm为单调递减，在0,6mm之间无规律性。因为每个厚度值都是有实际意义的，且厚度的变化可以连续，所以F（T）具有连续性，因此可以得出在16mm时冲击值最大（可理解为16mm厚度附近冲击性能最好）。这是按评定规则所反映的逻辑推理得到的解释，事实上是否真的如此呢，恐怕无法证明。2. 不等厚焊接问题 当厚度小于5mm的筒体和大于20mm的平板或法兰进行对接焊接时, 以及有冲击要求的情况下可能用一个工艺评定不能同时评定薄板和较厚零件。

20、对于这种情况，根据相关标准释义，可以用相同的焊接工艺做两个评定来分别评定薄板和较厚零件，但在ASME第IX卷和NB/T 47014-2011标准中都没有明确的条款规定允许使用这种评定方法，而用这种方法来评定不等厚焊接是否又是合理的呢。在等厚焊接中规定厚度范围是考虑两个方面因素的影响：1）厚度对焊接冷却速度的影响 2）厚度的增加客观上可能需要改变焊接方法和焊接工艺。对于图1-图4的不等厚焊接情况，用等厚的试件是无法模拟出实际焊接中厚度对冷却速度的影响，而且对于图1、图3、图4的情况，厚板的厚度增加在客观上也不影响焊接方法和焊接工艺的选择，所以不等厚的焊接情况已经超出对接试件所能模拟的范围。由于对

21、冷却速度的模拟主要反映在厚度评定范围上，所以在不等厚焊接的评定中，应根据具体情况，厚度的评定规则要做适当的“让步”。从思维逻辑的理论上说，逻辑的形式要和逻辑的对象统一，不考虑对象的逻辑形式是形式逻辑的误区，正确的思维是形式逻辑和辩证逻辑的统一。正如对待有冲击要求的情况一样，逻辑的对象发生了变化，所以厚度评定规则这一逻辑形式也发生了改变，同样把等厚焊接的评定规则运用到不等厚焊接，只是满足了逻辑的形式而忽视了逻辑的本质。图1 图2图3 图4在不等厚焊接中，大概存在着以下这几种情况：1）在薄板的端面和厚板的端面之间进行焊接（注：厚板泛指较厚的零件）。图12）在薄板的表面和厚板的端面之间进行焊接，并形

22、成全焊透角焊缝。图2在薄板的表面和厚板的端面之间进行焊接，仅形成部分焊透角焊缝。图33）在薄板的端面和厚板的表面之间进行焊接，并形成全焊透角焊缝。图4 在厚度相差较大的情况下进行的不等厚焊接，特别是管子-管板焊接中，首先考虑的应该是焊接参数不能过大，防止烧穿薄壁管，所以用一个合格的薄板焊接工艺模拟实际焊接是必要的(对于47014-2011中管子-管板评定中，对力学性能的评定完全不考虑覆盖厚度的做法，本人人为是不妥当的)，而对于厚板不存在烧穿问题，防止过快的冷却速度是主要矛盾，因此保证或提高预热温度以及增加后热工序才是最实际有效的措施（不锈钢除外），这些技术措施将由制造规范和焊接规范给出，必要时

23、由焊接工艺评定标准给出更严格的预热温度范围。建议只在厚板全焊透的情况下，要求厚板的厚度符合厚度评定规则，在部分焊透的情况下，只要薄板的工艺评定对厚度的评定能够满足对焊部分的坡口深度，就认为是可以接受的。在ISO 15614-1：2004标准中没有“不等厚焊接”这个概念，对于全焊透角焊缝，只能用全焊透角焊缝试件进行评定，而对于部分焊透角焊缝的评定，标准中没有做具体规定。在ASME第IX卷 QW-202.4中“对于某些不同厚度母材组合的评定，可能要求一个以上的工艺评定。”这一说法，本人理解应该是针对图2中厚板全焊透的情况而言是合理的，而对于其他情况，特别是管子-管板的焊接，对厚板的厚度提出评定要求

24、，对实际焊接没有太多的意义。3. 标准中的逻辑方式和界定数值的选择标准中有很多根据数值大小的逻辑判断结果来制定规则，同一个逻辑问题可以用不同的逻辑形式来解决，标准中应选择最符合人脑思维方式的逻辑形式。3.1 变量数值从小往大进行定义如标准中6.1.5.2（图5），应先规定T6mm时，再规定T6mm时。图53.2 将多元问题转化为二元问题（最好用表格形式，表格能直观地反映出它们之间的逻辑关系）如标准中D4.2.1和D4.2.2（图6）,可以把b2.5mm时和b2.5mm时看作是分别固定变量b,使试件管外径和焊件管外径成为二元函数关系。如用表格表示就更加明朗它们之间的关系。 评定合格的试件对产品的

25、评定范围试件换热管公称壁厚b试件公称壁厚b2.5mm试件公称壁厚b2.5mm产品换热管公称壁厚bn±1.15b注12.5mm 注2试件换热管公称外径dd50mmd50mm非评定因素产品换热管公称外径dn0.85d 注350mm非评定因素注1：ASME第IX卷规定为±1.1b 注2：ASME第IX卷规定为不限制 注3：ASME第IX卷规定为0.9d图63.3 把复合逻辑转化为简单逻辑3.3.1如标准中D.4.3 “当试件孔桥宽度B小于10mm或3倍管壁厚度中较大值时，评定合格的焊接工艺适用于焊件孔桥宽度大于或等于0.9B”，这里面存在一个十分复杂的逻辑关系。可描述为下面两个充

26、分条件：1）当试件孔桥宽度B10mm时评定合格的焊接工艺适用于焊件孔桥宽度0.9B。2）当试件孔桥宽度B10mm，且b10/3mm（即3b10mm），且B3b时，评定合格的焊接工艺适用于焊件孔桥宽度0.9B。以下表2是将D4.2.1，D4.2.2，D4.2.3的规定关联到一起的情况。评定合格的试件对产品的评定范围 表2试件换热管公称壁厚bb2.5mm2.5mm b 10/3mmb10/3mm产品换热管公称壁厚bn±1.15b2.5mm2.5mm试件换热管公称外径dd50mmd50mm/产品换热管公称外径dn0.85d50mm/试件孔桥宽度BB10mmB10mmB10mmB10mmB1

27、0mmB10mmB10mmB10mmB3bB3b产品孔桥宽度Bn0.9B0.9B0.9B0.9B0.9B从表2中可以看出，如果不对b10/3mm且试件孔桥宽度B10mm(、条件时)，和当b10/3mm且B3b(条件时)时的情况进行限制，将使标准中“大于或等于0.9B”的规定失去意义，而对于其他情况下评定的孔桥宽度范围似乎也无法做出方向上的判断，是放宽评定范围还是进一步限制评定范围，都无法做出逻辑上的分析。ASME在管子壁厚、外径、孔桥宽度上可谓下了“大”功夫,其复杂程度已经让人无法容忍，标准成了逻辑游戏，而且还是个规则上有漏洞的游戏。孔桥宽度B的尺寸是一个被动参数，孔桥宽度由管孔中心距、管子直

28、径、管板厚度在设计上进行基本范围的限制，同时还要根据实际管子直径、管壁厚度、换热效率等因素进行优化设计，如果对孔桥宽度在评定上再规定复杂的限制条件，有可能对优化设计产生负面影响。总体上分析，孔桥宽度随管子外径增加呈现较大的增大趋势，随管板厚度增加呈现较小减小趋势，设计规定中孔桥宽度被限制在一定的变化范围内，评定规则中对管子壁厚和外径的限制已经非常苛刻，如果再对孔桥宽度进行限制实无必要，规定评定的孔桥宽度不低于试件的孔桥宽度已经足够。相比ASME如此复杂的规定，ISO 15614-8的规定可操作性更强，标准更具有工程化的特性，见图7。图7（ISO 15614-8的规定）3.3.2标准中6.1.5.2 “若T6mm时，适用于焊件母材厚度的有效范围最小值为试件厚度T和16mm两者中的较小者；当T6mm时” 可描述为：当T6mm时，适用于焊件母材厚度的有效范围最小值为T/2；当6mmT16mm时，适用于焊件母材厚度的有效范围最小值为T；当T16mm时，适用于焊件母材厚度的有效范围最小值为16mm。严格地说当试件母材厚度T为16mm时，T和16mm两者中的较小值为空值，标准中的规定在逻辑上是不严密的。4 定界数值尽可能有利于使用者图8是GB150-98