BIM技術在管道焊接質量控制及工藝管理中的應用

王金柱

天津市眾元天然氣工程有限公司 天津 300380

BIM技術利用其可視化、協調性等特點，對管道施工前進把控與監管，克服管道施工過程中的難點，加強了建筑設備管道施工中各部門之間的有效交流與溝通，降低工作難度，提高施工工作的科學性。BIM這樣的新技術必須要投入建筑設備管道施工中，利用其特點與性質，降低管道施工過程中的壓力，提高管道施工的質量，也可以有效地完善建筑設備管道施工，BIM技術將會在建筑設備管道施工應用中發揮巨大作用，帶來極大便利。在政府與各龍頭企業的推動下，BIM技術正在快速發展，BIM技術的優勢可以使管道施工中的問題得到妥善的解決，并促進建筑設備管道施工的發展。

1 焊接工藝技術施工要求

①從管線類型的角度出發。當前，管線類型不盡相同，彼此之間存在差異。因此，焊接施工過程中，應該堅持具體問題具體分析的原則，選擇不同的工藝技術，保證管線類型和工藝技術的一一對應，保證建筑工程的質量和成效。管線的作業點不固定，這給焊接施工提出了更高的要求，單兵和流水作業已經無法滿足客觀需要。在此情況下，管線焊接工藝技術要以設備的靈活應用為基礎，保證設備的基本性能，隨著管線作業點的變化而變化，才能達到預期的效果。實際上，焊接施工需要全面覆蓋，對人員、材料、技術等都有較高要求，必須保持各個方面的高水準。在此過程中，施工人員作為主要參與者，應該不斷提高專業水平和操作技巧，全神貫注地進行管線焊接，粗心、不認真則很容易造成不可挽回的施工事故。并且，很多管線焊接施工會有目的地減少時間，提高工藝技術的建設效率，如在進行根部焊接時，可以對另一個管線口同時施工。另外，管線焊接工藝技術施工還需要考慮外界因素，包括天氣、地形等。②從施工特點的角度出發。管線焊接工藝技術的選擇應該參考施工特征有針對性地進行。管線焊接工藝技術必須保證打底、填充、蓋面，才能保障焊接的高效率和高質量。打底是焊接最下面一層焊縫，填充是在打底基礎上再焊接成型，蓋面是最上面一層的焊縫。在此情況下，管線焊接工藝技術可以使用兩種方式，一種是打底焊，另一種是低氫焊。①打底焊接的適用性強，可以契合多種施工特征，主要通過有機物質和纖維素提高造氣能力。打底焊在多層焊接時非常關鍵，最常見的是手工電弧焊，其次是手工鎢極氬弧焊，在打直徑管道焊接時還有混合氣體（氬氣+二氧化碳）的焊接。在此情況下，打底焊的優勢顯著，不僅可以防止角變形，還可以防止燒穿現象。因此，管線焊接工藝技術和打底焊的匹配度高，具有很高的可行性。②低氫焊主要適用于填充和蓋面，更加簡單、易操作，能夠滿足自動化程度不高的施工需要。并且，低氫焊通過鐵粉可以發揮更強的作用和更大的價值，在建筑工程中有大量的應用，取得了良好的效果和成果[1]。

2 BIM技術在管道焊接質量控制及工藝管理中的應用

傳統的油氣管道建設管理模式工作流程繁瑣、信息來源不夠明確、及時，各參建單位之間的主要依靠人工協調工作，信息共享程度也不夠，導致項目進度拖延、窩工，工程質量不達標等問題時常發生。因此，為了解決這些問題，整合油氣管道建設資源，我們需要建立新的管理模式和體系，而基于BIM理念的管道全生命周期一體化管理模式（PLIM）是在業主方牽頭并且BIM專業咨詢方的整體負責協調，從每個主要參與方中選出一兩個負責人組成管道全生命周期一體化項目管理團隊（PLMT），它將所有參與方，管理內容和整個生命周期的項目管理階段有機地結合在一起，以實現組織，資源，目標，責任和利益的整合，以及各參與方之間的有效溝通和信息共享，從全生命周期管理角度，依托BIM協同作業平臺，對管道建設項目主動跟進、全面控制。建立基于BIM技術協同工作、信息高度集成的油氣管道建設管理平臺（BIM-Pipeline Construction Management Platform，簡稱B-PCMP），將有利于實現管道項目建設階段的一體化管理，將管道建設過程中的參與方、管理過程以及管理要素信息集成到平臺中，形成“三位一體化”的信息數據庫，這將大大提高管道的建設質量和效率以及后期長輸管道運維階段的管理水平，降低管道失效概率，BIM將有利于管道建設、運營維護在管道生態系統中數字孿生體的形成。

2.1 BIM在油氣管道中的應用

在管道施工階段，繪制完成了整個施工過程的可視化模型。BIM技術的應用解決該項目參建各方之間的信息傳遞與數據共享問題，它不僅滿足業主，設計單位，IPMT，施工監理方對施工進度，資源和質量的統一管控過程的可視化要求，而且為項目全生命周期管理和中俄東線建設階段的全數字移交奠定了基礎。另外，為提高油氣管道站場設計質量和數字化建設水平，中國石油天然氣分公司將BIM技術應用在哈沈項目的油氣管道站場建設中，實現了站場建設過程中多專業施工圖協同設計，站場建筑內部大型設備的安裝需要廠家，設計和施工單位的密切配合，才能順利地完成。其采用BIM技術模擬設備安裝過程，提前控制安裝風險，提高了安裝質量。

2.2 原材料檢驗、保管

原材料的主要是指管道（被焊材料）和焊接材料，它們直接影響油氣管道的實際焊接質量，原材料由設計人員確定，其品種、規格、性能等應符合國家現行產品標準及設計要求，工程技術人員應根據設計文件，了解焊接材料的技術要求，配合材料部門編制材料計劃。原材料進場前必須經由專門的檢驗人員，根據原材料的規格、型號和數量依據適用的標準進行檢查，只有在檢驗合格的情況下才能入庫存儲。①進場材料要附帶質量證明文件（產品合格證、性能檢測報告等），由專職質量檢查員檢查確認是否與設計文件相符，無質量證明文件的材料嚴禁用于管道焊接；②按相關規范對進場材料進行復驗，復驗應由具有檢測資質的機構進行見證取樣、檢測，其結果應符合設計文件及國家產品質量標準；③對于檢測及復驗不合格的焊接材料，未經設計人員同意不得使用，對不能滿足設計要求的材料需經設計人員同意選用代用材料；④材料進場必須辦理驗收、入庫交接手續，未來及辦手續的單位單獨存放，合格材料應按品種、規格、牌號分類堆放，所有材料均采取有效措施防水、防潮，避免銹蝕；⑤焊接材料的發放必須按品種、規格、牌號等辦理發放手續，必要時質檢人員需現場確認[2]。

2.3 項目組織架構

在BIM實施模式和組織架構中，目前主要有業主單位BIM實施模式和承包商BIM實施模式，考慮到BIM在油氣管道全生命周期中的應用，能夠延續到運營階段，宜采用業主單位BIM實施模式。項目由業主單位總體負責，負責監督和管理PLMT，PLMT團隊對各參與單位進行管理，業主方可聘請專家對管道項目總體階段性成果給予指導和評估。BIM平臺開發單位負責項目的管道工程建設管理系統平臺開發。各項目團隊通過BIM協同平臺進行協同工作，保證了信息的及時性和唯一性。在BIM理念下的組織架構管理中，以B-PCMP平臺為信息交流平臺，以PLMT為主要管理方，強調各參與方協同工作、信息共享、信息集成，把工作重心放在如何保證和擴大共同利益；強調各參與方提前參與，前置管理；加強各個階段前一階段的滲透，提高管道建設信息化、智能化整體水平。

2.4 加強焊接過程的質量控制

焊接過程是控制焊接質量的關鍵步驟，主要控制措施如下：①焊前首先檢查焊接部位，用鋼絲刷、砂輪機等清理焊口處的油污、泥土等，以防止焊口表面出現鱗狀現象，杜絕焊道開裂情況出現；②焊接前焊口預熱溫度需按相關規定和技術要求進行。

2.5 焊接設備、材料及工藝選擇

油田工藝管道及長距離油氣輸送管道經常在復雜的地形（如沼澤、沙漠、山區、凍土融化區等）及惡劣的自然環境（低溫、大風、雨雪天氣等）下施工。應根據實際選擇合適的焊接設備、焊接材料及焊接工藝。焊接設備、材料往往受地形地貌、被焊材料所限制，例如一條大口徑油氣管道可能大部位于平原地區，局部位于沼澤，全自動焊接對施工環境要求較高，適用于平坦開闊的平原地區，而沼澤地區可聯合運用纖維素焊接+半自動焊接工藝。焊條、焊絲的選擇根據設計要求，并與管道材質相匹配，氣體保護焊中除自保護焊絲外均應用選用保護氣體，不同焊接方法、不同管道焊接材質、不同焊絲保護氣體不同，大口徑油氣管道焊接宜選用活性氣體（如CO2、Ar+CO2、Ar+O2、Ar+CO2+O2等）保護，以細化晶粒，克服電弧陰極斑點漂移，減少焊道咬邊等缺陷。從生產效率考慮，在Ar中加入He、N2、H2、CO2、O2等氣體，可增加母材的輸入熱量，提高焊接速度[3]。

2.6 加強焊接過程的質量控制

焊接過程是控制焊接質量的關鍵步驟，主要控制措施如下：①焊前首先檢查焊接部位，用鋼絲刷、砂輪機等清理焊口處的油污、泥土等，以防止焊口表面出現鱗狀現象，杜絕焊道開裂情況出現；②焊接前焊口預熱溫度需按相關規定和技術要求進行控制，可有效地防止焊接部位的焊道因冷熱不均在焊接過程中炸裂；③避免強力組對，可有效防止焊接位置由于應力變形出現管線開裂導致的安全事故；④嚴格按照焊接工藝指導書調整焊接參數，確定合理的電流、焊速，電流過大使得熔深過大，會出現燒穿、咬邊、氣孔等缺陷，還會使熱影響區晶粒粗大影響焊縫的機械性能，如果電流過小，會造成引弧困難，電弧不穩定，出現夾渣、未焊透、焊瘤等缺陷；焊條焊接時一般采用短弧焊接，根據其直徑確定弧長；⑤根據施工環境中的風速、濕度參數，采用必要的防風、防雨雪、防潮措施，管道施工宜選用局部可移動的防風棚，同時應封堵管道兩端，防止穿堂風，雨、霧、雪天氣環境濕度大，應用防火、防雨苫布搭設防雨棚，棚內設照明燈、電弧燈并對焊接部位進行火焰烘干處理；防潮措施除對焊接部位的烘干、熱處理外，還要嚴格按照規定烘干、取用、回收焊條；⑥焊接完成后必須進行焊縫質量檢查，經外觀質量檢查合格后，根據設計及相關規范要求抽取一定比例焊縫進行無損檢測，目前選用的主要有四種：射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷和滲透探傷[4-5]。

3 結語

通過對BIM技術在油氣管道工程建設階段應用的研究，得到以下結論：①隨著BIM技術在油氣管道工程建設領域的不斷應用，BIM在油氣管道中的應用將會由單一業務應用向多業務集成應用轉變，由局部階段應用向油氣管道建設的全過程、全生命周期應用發展，同時改變現有的油氣管道建設管理模式。②BIM技術與物聯網、云計算、大數據、人工智能為代表的新興技術的集成應用是未來我國油氣管道建設智能化的必然趨勢，BIM將會為智能管道的建設提供基礎性管道數字資產。③油氣管道全生命周期一體化協同管理模式，有利于提高管道建設過程中的溝通、協作效率，滿足各個參建方的利益訴求，彼此之間不再相互獨立，而是追求一個共同的目標，從而實現油氣管道項目的整體利益最大化。④BIM在油氣管道工程建設階段的應用離不開政府的政策鼓勵、各個參與方的積極參與；對于在油氣管道建設試點項目中BIM應用取得突破的，政府要積極推廣并給予鼓勵，BIM技術在油氣管道建設中具有廣闊的應用前景。