BIM技术在管道焊接质量控制及工艺管理中的应用

王金柱

天津市众元天然气工程有限公司 天津 300380

BIM技术利用其可视化、协调性等特点，对管道施工前进把控与监管，克服管道施工过程中的难点，加强了建筑设备管道施工中各部门之间的有效交流与沟通，降低工作难度，提高施工工作的科学性。BIM这样的新技术必须要投入建筑设备管道施工中，利用其特点与性质，降低管道施工过程中的压力，提高管道施工的质量，也可以有效地完善建筑设备管道施工，BIM技术将会在建筑设备管道施工应用中发挥巨大作用，带来极大便利。在政府与各龙头企业的推动下，BIM技术正在快速发展，BIM技术的优势可以使管道施工中的问题得到妥善的解决，并促进建筑设备管道施工的发展。

1 焊接工艺技术施工要求

①从管线类型的角度出发。当前，管线类型不尽相同，彼此之间存在差异。因此，焊接施工过程中，应该坚持具体问题具体分析的原则，选择不同的工艺技术，保证管线类型和工艺技术的一一对应，保证建筑工程的质量和成效。管线的作业点不固定，这给焊接施工提出了更高的要求，单兵和流水作业已经无法满足客观需要。在此情况下，管线焊接工艺技术要以设备的灵活应用为基础，保证设备的基本性能，随着管线作业点的变化而变化，才能达到预期的效果。实际上，焊接施工需要全面覆盖，对人员、材料、技术等都有较高要求，必须保持各个方面的高水准。在此过程中，施工人员作为主要参与者，应该不断提高专业水平和操作技巧，全神贯注地进行管线焊接，粗心、不认真则很容易造成不可挽回的施工事故。并且，很多管线焊接施工会有目的地减少时间，提高工艺技术的建设效率，如在进行根部焊接时，可以对另一个管线口同时施工。另外，管线焊接工艺技术施工还需要考虑外界因素，包括天气、地形等。②从施工特点的角度出发。管线焊接工艺技术的选择应该参考施工特征有针对性地进行。管线焊接工艺技术必须保证打底、填充、盖面，才能保障焊接的高效率和高质量。打底是焊接最下面一层焊缝，填充是在打底基础上再焊接成型，盖面是最上面一层的焊缝。在此情况下，管线焊接工艺技术可以使用两种方式，一种是打底焊，另一种是低氢焊。①打底焊接的适用性强，可以契合多种施工特征，主要通过有机物质和纤维素提高造气能力。打底焊在多层焊接时非常关键，最常见的是手工电弧焊，其次是手工钨极氩弧焊，在打直径管道焊接时还有混合气体（氩气+二氧化碳）的焊接。在此情况下，打底焊的优势显著，不仅可以防止角变形，还可以防止烧穿现象。因此，管线焊接工艺技术和打底焊的匹配度高，具有很高的可行性。②低氢焊主要适用于填充和盖面，更加简单、易操作，能够满足自动化程度不高的施工需要。并且，低氢焊通过铁粉可以发挥更强的作用和更大的价值，在建筑工程中有大量的应用，取得了良好的效果和成果[1]。

2 BIM技术在管道焊接质量控制及工艺管理中的应用

传统的油气管道建设管理模式工作流程繁琐、信息来源不够明确、及时，各参建单位之间的主要依靠人工协调工作，信息共享程度也不够，导致项目进度拖延、窝工，工程质量不达标等问题时常发生。因此，为了解决这些问题，整合油气管道建设资源，我们需要建立新的管理模式和体系，而基于BIM理念的管道全生命周期一体化管理模式（PLIM）是在业主方牵头并且BIM专业咨询方的整体负责协调，从每个主要参与方中选出一两个负责人组成管道全生命周期一体化项目管理团队（PLMT），它将所有参与方，管理内容和整个生命周期的项目管理阶段有机地结合在一起，以实现组织，资源，目标，责任和利益的整合，以及各参与方之间的有效沟通和信息共享，从全生命周期管理角度，依托BIM协同作业平台，对管道建设项目主动跟进、全面控制。建立基于BIM技术协同工作、信息高度集成的油气管道建设管理平台（BIM-Pipeline Construction Management Platform，简称B-PCMP），将有利于实现管道项目建设阶段的一体化管理，将管道建设过程中的参与方、管理过程以及管理要素信息集成到平台中，形成“三位一体化”的信息数据库，这将大大提高管道的建设质量和效率以及后期长输管道运维阶段的管理水平，降低管道失效概率，BIM将有利于管道建设、运营维护在管道生态系统中数字孪生体的形成。

2.1 BIM在油气管道中的应用

在管道施工阶段，绘制完成了整个施工过程的可视化模型。BIM技术的应用解决该项目参建各方之间的信息传递与数据共享问题，它不仅满足业主，设计单位，IPMT，施工监理方对施工进度，资源和质量的统一管控过程的可视化要求，而且为项目全生命周期管理和中俄东线建设阶段的全数字移交奠定了基础。另外，为提高油气管道站场设计质量和数字化建设水平，中国石油天然气分公司将BIM技术应用在哈沈项目的油气管道站场建设中，实现了站场建设过程中多专业施工图协同设计，站场建筑内部大型设备的安装需要厂家，设计和施工单位的密切配合，才能顺利地完成。其采用BIM技术模拟设备安装过程，提前控制安装风险，提高了安装质量。

2.2 原材料检验、保管

原材料的主要是指管道（被焊材料）和焊接材料，它们直接影响油气管道的实际焊接质量，原材料由设计人员确定，其品种、规格、性能等应符合国家现行产品标准及设计要求，工程技术人员应根据设计文件，了解焊接材料的技术要求，配合材料部门编制材料计划。原材料进场前必须经由专门的检验人员，根据原材料的规格、型号和数量依据适用的标准进行检查，只有在检验合格的情况下才能入库存储。①进场材料要附带质量证明文件（产品合格证、性能检测报告等），由专职质量检查员检查确认是否与设计文件相符，无质量证明文件的材料严禁用于管道焊接；②按相关规范对进场材料进行复验，复验应由具有检测资质的机构进行见证取样、检测，其结果应符合设计文件及国家产品质量标准；③对于检测及复验不合格的焊接材料，未经设计人员同意不得使用，对不能满足设计要求的材料需经设计人员同意选用代用材料；④材料进场必须办理验收、入库交接手续，未来及办手续的单位单独存放，合格材料应按品种、规格、牌号分类堆放，所有材料均采取有效措施防水、防潮，避免锈蚀；⑤焊接材料的发放必须按品种、规格、牌号等办理发放手续，必要时质检人员需现场确认[2]。

2.3 项目组织架构

在BIM实施模式和组织架构中，目前主要有业主单位BIM实施模式和承包商BIM实施模式，考虑到BIM在油气管道全生命周期中的应用，能够延续到运营阶段，宜采用业主单位BIM实施模式。项目由业主单位总体负责，负责监督和管理PLMT，PLMT团队对各参与单位进行管理，业主方可聘请专家对管道项目总体阶段性成果给予指导和评估。BIM平台开发单位负责项目的管道工程建设管理系统平台开发。各项目团队通过BIM协同平台进行协同工作，保证了信息的及时性和唯一性。在BIM理念下的组织架构管理中，以B-PCMP平台为信息交流平台，以PLMT为主要管理方，强调各参与方协同工作、信息共享、信息集成，把工作重心放在如何保证和扩大共同利益；强调各参与方提前参与，前置管理；加强各个阶段前一阶段的渗透，提高管道建设信息化、智能化整体水平。

2.4 加强焊接过程的质量控制

焊接过程是控制焊接质量的关键步骤，主要控制措施如下：①焊前首先检查焊接部位，用钢丝刷、砂轮机等清理焊口处的油污、泥土等，以防止焊口表面出现鳞状现象，杜绝焊道开裂情况出现；②焊接前焊口预热温度需按相关规定和技术要求进行。

2.5 焊接设备、材料及工艺选择

油田工艺管道及长距离油气输送管道经常在复杂的地形（如沼泽、沙漠、山区、冻土融化区等）及恶劣的自然环境（低温、大风、雨雪天气等）下施工。应根据实际选择合适的焊接设备、焊接材料及焊接工艺。焊接设备、材料往往受地形地貌、被焊材料所限制，例如一条大口径油气管道可能大部位于平原地区，局部位于沼泽，全自动焊接对施工环境要求较高，适用于平坦开阔的平原地区，而沼泽地区可联合运用纤维素焊接+半自动焊接工艺。焊条、焊丝的选择根据设计要求，并与管道材质相匹配，气体保护焊中除自保护焊丝外均应用选用保护气体，不同焊接方法、不同管道焊接材质、不同焊丝保护气体不同，大口径油气管道焊接宜选用活性气体（如CO2、Ar+CO2、Ar+O2、Ar+CO2+O2等）保护，以细化晶粒，克服电弧阴极斑点漂移，减少焊道咬边等缺陷。从生产效率考虑，在Ar中加入He、N2、H2、CO2、O2等气体，可增加母材的输入热量，提高焊接速度[3]。

2.6 加强焊接过程的质量控制

焊接过程是控制焊接质量的关键步骤，主要控制措施如下：①焊前首先检查焊接部位，用钢丝刷、砂轮机等清理焊口处的油污、泥土等，以防止焊口表面出现鳞状现象，杜绝焊道开裂情况出现；②焊接前焊口预热温度需按相关规定和技术要求进行控制，可有效地防止焊接部位的焊道因冷热不均在焊接过程中炸裂；③避免强力组对，可有效防止焊接位置由于应力变形出现管线开裂导致的安全事故；④严格按照焊接工艺指导书调整焊接参数，确定合理的电流、焊速，电流过大使得熔深过大，会出现烧穿、咬边、气孔等缺陷，还会使热影响区晶粒粗大影响焊缝的机械性能，如果电流过小，会造成引弧困难，电弧不稳定，出现夹渣、未焊透、焊瘤等缺陷；焊条焊接时一般采用短弧焊接，根据其直径确定弧长；⑤根据施工环境中的风速、湿度参数，采用必要的防风、防雨雪、防潮措施，管道施工宜选用局部可移动的防风棚，同时应封堵管道两端，防止穿堂风，雨、雾、雪天气环境湿度大，应用防火、防雨苫布搭设防雨棚，棚内设照明灯、电弧灯并对焊接部位进行火焰烘干处理；防潮措施除对焊接部位的烘干、热处理外，还要严格按照规定烘干、取用、回收焊条；⑥焊接完成后必须进行焊缝质量检查，经外观质量检查合格后，根据设计及相关规范要求抽取一定比例焊缝进行无损检测，目前选用的主要有四种：射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤和渗透探伤[4-5]。

3 结语

通过对BIM技术在油气管道工程建设阶段应用的研究，得到以下结论：①随着BIM技术在油气管道工程建设领域的不断应用，BIM在油气管道中的应用将会由单一业务应用向多业务集成应用转变，由局部阶段应用向油气管道建设的全过程、全生命周期应用发展，同时改变现有的油气管道建设管理模式。②BIM技术与物联网、云计算、大数据、人工智能为代表的新兴技术的集成应用是未来我国油气管道建设智能化的必然趋势，BIM将会为智能管道的建设提供基础性管道数字资产。③油气管道全生命周期一体化协同管理模式，有利于提高管道建设过程中的沟通、协作效率，满足各个参建方的利益诉求，彼此之间不再相互独立，而是追求一个共同的目标，从而实现油气管道项目的整体利益最大化。④BIM在油气管道工程建设阶段的应用离不开政府的政策鼓励、各个参与方的积极参与；对于在油气管道建设试点项目中BIM应用取得突破的，政府要积极推广并给予鼓励，BIM技术在油气管道建设中具有广阔的应用前景。