BIM技術(shù)在管道焊接質(zhì)量控制及工藝管理中的應(yīng)用

王金柱

天津市眾元天然氣工程有限公司 天津 300380

BIM技術(shù)利用其可視化、協(xié)調(diào)性等特點(diǎn)，對(duì)管道施工前進(jìn)把控與監(jiān)管，克服管道施工過(guò)程中的難點(diǎn)，加強(qiáng)了建筑設(shè)備管道施工中各部門(mén)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(xué)性。BIM這樣的新技術(shù)必須要投入建筑設(shè)備管道施工中，利用其特點(diǎn)與性質(zhì)，降低管道施工過(guò)程中的壓力，提高管道施工的質(zhì)量，也可以有效地完善建筑設(shè)備管道施工，BIM技術(shù)將會(huì)在建筑設(shè)備管道施工應(yīng)用中發(fā)揮巨大作用，帶來(lái)極大便利。在政府與各龍頭企業(yè)的推動(dòng)下，BIM技術(shù)正在快速發(fā)展，BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)可以使管道施工中的問(wèn)題得到妥善的解決，并促進(jìn)建筑設(shè)備管道施工的發(fā)展。

1 焊接工藝技術(shù)施工要求

①?gòu)墓芫€(xiàn)類(lèi)型的角度出發(fā)。當(dāng)前，管線(xiàn)類(lèi)型不盡相同，彼此之間存在差異。因此，焊接施工過(guò)程中，應(yīng)該堅(jiān)持具體問(wèn)題具體分析的原則，選擇不同的工藝技術(shù)，保證管線(xiàn)類(lèi)型和工藝技術(shù)的一一對(duì)應(yīng)，保證建筑工程的質(zhì)量和成效。管線(xiàn)的作業(yè)點(diǎn)不固定，這給焊接施工提出了更高的要求，單兵和流水作業(yè)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足客觀(guān)需要。在此情況下，管線(xiàn)焊接工藝技術(shù)要以設(shè)備的靈活應(yīng)用為基礎(chǔ)，保證設(shè)備的基本性能，隨著管線(xiàn)作業(yè)點(diǎn)的變化而變化，才能達(dá)到預(yù)期的效果。實(shí)際上，焊接施工需要全面覆蓋，對(duì)人員、材料、技術(shù)等都有較高要求，必須保持各個(gè)方面的高水準(zhǔn)。在此過(guò)程中，施工人員作為主要參與者，應(yīng)該不斷提高專(zhuān)業(yè)水平和操作技巧，全神貫注地進(jìn)行管線(xiàn)焊接，粗心、不認(rèn)真則很容易造成不可挽回的施工事故。并且，很多管線(xiàn)焊接施工會(huì)有目的地減少時(shí)間，提高工藝技術(shù)的建設(shè)效率，如在進(jìn)行根部焊接時(shí)，可以對(duì)另一個(gè)管線(xiàn)口同時(shí)施工。另外，管線(xiàn)焊接工藝技術(shù)施工還需要考慮外界因素，包括天氣、地形等。②從施工特點(diǎn)的角度出發(fā)。管線(xiàn)焊接工藝技術(shù)的選擇應(yīng)該參考施工特征有針對(duì)性地進(jìn)行。管線(xiàn)焊接工藝技術(shù)必須保證打底、填充、蓋面，才能保障焊接的高效率和高質(zhì)量。打底是焊接最下面一層焊縫，填充是在打底基礎(chǔ)上再焊接成型，蓋面是最上面一層的焊縫。在此情況下，管線(xiàn)焊接工藝技術(shù)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(qiáng)，可以契合多種施工特征，主要通過(guò)有機(jī)物質(zhì)和纖維素提高造氣能力。打底焊在多層焊接時(shí)非常關(guān)鍵，最常見(jiàn)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(shí)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(yōu)勢(shì)顯著，不僅可以防止角變形，還可以防止燒穿現(xiàn)象。因此，管線(xiàn)焊接工藝技術(shù)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(jiǎn)單、易操作，能夠滿(mǎn)足自動(dòng)化程度不高的施工需要。并且，低氫焊通過(guò)鐵粉可以發(fā)揮更強(qiáng)的作用和更大的價(jià)值，在建筑工程中有大量的應(yīng)用，取得了良好的效果和成果[1]。

2 BIM技術(shù)在管道焊接質(zhì)量控制及工藝管理中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的油氣管道建設(shè)管理模式工作流程繁瑣、信息來(lái)源不夠明確、及時(shí)，各參建單位之間的主要依靠人工協(xié)調(diào)工作，信息共享程度也不夠，導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)度拖延、窩工，工程質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題時(shí)常發(fā)生。因此，為了解決這些問(wèn)題，整合油氣管道建設(shè)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(yè)主方牽頭并且BIM專(zhuān)業(yè)咨詢(xún)方的整體負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，從每個(gè)主要參與方中選出一兩個(gè)負(fù)責(zé)人組成管道全生命周期一體化項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)（PLMT），它將所有參與方，管理內(nèi)容和整個(gè)生命周期的項(xiàng)目管理階段有機(jī)地結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)組織，資源，目標(biāo)，責(zé)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(xié)同作業(yè)平臺(tái)，對(duì)管道建設(shè)項(xiàng)目主動(dòng)跟進(jìn)、全面控制。建立基于BIM技術(shù)協(xié)同工作、信息高度集成的油氣管道建設(shè)管理平臺(tái)（BIM-Pipeline Construction Management Platform，簡(jiǎn)稱(chēng)B-PCMP），將有利于實(shí)現(xiàn)管道項(xiàng)目建設(shè)階段的一體化管理，將管道建設(shè)過(guò)程中的參與方、管理過(guò)程以及管理要素信息集成到平臺(tái)中，形成“三位一體化”的信息數(shù)據(jù)庫(kù)，這將大大提高管道的建設(shè)質(zhì)量和效率以及后期長(zhǎng)輸管道運(yùn)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(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)在管道生態(tài)系統(tǒng)中數(shù)字孿生體的形成。

2.1 BIM在油氣管道中的應(yīng)用

在管道施工階段，繪制完成了整個(gè)施工過(guò)程的可視化模型。BIM技術(shù)的應(yīng)用解決該項(xiàng)目參建各方之間的信息傳遞與數(shù)據(jù)共享問(wèn)題，它不僅滿(mǎn)足業(yè)主，設(shè)計(jì)單位，IPMT，施工監(jiān)理方對(duì)施工進(jìn)度，資源和質(zhì)量的統(tǒng)一管控過(guò)程的可視化要求，而且為項(xiàng)目全生命周期管理和中俄東線(xiàn)建設(shè)階段的全數(shù)字移交奠定了基礎(chǔ)。另外，為提高油氣管道站場(chǎng)設(shè)計(jì)質(zhì)量和數(shù)字化建設(shè)水平，中國(guó)石油天然氣分公司將BIM技術(shù)應(yīng)用在哈沈項(xiàng)目的油氣管道站場(chǎng)建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)了站場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中多專(zhuān)業(yè)施工圖協(xié)同設(shè)計(jì)，站場(chǎng)建筑內(nèi)部大型設(shè)備的安裝需要廠(chǎng)家，設(shè)計(jì)和施工單位的密切配合，才能順利地完成。其采用BIM技術(shù)模擬設(shè)備安裝過(guò)程，提前控制安裝風(fēng)險(xiǎn)，提高了安裝質(zhì)量。

2.2 原材料檢驗(yàn)、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(shí)際焊接質(zhì)量，原材料由設(shè)計(jì)人員確定，其品種、規(guī)格、性能等應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求，工程技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)文件，了解焊接材料的技術(shù)要求，配合材料部門(mén)編制材料計(jì)劃。原材料進(jìn)場(chǎng)前必須經(jīng)由專(zhuān)門(mén)的檢驗(yàn)人員，根據(jù)原材料的規(guī)格、型號(hào)和數(shù)量依據(jù)適用的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查，只有在檢驗(yàn)合格的情況下才能入庫(kù)存儲(chǔ)。①進(jìn)場(chǎng)材料要附帶質(zhì)量證明文件（產(chǎn)品合格證、性能檢測(cè)報(bào)告等），由專(zhuān)職質(zhì)量檢查員檢查確認(rèn)是否與設(shè)計(jì)文件相符，無(wú)質(zhì)量證明文件的材料嚴(yán)禁用于管道焊接；②按相關(guān)規(guī)范對(duì)進(jìn)場(chǎng)材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)應(yīng)由具有檢測(cè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行見(jiàn)證取樣、檢測(cè)，其結(jié)果應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件及國(guó)家產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；③對(duì)于檢測(cè)及復(fù)驗(yàn)不合格的焊接材料，未經(jīng)設(shè)計(jì)人員同意不得使用，對(duì)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的材料需經(jīng)設(shè)計(jì)人員同意選用代用材料；④材料進(jìn)場(chǎng)必須辦理驗(yàn)收、入庫(kù)交接手續(xù)，未來(lái)及辦手續(xù)的單位單獨(dú)存放，合格材料應(yīng)按品種、規(guī)格、牌號(hào)分類(lèi)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(fā)放必須按品種、規(guī)格、牌號(hào)等辦理發(fā)放手續(xù)，必要時(shí)質(zhì)檢人員需現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)[2]。

2.3 項(xiàng)目組織架構(gòu)

在BIM實(shí)施模式和組織架構(gòu)中，目前主要有業(yè)主單位BIM實(shí)施模式和承包商BIM實(shí)施模式，考慮到BIM在油氣管道全生命周期中的應(yīng)用，能夠延續(xù)到運(yùn)營(yíng)階段，宜采用業(yè)主單位BIM實(shí)施模式。項(xiàng)目由業(yè)主單位總體負(fù)責(zé)，負(fù)責(zé)監(jiān)督和管理PLMT，PLMT團(tuán)隊(duì)對(duì)各參與單位進(jìn)行管理，業(yè)主方可聘請(qǐng)專(zhuān)家對(duì)管道項(xiàng)目總體階段性成果給予指導(dǎo)和評(píng)估。BIM平臺(tái)開(kāi)發(fā)單位負(fù)責(zé)項(xiàng)目的管道工程建設(shè)管理系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)。各項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)BIM協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同工作，保證了信息的及時(shí)性和唯一性。在BIM理念下的組織架構(gòu)管理中，以B-PCMP平臺(tái)為信息交流平臺(tái)，以PLMT為主要管理方，強(qiáng)調(diào)各參與方協(xié)同工作、信息共享、信息集成，把工作重心放在如何保證和擴(kuò)大共同利益；強(qiáng)調(diào)各參與方提前參與，前置管理；加強(qiáng)各個(gè)階段前一階段的滲透，提高管道建設(shè)信息化、智能化整體水平。

2.4 加強(qiáng)焊接過(guò)程的質(zhì)量控制

焊接過(guò)程是控制焊接質(zhì)量的關(guān)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(jī)等清理焊口處的油污、泥土等，以防止焊口表面出現(xiàn)鱗狀現(xiàn)象，杜絕焊道開(kāi)裂情況出現(xiàn)；②焊接前焊口預(yù)熱溫度需按相關(guān)規(guī)定和技術(shù)要求進(jìn)行。

2.5 焊接設(shè)備、材料及工藝選擇

油田工藝管道及長(zhǎng)距離油氣輸送管道經(jīng)常在復(fù)雜的地形（如沼澤、沙漠、山區(qū)、凍土融化區(qū)等）及惡劣的自然環(huán)境（低溫、大風(fēng)、雨雪天氣等）下施工。應(yīng)根據(jù)實(shí)際選擇合適的焊接設(shè)備、焊接材料及焊接工藝。焊接設(shè)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(qū)，局部位于沼澤，全自動(dòng)焊接對(duì)施工環(huán)境要求較高，適用于平坦開(kāi)闊的平原地區(qū)，而沼澤地區(qū)可聯(lián)合運(yùn)用纖維素焊接+半自動(dòng)焊接工藝。焊條、焊絲的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并與管道材質(zhì)相匹配，氣體保護(hù)焊中除自保護(hù)焊絲外均應(yīng)用選用保護(hù)氣體，不同焊接方法、不同管道焊接材質(zhì)、不同焊絲保護(hù)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(hù)，以細(xì)化晶粒，克服電弧陰極斑點(diǎn)漂移，減少焊道咬邊等缺陷。從生產(chǎn)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(qiáng)焊接過(guò)程的質(zhì)量控制

焊接過(guò)程是控制焊接質(zhì)量的關(guān)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(jī)等清理焊口處的油污、泥土等，以防止焊口表面出現(xiàn)鱗狀現(xiàn)象，杜絕焊道開(kāi)裂情況出現(xiàn)；②焊接前焊口預(yù)熱溫度需按相關(guān)規(guī)定和技術(shù)要求進(jìn)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(guò)程中炸裂；③避免強(qiáng)力組對(duì)，可有效防止焊接位置由于應(yīng)力變形出現(xiàn)管線(xiàn)開(kāi)裂導(dǎo)致的安全事故；④?chē)?yán)格按照焊接工藝指導(dǎo)書(shū)調(diào)整焊接參數(shù)，確定合理的電流、焊速，電流過(guò)大使得熔深過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)燒穿、咬邊、氣孔等缺陷，還會(huì)使熱影響區(qū)晶粒粗大影響焊縫的機(jī)械性能，如果電流過(guò)小，會(huì)造成引弧困難，電弧不穩(wěn)定，出現(xiàn)夾渣、未焊透、焊瘤等缺陷；焊條焊接時(shí)一般采用短弧焊接，根據(jù)其直徑確定弧長(zhǎng)；⑤根據(jù)施工環(huán)境中的風(fēng)速、濕度參數(shù)，采用必要的防風(fēng)、防雨雪、防潮措施，管道施工宜選用局部可移動(dòng)的防風(fēng)棚，同時(shí)應(yīng)封堵管道兩端，防止穿堂風(fēng)，雨、霧、雪天氣環(huán)境濕度大，應(yīng)用防火、防雨苫布搭設(shè)防雨棚，棚內(nèi)設(shè)照明燈、電弧燈并對(duì)焊接部位進(jìn)行火焰烘干處理；防潮措施除對(duì)焊接部位的烘干、熱處理外，還要嚴(yán)格按照規(guī)定烘干、取用、回收焊條；⑥焊接完成后必須進(jìn)行焊縫質(zhì)量檢查，經(jīng)外觀(guān)質(zhì)量檢查合格后，根據(jù)設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求抽取一定比例焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，目前選用的主要有四種：射線(xiàn)探傷、超聲波探傷、磁粉探傷和滲透探傷[4-5]。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)BIM技術(shù)在油氣管道工程建設(shè)階段應(yīng)用的研究，得到以下結(jié)論：①隨著B(niǎo)IM技術(shù)在油氣管道工程建設(shè)領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，BIM在油氣管道中的應(yīng)用將會(huì)由單一業(yè)務(wù)應(yīng)用向多業(yè)務(wù)集成應(yīng)用轉(zhuǎn)變，由局部階段應(yīng)用向油氣管道建設(shè)的全過(guò)程、全生命周期應(yīng)用發(fā)展，同時(shí)改變現(xiàn)有的油氣管道建設(shè)管理模式。②BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的新興技術(shù)的集成應(yīng)用是未來(lái)我國(guó)油氣管道建設(shè)智能化的必然趨勢(shì)，BIM將會(huì)為智能管道的建設(shè)提供基礎(chǔ)性管道數(shù)字資產(chǎn)。③油氣管道全生命周期一體化協(xié)同管理模式，有利于提高管道建設(shè)過(guò)程中的溝通、協(xié)作效率，滿(mǎn)足各個(gè)參建方的利益訴求，彼此之間不再相互獨(dú)立，而是追求一個(gè)共同的目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)油氣管道項(xiàng)目的整體利益最大化。④BIM在油氣管道工程建設(shè)階段的應(yīng)用離不開(kāi)政府的政策鼓勵(lì)、各個(gè)參與方的積極參與；對(duì)于在油氣管道建設(shè)試點(diǎn)項(xiàng)目中BIM應(yīng)用取得突破的，政府要積極推廣并給予鼓勵(lì)，BIM技術(shù)在油氣管道建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。