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海洋管道的现场组焊

Sep 11,2026

铺管作业是海底管道建设的重要环节，施工作业质量直接影响管道的使用寿命。预制焊接也称双管联焊或三管联焊，是指在管线沿线设置的临时预制区域内，将两根管子或三根管子焊接成一根管段的焊接，预制的管段长度决定于去往现场的运输条件和现场的安装条件；主要目的是减少现场的安装量从而提高安装效率，提高管道的施工质量。

海洋管道（尤其是复杂的海洋管道）大多采取海上建造安装现场地点附近预制的方式，预制或铺设焊接等组焊工作大多发生在船甲板上；少量采取陆地预制的方式。当然，焊接作业场所从陆地变换到船甲板上后，相应带来了不同于陆地焊接作业的新问题，必须区别对待。

陆地预制焊接

焊接设备

陆地预制焊接的作业特点是管子可以旋转焊接，目前均以手工焊为主（尤其是打底焊）。在填充盖面焊时也有一些自动焊接设备，但自动化程度及性能均与实际需要存在较大的差距。海工装备管道用量大、空间走向与构形复杂，进行自动化预制生产的难度较大，自动化预制比例不到20％，而且存在施工效率低、建造周期长、安全性差、质量不高等问题。较为先进的自动焊接设备理念是采用管道预制焊接工作站，该类工作站一般主要由中空开启式夹紧回转装置、门式导轨架、焊接小车、支承滚轮架、气动夹紧装置、TIG焊机、MIG焊机、热丝模块及控制系统组成，实现管道的自动打底填充、盖面。需要解决复杂管道智能化预制设计与管理、高效高精度管端坡口开制、复杂管段多功能/高效/高精度空间组对、复杂管段多功能复合焊接与智能控制等关键技术。

有代表性的管道预制焊接工作站实物照片如下图所示，通过把传统的焊接打底、填充、盖面等焊接工艺复合化与自动化，形成自动打底、自动填充、自动盖面的多功能复合焊接工艺；针对不同的焊接工艺组合方案，在焊接过程仿真分析的基础上建立复杂管段焊接工艺规范与参数知识库，并固化于焊接装备的智能控制系统中；结合焊道自动跟踪技术，实现对焊接电流、电压、速度、摆频、摆幅、停顿时间、焊接热输入的监控与智能控制，以及焊缝的精确分道，提高管段焊接质量与效率。

有代表性的管道预制焊接工作站

作业形式

对于单钢管保温管道而言，预制时直接进行管-管对接焊接即可。常用的作业流程如下：检查钢管管端，除去表面的泥土、脏物及油污等，对钢管管端坡口进行必要的清洁；采用低氢焊接进行焊接，依据设计的要求及坡口形状采用手工焊或自动焊；对焊口进行超声波探伤，确保焊口无焊接缺陷。

对于采用双钢管保温管道而言，预制时除了对内层管直接进行管-管对接焊接之外，还需要采用半瓦与管道焊接，此时应该在相关的设计图纸上明确半瓦的尺寸、材质和焊接要求。国内近些年来提出了双层管单层连接结构，如下图所示，该连接结构以双层钢管为主，内管比外管略长，内、外管之间填充保温材料，在两个预制管段连接处利用变径管逐渐从双层管过渡到单层管。在海上施工时，只需要焊接单层管道就可以把两个预制管段连接在一起。

双层管单层连接管道结构示意图

与普通双层管相比，采用双层管单层连接法，可以减少大量的海上焊接工作量，提高工作效率和铺管速度，进而降低海上施工的成本。图中阴影部分为保温材料，为了减少温降，在单层连接管和变径管外面也填充保温材料，对整个连接部分进行保温。L1为外管轴向长度，L2为变径管轴向长度，2L3为单层连接管长度。d1和d2分别为外管和内管的外直径，t1为外管和变径管的壁厚，t2为内管和单层连接管的壁厚，变径管斜度为1:n。典型双层管单层连接管道的结构尺寸为：内管直径ф168.6mm，外管直径ф325.0mm，单层管连接长度约为760mm，内外管之间过渡用变径管的坡度为1:4。

为了保证所建成海底输油气管道的正常运行，在管材的选择、设计、预制、焊接、内外防腐等施工环节就必须严格遵守相应的标准，常用的海底输油气管道焊接标准APIStd 1104、DNV-OS-F101等都对海底管道施工有特殊要求。从具体采用的焊接工艺来看，海洋油气输送管线对打底焊道的质量要求很高，既要求避免产生缺陷，又要求焊道内表面光滑，采用全自动焊（GMAW）的焊接方法可以得到符合要求的焊接接头，因此打底焊道的焊接方法选用焊接质量较好的熔化极CO2气体保护焊。由于在厚壁、大管径管线施工中，成形速度对填充焊和盖面焊有重要影响，因此填充和盖面选用焊接效率比较高的CO2气体保护药芯焊丝进行焊接。

值得一提的是，中海油海洋石油工程股份有限公司于2011年在国内首创并成功运用TIPTIG（半自动钨极氩弧焊接）工艺。该工艺具有焊接质量高、热输入小、返修率低等特点，能提高焊接效率2～3倍，同时还适用于深水复合材料压力容器、深水镍基合金管汇等特种合金的焊接，已经成功应用于我国首条双金属机械复合海洋输气管线——崖城13-4海管铺设项目的陆地预制施工中。崖城13-4海管铺设项目采用直径为ф8in的双金属机械复合海管，铺设距离22.5km，也是中海油对海洋油气输送管线用钢的开拓性应用。

铺管船上的管道焊接

最常用的海底管线铺设方法包括铺管船法、拖拉法（拖曳铺设）、浮游法三大类，其中拖拉法适用于海底管线的登陆段，铺管船法目前应用最多，铺管船法又分为卷筒铺设（reel lay）、S形铺设（S-lay）、J形铺设（J-lay）等几种。常规S形铺设工艺只能在深度不超过400～600m的范围内进行铺设作业，对于深度超过600m的铺设作业，需要使用动态锚的超级驳船，而且钢丝越长操作越困难。J形铺设中的管线几乎是直上直下送到海中，管道脱离角度接近垂直，所以张力较小，是目前国际公认的、最适合于深水管道铺设的作业方式。从世界范围内海洋油气工程的施工现状来看，基于铺管船法的不同管道铺设方法都对应有一定数量的特定作业船，需要提前计划安排，以利用合适的“气候窗”进行铺管施工作业。为了满足海洋油气开发的需要，荷兰HeeremaMarine Contractors（HMC）、意大利Saipem、荷兰 Allseas、荷兰Gusto MSC、挪威Acergy、法国Technip、美国J.Ray McDerMott（JRM）等公司都建造有自己的铺管船，其中有专用的J形或S形铺管船，有的则在原来的S形铺管船上加装J形铺管设备。

（1）S形铺设　S形铺设的一般工艺流程可以描述为：铺管船准备→托管架安装→作业线准备→起始连接→对中焊接→质量控制→接头涂层→下送管线入水。具体的焊接施工方法与陆地管线铺设基本相同，包括管端部坡口加工、焊口组对、纵向环缝焊接、检验和保温防腐涂层等几大环节。根据铺管船的作业能力来配备不同数量的流水作业站，几道工序分别在不同的作业站中完成。不论是S形铺设，还是J形铺设，在铺管船上一般都设置有预制线。在单节管进入主铺管线之前进行双节点管线预制可以减少主铺管线接头数量，缩短海上铺管周期，大大提高铺管效率。

铺管船上的焊接方法包括焊条电弧焊（SMAW）、半自动焊（FCAW）、全自动焊（GMAW），半自动焊（FCAW）是目前国内铺管船上最常用的焊接方法，例如滨海106船、滨海109船、“蓝疆号”等配备有半自动焊设备；全自动焊（GMAW）则是未来的发展趋势，“蓝疆号”、海洋石油201、海洋石油202都配备全自动焊接设备。

（2）J形铺设　J形铺设的一般工艺流程可以描述为：铺管船准备→管道供应→将单根管线转移到焊接架→对中焊接→质量控制→接头涂层→下送管线入水，其中“将单根管线转移到焊接架”“对中焊接”“下送管线”这三个步骤与S形铺设的区别最为明显。鉴于铺设效率取决于管道环缝焊接时间和两道环缝之间的管线距离这两个主要因素，因此可以事先将几根标准管连接预制成一根长管节（最多可以连接6根），可以极大地减少船上焊接环缝。

另一方面，由于在铺管船甲板竖直方向的作业空间受到限制，使得J形铺设无法采用S形铺设中多个工作站流水作业的方式，迄今J形铺设的作业效率仍低于S形铺设，这也是其应用较少的主要制约因素之一。鉴于使用高效、可靠的焊接系统是当前J形铺设的关键问题，因此在常规电弧熔焊技术的基础上，相继开发了电子束焊（EBW）、单极脉冲焊（HPW）、磁力推动焊（MIABW）等一次成形非电弧焊接技术，但尚未应用于工程实际。

（3）典型船用铺管装备和作业流程　海洋石油201船为深水动力定位铺管起重船，能够铺设水深达2000m，可铺设管径范围（包括涂层外径）为ф6～60in，设计铺管速度为5km/d。该船具有2条双节点管线预制线和1条主铺管线，配备全自动焊接设备。铺管船船体采用双层甲板设计，包括主甲板和A甲板。A甲板位于主甲板上层，用于储存管线，能储藏大约9000t的管子；主甲板为铺管作业线。主甲板纵向中心线设置主铺管作业线，两侧分别配备一条双节点管线预制线，两条预制线对应区域基本相同，并以主铺管为分界线对称分布，船尾设有固定式托管架。

生产预制线由管端处理系统、双节管焊接系统、AUT无损检验设备组成，预制线工艺流程如下图所示。预制线上的管端处理系统主要进行管子吊装、运输、坡口加工，同时完成预热、消磁、组对等工作，预制线传动与机械传动设备由意大利GORIZANIE公司提供，埋弧焊接电源与焊接机头为林肯电器提供的DC1000。预制线焊接系统由3个焊接站组成，每个焊接站均配备双电源、双丝机头，实现双丝同时焊接。1、2站外焊所用的埋弧焊接电源与焊接机头为林肯电器提供的DC1000；3站的内焊和外部盖面同时进行，内外焊焊接机头均配备摄像装置，可实现焊接过程全程跟踪控制。预制线检验系统的无损检验设备（AUT）采用自动超声波检测设备，与传统超声波检验以及射线检测相比，在检测速度、缺陷定量准确性、减少污染、减低作业强度方面具有明显的优越性。

海洋石油201船预制线工艺流程框图

主铺管作业线的焊接系统主要包括滚轮传动系统、电感应加热器、内对中器、全自动焊焊接站、NDT检测站以及返修焊接站。焊接是主铺管作业线的主要工艺，4个焊接站沿管线由船首至船尾分布，依次完成管子的打底焊道、热焊道、填充焊道和盖面焊道，其工艺流程如下图所示。焊接设备采用法国Serimax公司的自动焊系统Saturnax 05，包括2个双丝机头、2个ECU（电子控制单元）、1个PDB（电力分配箱）、4台焊接电源、2个送丝盒、1个机头行走轨道、2个遥控器、1台笔记本电脑、1台气动千斤顶以及1个地车（配备轨道）。所有焊道完成后，需要对焊缝进行无损检验。主铺管作业线的NDT检验及返修整合在一个站点，主铺管线NDT检验方法与预制线类似。