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海洋管道焊接设备

Oct 29,2026

海洋管道焊接设备的型号

海洋管道作为海上油气开发、生产与产品外输的主要途径，被喻为海上油气田的“生命线”。在海洋管道铺设和维修过程中焊接连接方法具有保证整个管线力学性能一致、工作效率高、连接强度高等优点，是海洋管道连接中最可靠的方法，至今尚无任何技术可与之媲美。与陆上管道连接不同，海洋管道的施工受环境影响具有施工投资大、施工质量要求高、施工环境多变、施工组织复杂和空间狭小等特点。因此为了尽可能提高施工效率，海洋管道焊接设备均为当代的最先进焊接工艺和设备，也可以说，海洋管道焊接工艺和设备引领了焊接的时代潮流。

海洋管道铺设用焊接设备

随着焊接工艺和设备的发展，海洋管道焊接施工经历了手工焊、半自动手工焊和自动焊的发展历程。20世纪70年代，我国管道施工中广泛采用传统的焊接方法：低氢型焊条电弧向上焊技术；20世纪80年代焊条电弧向下焊技术得到推广，其主要方法是纤维素焊条和低氢焊条向下焊；20世纪90年代开始使用自保护药芯焊和STT下向焊等半自动焊接技术；现在全位置自动焊接技术已经得到全面发展和应用。焊条电弧焊向上焊技术是我国以往管道施工中的主要焊接方法，其特点是管口组对间隙较大，焊接过程中采用熄弧操作的方法完成，每层焊层厚度较大。该工艺只需普通焊接电源、焊枪和焊条即可，焊接质量完全依靠焊工的技能和经验，因此焊工的培训时间长，焊接过程中劳动强度大且焊接效率低。早期的J506和J507焊条焊后还容易出现焊缝表面成形比较差，焊接接头中气孔、夹渣、未焊透等缺陷。目前该技术仍然用于管道维修、抢修和返修焊接的填充盖面焊当中，焊条可选用四川大西洋公司的E5015/E5515等。

我国20世纪80年代开始大面积推广焊条电弧向下焊工艺，该工艺包括纤维素焊条下向焊和低氢焊条下向焊。焊条电弧焊向下焊的特点是管口组对间隙小，焊接过程中采用大电流、多层、快速焊的操作方法来完成，每层焊层厚度较薄，通过后面焊层对前面焊层的热处理作用可提高环焊缝的韧性，焊接效率较高。纤维素下向焊焊条的药皮中含有30％～50％的有机物（纤维素），具有极强的造气功能，焊接时分解了大量的CO和CO2气体，在保护电弧和熔池金属的同时，增加了电弧吹力，保证熔滴在全位置焊接时向熔池的稳定过渡，并抑制铁液和熔渣下淌。同时有较大的熔透能力，具有优异的填充间隙性能，焊缝背面成形好，气孔敏感性小，易于获得高质量的焊缝，因此特别适合打底焊，但是对管子的对口间隙要求很严格。低氢型下向焊条由日本的KOBE公司向中国推荐，该工艺填充、盖面焊缝成形好，但是根焊的质量难以控制，容易产生气孔，而且要求管道组对精度高。焊条电弧焊方法灵活简便、适应性强，其向下焊和向上焊两种方法的有机结合及纤维素焊条良好的根焊适应性在很多场合下仍是自动焊方法所不能代替的。

目前可采用的纤维素下向焊条除国产纤维素焊条外，主要有美国林肯公司生产的E6010、E7010-G，美国ITW集团公司生产的HOBART、E6010、E7010，日本神户制钢生产的E6010、E7010等，奥地利的BOHLER公司生产的E6010、E8010-P1，中船重工七二五所研制的E6010、E7010-G、E8010-G1，瑞典ESAB焊材、日本KOBE焊材、法国SAF焊材和美国HOBSRT焊材。纤维素焊条焊接时采用一般的直流焊接电源，在小电流时易出现断弧、粘条及电弧不稳等问题。海洋管道施工中焊条电弧焊常用的直流电弧焊设备有美国LINCOLN（林肯公司）的DC-400，美国MILLER公司的XMT-304，北京时代集团公司的ZX7-400B，济南奥太公司的ZX7-400ST等。低氢焊条对弧焊设备的要求较低，一般的直流电弧焊设备即可满足要求。

半自动焊技术采用焊丝代替焊条，并利用送丝机进行连续送丝，从而实现连续焊接。与焊条电弧焊相比减少了更换焊条的时间，但是焊枪仍然由人工操作，焊接质量、速度与工人的技术水平、经验等因素仍然很密切，所以工人的培训时间长，劳动强度大。根据焊丝的种类半自动焊可分为纤维素型焊条向下根焊、自保护药芯焊丝半自动焊等。自保护药芯焊丝半自动焊技术主要用与填充和盖面，其特点是熔敷效率高，全位置焊成形好，环境适应能力强，焊工易于掌握，其常用设备有：LINCOLN的DC-400直流电源+LN-23P送丝机，MILLER公司的XMT-304直流电源+S-32P送丝机，唐王DC-400+LINCOLN的LN-23P送丝机。CO2气保焊根可采用LINCOLN公司的STT型逆变电源+LN-742送丝机，飞马特公司的ULTRA FLEX PULSE350焊机+ULTRAFEED1000送丝机。

全位置自动焊的方法有埋弧自动焊、电阻闪光焊、钨极氩弧焊和熔化极全位置自动焊。埋弧自动焊设备起源于20世纪50年代，因其焊接过程稳定、熔敷率高、焊接效率高、劳动条件好等优点而备受重视。埋弧自动焊利用机械装置和电气控制系统自动控制送丝和移动电弧，从而实现管口的自动焊接。焊接过程使用粗焊丝（ф2.4mm以上）、大电流，而且没有弧光辐射，放出的有害气体较少。焊接终了很容易清渣，焊缝的化学成分和力学性能稳定。但是，埋弧焊均为1G位置焊接，管道施工是需要采用管道旋转的方法，因此该工艺在制管过程中得到了广泛的应用。海洋管道铺设施工在铺管船上进行，受空间的限制至今尚无在铺管施工中应用埋弧焊的先例。

电阻闪光焊由俄罗斯的巴顿研究所研制，其利用管口的两端通过的高电压、大电流的交流电，使管口部的金属快速熔化，然后再用高压顶锻，使管口处的金属熔为一体。这种焊接方法效率高，节省劳动力，适合于平原地段的自动化施工生产。前苏联时期巴顿研究所研制的北方-1电阻闪光自动焊设备在亚马尔管道铺设过程中得到了应用，但是这种焊接技术使用的设备庞大，成本极高，所以到20世纪90年代后已经没有相关设备的应用报道。钨极氩弧焊以钨合金为电极，用氩气保护，具有焊接过程稳定、保护作用好、焊缝金属纯净、焊道成形好等一系列优点，但是焊接效率较低，对施工环境要求较高，因此在海洋管道施工焊接中很少采用。

熔化极全位置焊接（GMAW）技术出现于20世纪60年代末期，美国CRC公司在1964年率先将该技术应用于管道施工。早期的熔化极全位置自动焊接设备只是焊接小车带动焊枪行走，焊接参数（焊接电流、电压、焊接速度等）均是手动控制。随着计算机技术和自动控制技术的日益完善，能够自动跟踪以及自动控制焊接参数的管道焊接设备（管道全位置自动焊机）得以迅速发展。熔化极全位置自动焊技术的主体是自动焊机，自动焊机包括导向轨道、焊接小车、自动控制系统、电源、气源等。导向轨道装卡在管口处，焊接小车利用导向轨道带动焊枪沿管周自动行走，实现管口的全位置自动焊接，焊接过程则为实心焊丝加气保护。

具有单面焊双面成形根焊能力的双炬管道全位置自动焊机，不仅能解决根焊问题，还可以提高其他焊层的焊接效率，具有突出的优势，是一种较好的技术方案，已经在国内外海洋管道铺设焊接中得到了广泛的应用，也是将来很长一段时间内的海洋管道施工中焊接设备发展的主流。为了提高焊接效率，其主要发展方向是双丝多焊枪多焊头的管道全位置自动焊机。陆上和近海管线连接中经常使用的管道全位置自动焊接设备有：林肯公司的气体保护STT自动外焊机根焊（Autoweld）、美国CRC-Evans公司的P系列和M系列、法国Serimax公司的Saturnax、法国的Polysoude、意大利Saipem-EMC公司的Passo、荷兰Vermaat Technics公司的Veraweld、Allseas公司的Phoenix以及J.RayMcDermott公司的JBBS、德国VIETZ公司开发的CWS管道焊接设备、英国Noreast Services And PipelinesLtd.公司的AW97-1和IWM自动内焊机、加拿大PROLINE公司、中国石油天然气管道局的PAW系列、中国石油工程技术研究的APW系列、北京石油化工学院设计的BIPT系列、意大利PWT公司的全自动控制焊接系统CWS.02NRT外焊根焊成形焊接设备等。常用熔化极全位置管道焊接设备的型号见下表所示。

常用熔化极全位置管道焊接设备

海底管道修复用焊接设备海底油气管道铺设长度不断增加，服役时间逐渐延长，管道破损泄漏而引起的事故和污染均随之上升，因此防止和应对管道破损泄漏的任务日益艰巨。2005年，美国墨西哥湾共有102条油气管线在卡特里娜飓风打击下有不同程度的损毁破裂。2006年，英国BP公司在美国阿拉斯加的油气管线破裂，对当地环境造成了严重污染并被迫关停大部分油气管线。因此水下管道的维修焊接设备也成了海洋管道焊接设备的重要组成部分，也是当前海洋管道焊接研究的重点设备之一。

根据管道管径、管道所处水深、管道海底埋设深度、管道破坏位置、管道损坏程度大小、维修系统能力、应急性或永久性维修措施、维修时间长短、现有其他设备及所需费用以及作业支持船舶等的具体情况，世界范围内针对海洋立管、海底管道的现行维修方法主要包括水上焊接修复、水下机械连接器修复、水下不停产开孔封堵修复、水下焊接修复等方法。水上焊接修复法在水下将破损管道切断或切除破损段，然后把两个管端吊出水面，利用自动焊接设备进行焊接修复。对修复后的管道进行NDT检验和涂层后放回海底，即完成维修作业。因此管道焊接过程同管道铺设焊接类似，采用常规的管道全位置自动焊接设备即可完成。

海底管道的水下焊接维修方法可分为有潜式水下管道焊接维修作业系统和远程无潜式管道焊接维修作业系统。有潜式海底管道维修作业系统依据环境条件的不同，水下电弧熔焊技术可分为湿式、干式及局部干式三类，其中以手工金属电弧焊（MMA）为典型代表的湿式焊接，因其成本较低，目前在海上固定平台较浅水域的钢结构损伤修复中应用较多。但由于存在氢致裂缝、焊缝金属和热影响区过硬等较难解决的问题，将其用于海底油气管道等性能等级要求较高的场合尚不能满足规范要求，水下干式焊接则因接头质量好、重量轻等优点而被广泛采用。国外的有潜式海底管道维修作业系统多基于高压轨道式GTA焊接系统完成，较为知名的作业系统有OOTO系统、THOR系统及PRS系统。

OOTO系统由英国Aberdeen Subsea Offshore Ltd开发，其核心部分是焊接头和轨道，还包括电气控制部分、气体供应室、焊接监控室和潜水监控室等，整个系统采用光纤传导和计算机进行监控。在高压舱中配备潜水员，主要是为了更换电极、调整送丝角度和位置，一旦焊接过程开始，就不再需要潜水员干预。OOTO系统实验结果表明，潜水员对焊接质量的影响非常小，可以显著降低对潜水员的资质要求。该套系统曾在海底连续工作过4周，累计完成了18处焊缝，焊接程序和质量获得了挪威劳氏船级社的认证。

THOR系统由英、法合作的Comex公司开发，该系统由焊接头与轨道、高压舱、水面控制舱三部分组成，系统焊接参数既能预先设定又能实时调整；系统监测单元由两台监视器组成，能全面获得熔池和电弧信息；水面和水下各有一套计算机系统，分别进行焊接电气参数控制和位置参数控制。由于THOR-1存在着很多缺陷，后来Comex公司又研制开发了新一代的THOR-2（SCS）系统，使得该系统成为能适合超深水域、不需潜水员协助的全自动焊接系统。

PRS系统由挪威国家石油公司StatoilHydro公司于1987年研制，由40多个油气公司组成联盟共同出资使用，主要服务于北海挪威陆架大型油气田管线、OrmenLange气田及墨西哥湾深水海底管线，设计维修能力水深达600m，管道直径为8～42in。该系统利用半自动化潜水员辅助GTA焊接，已成功应用在对焊V形槽焊接上（71个焊接点时限已超过17年），此系统在海洋油田已得到非常广泛的应用。PRS拥有一套综合的海底油气管道建造装置和维修技术，技术涵盖水下隔离围堵、损坏管道清理、大型操纵和安装系统；设备包含支撑夹钳、水下管道切割工具、机械连接器、高压焊接工具等，在挪威Stavanger（斯塔万格）北部的Haugesund港口建立了PRS库，储备了夹具、连接器、提管架、水下焊接机器人等。

在“十五”期间的重大专项“渤海大油田勘探开发关键技术”的“水下干式管道维修系统”子课题支持下由上海交通大学、哈尔滨工程大学、北京石油化工学院共同努力于2004年设计建造了国内唯一的高压焊接实验装置，并形成了一系列具有我国自主知识产权的新型设备：高压干式舱、冷切割坡口机、金刚石绳锯机、管道对口器、开孔封堵器、管端清理机具、高压焊机等，这些设备是干式维修系统的重要保障。2005年采用自主研制的高压TIG焊接试验样机完成了平板高压焊接试验，在2006年渤海湾进行了海底管道高压焊接修复海上试验。至2007年6月，水下干式管道维修系统继海试成功后，先后在JZ20-2油田海底管道改线工程、CFD11油田海底电缆检测维修及复位工程、PL19-3油田WHPB平台靠船件拆除等依托工程中成功应用，有效地验证了系统的各项性能，为海上油气安全生产提供了良好的技术服务。该系统于2007年2月12日装船出海投入涠洲11-4油田42m水深环境条件下的2条海底管道修复工程，提高了水下维修工作质量和应急抢修作业效率，为石油公司尽快恢复海上油气生产创造条件。

远程无潜式海底管道焊接维修作业系统众所周知，随着水深的增加，潜水员正确操作能力会下降，再加上人类潜水的极限深度为650m，潜水员在水下作业的健康和安全无法得到保证，因此无潜水员辅助的维修设备就成为深水或超深水海底管道维修作业的唯一选择。目前，主要的无潜式焊接维修连接技术有CoMex公司的THOR-2系统和STATOIL公司的RPRS（Remote Pipeline Repair System）系统。

（1）THOR-2焊接维修作业系统　不需潜水员协助的THOR-2系统由英、法合作的Comex公司在有潜式焊接维修连接系统THOR-1的基础上开发的，该系统由焊接头、高压舱、水面控制舱三部分组成。水面和水下各设有一套计算机控制系统，分别控制焊接参数和焊机位置参数。THOR-2采用GTA对接焊，施工时需要较高管道对中精度，因此该系统操作过程复杂，特别是大直径管道，精确对中的难度更大。此外，GTA焊随环境压力的增加，电弧的等离子稳定性变差，电极表面电流密度和弧柱电流密度差异也变大，从而导致弧柱不稳定、飞溅大和熔滴过渡困难，因此适用水深一般不超过500m。

（2）RPRS焊接维修作业系统　StatoilHydro公司的研究人员认为，虽然远程安装机械连接器也可用于无潜式海底管道维修，但对于大直径的管道维修造价非常高（直径42in管道机械连接器的费用高达100万美元），因此采用此类机械连接器进行大直径管道维修不切实际；同时，传统的高压干式焊接维修系统存在设备体积庞大、辅助支持设备复杂、机动性较差、维修作业总体成本较高等不足。

近几年来，Statoil Hydro公司研制在PRS系统取得了巨大成功的基础上，又着手研发了遥操作管道维修系统（remotepi peline repair system，RPRS）。Cranfield University研究人员借助高压焊接试验装置Hyper Weld250，对压力为250bar的MIG焊接电弧、熔滴过渡、焊接熔池等进行了深入研究。其研究结果表明在压力为250bar环境下采用连续送丝、脉冲电流以及短电弧（电弧干伸长度小于1mm）等工艺可以使MIG焊的焊接质量满足使用要求，因此MIG焊可以适合于水深超过1000m的高压焊接。因此RPRS系统采用了角焊套筒维修和GMAW技术，切除损坏管线后，采用套筒类的机械连接器进行预连接和密封，然后采用新型焊接机器人进行焊接套筒、膨胀弯和管线，整个系统由ROV操控；初始作业水深范围为180～570m，设计水深为1000m。2004年下半年，RPRS进行了海底测试，效果良好。高压GMA焊接已经能够胜任X65和X70钢材44″管道在水深180～570m范围内的套筒维修。2006年又将GMA焊接用于海底管线回接中的坡口焊，同年还进行了850m水深的无潜高压焊接，超过了人类潜水的极限深度。2011年7月，挪威国家石油公司在松恩峡湾对RPRS系统进行了深度为370m和940m的试验。水深为370m的试验中，试样的焊缝质量满足要求。而水深为940m的试验中，试样的焊缝有缺陷，影响焊接质量的主要原因是焊接舱内湿度较大和深水管道温度低预热不充分。