海洋管道焊接设备技术特性
Oct 29,2026
怡能智造专注管道的设计、研发、制造、销售、服务，是西南地区仅有的几家能生产直径三米以上螺旋焊管的企业之一，产品包括螺旋钢管、不锈钢碳钢复合钢管、3PE钢管、涂塑钢管、高频焊管等。今天继续为大家分享管道的相关知识。
受到海上作业的特殊环境影响，海洋管道焊接的施工方式经历了焊条电弧下向焊工艺、半自动焊工艺和全自动焊工艺三个发展阶段，所涉及的主要方法有熔化极气体保护电弧焊（GMAW）、自保护药芯焊丝电弧焊（FCAW）和焊条电弧焊。20世纪70年代以后，GMAW在管道施工中的应用发展很快，外焊GMAW单面焊双面成形已成为国际上管线施工的主流工艺，其设备主要技术在双炬和双丝技术、根焊技术、数据存储以及在线轨道转卡技术、焊机的焊缝跟踪系统等围绕焊机的高效、高自动化等主要功能快速发展。
双炬自动焊技术
双焊枪技术是指每个焊接小车安装2把焊枪，焊枪间距大约50mm，焊接时形成2个独立熔池。双焊枪技术由法国Serimax公司率先研究成功，这种紧凑的双焊枪焊机可以显著地增加焊接工作站较少的海洋管道铺设过程的效率，双焊枪可以增加效率40％～50％的同时可以显著地减少焊接工作站和焊接工人的数量；而且第二个焊枪对焊道有回火作用，改善了焊道韧性并降低了接头硬度。目前法国Serimax、美国CRC-Evans、荷兰VermaatTechnics等公司都有双炬焊机商业化产品。在具体的海管铺设施工作业时，为了进一步提高作业效率，每个焊接工作站采用两个双炬焊头分别在焊接导轨的两侧同时工作，每个焊头自成系统、独立控制，简称双头双炬焊接系统。与单头双炬焊接系统相比，双头双炬焊接系统将焊接效率提高了1倍。
法国Serimax公司早期的双焊炬焊机的两个焊枪安装在同一摆动机构上，从而使其总体体积和重量均大幅度降低，单机质量小于11kg，远远低于其他类型的焊机。然而整体安装的两把焊枪，前枪和后枪的摆动幅度相同，限制了焊机对焊接工艺的适用性。Serimax公司最新产品Saturnax09则将两把焊枪独立控制，且每把焊枪均可进行线性摆动和钟摆式摆动。如下图所示，Saturnax09焊接小车的尺寸为：250×375×275，质量15kg，操作温度-40～60℃，可以焊接各种碳钢、不锈钢、耐蚀合金钢，可焊接最小管径为4in，根据配备不同的焊接电源盒焊枪可以进行STT根焊、CMT、GMAW或者FGMAW、GTAW等各种焊接工艺。
Saturnax09管道全位置自动焊焊接小车
对于直径大于等于ф609.6mm（24″）的近海油气管线，Serimax公司特意开发了四头双炬（Saturne 8-Torch）全自动焊接系统，可驱动四个Saturnax焊头同时工作，以进一步缩短焊接时间。同时采用窄Ⅰ形坡口和内对口器附带铜衬垫强制封底成形，整套设备具有很强的柔性。
国内，海洋石油工程股份有限公司的“蓝疆”号起重铺管船是我国铺管能力和自动化程度最高的作业船舶，其上配备了Serimax公司的Saturnax 05双头双炬全自动焊接设备，前4个站每个站配备1套。焊接设备由焊接电源、焊接机头、机头控制系统、供气系统、编程器和轨道等部分组成，焊丝为美国林肯公司ф1.0mm的SUPERMIG实心焊丝，采用50％ Ar+50％CO2的混合气体联合保护。焊接工艺参数由计算机设置好后输入机头控制系统，能够精确控制各焊接位置处的送丝速度、焊接速度、摆动幅度、摆动速度、两侧停留时间等。“蓝疆”号首次承担作业水深70余米的东方1-1工程100km的登陆气管线铺设，管线尺寸ф559mm×12.7mm，材质为API 5L X65。铺设过程中创造了每日铺设280根的纪录，正常情况下的日铺设均在200根以上，合格率达到97％。
P600双焊枪管道全位置自动外焊机，焊接小车如下图所示，使用PGMAW或GMAW，窄间隙，采用水冷焊枪和外挂送丝方式，送丝机构和带有熔滴过渡单元（CDT）的脉冲焊接电源，焊接工艺参数可以编程并存储在便于更换的控制卡上，并可根据焊接工艺以及焊接材质的变化要求，随时离线编程。P600适用于窄间隙叠焊或宽间隙排焊，还可完成根焊，生产效率比单焊枪自动外焊机提高40％～50％，缺点是水冷焊枪给实际应用带来许多不便，因此在水下焊接中应用较少。用于12in以上管道，外形尺寸240mm×340mm×300mm，单焊车质量15.9kg，焊枪角度调整范围±10°。
P600管道全位置自动焊焊接小车
双丝自动焊技术
与双炬的概念不同，双丝技术是在一把焊枪上安装两根焊丝，焊接时两焊丝共用同一个熔池，目前常用的双丝技术有“Twin Arc”双丝焊技术和“TANDEM”双丝技术。“Twin Arc”双丝技术采用两个完全相同的脉冲电源，两套送丝机构，两焊丝不相互绝缘，因此其熔化速度相同。两电源不需协调，系统简单，但是可控性差，两焊丝相互影响。“Twin Arc”双丝技术电源的主要生产厂家有美国的Miller、德国的SKS、Binzel等公司。20世纪90年代，德国CLOOS公司率先开发出“TANDEM”双丝焊技术，该技术的两根焊丝由两个独立的电源供电，两焊丝间相互绝缘。因此两焊丝完全独立，相互干扰小，易于控制。“TANDEM”双丝焊电源的主要生产商除德国CLOOS外还有奥地利Fronius和美国的Lincoln公司。
双丝技术可以明显提高自动焊接设备的焊接效率，因此该技术也在管道全自动外焊接机上得到了应用，美国CRC Evans公司的产品集成了Fronius公司的TimeTwinDigital4000型MIG/MAG焊电源早期的GMAW自动焊是单炬单丝焊接。美国CRC-Evans公司的P260管道全自动焊机已经将原来的单炬单丝焊枪升级为单炬双丝，并用于J-Lay施工焊接作业中。加拿大RMS研制MOWⅡ型管道全自动焊机集成了Lincoln公司的Tandem MIG Power Wave 455MRobotic系列焊接电源，该管道焊接机器人系统采用脉冲熔化极气体保护焊方式。双丝技术的最新技术是双丝串列电弧MIG/MAG焊，该技术已应用于造船、汽车、石油天然气等行业，在管道焊接方面，美国CRC Evans、韩国现代重工以及加拿大的RMS公司作为系统集成商已将串列双丝系统集成在管道焊接设备中。然而，海洋管道施工的特殊环境要求焊接设备能在狭小的空间内进行，串列双丝焊炬为特殊定制，较大的体积及质量增加了系统集成难度，影响了其在海洋管道焊接中的应用。
根焊技术
油气输送管线对根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，因此是影响焊接生产效率和焊接成本的主要因素之一。管道自动焊接中常用的根焊方法有：内焊根焊、外焊机带铜衬垫根焊以及不带铜衬垫的根焊。这些根焊技术各有优缺点，内焊机根焊技术在陆地上的管道铺设中大量使用，陆上操作时对中相对简单，内焊机根焊法不需要焊工参与，因此焊接质量高、速度快，但是设备体积庞大，很难用于操作空间有限的海洋管线焊接过程中。内衬铜衬垫的根焊技术所需的内对口器和外焊机的造价要远低于内焊机根焊技术所需要的设备，而且外焊机设备体积小，焊接速度较高，因此，内衬铜垫的根焊技术在海洋管道焊接中广泛应用。采用带铜衬垫的根焊技术的自动焊机有：Saipem公司生产的Passo系列，意大利的PWT公司生产的CWS02系列，Serimax公司生产的Saturnax05、07系列，Allseas公司生产的Phoenix系列管道全位置自动外焊机。
带铜衬垫的根焊技术虽然在海洋管道焊接中得到广泛应用，但是焊缝渗铜问题无法解决。鉴于此，美国Lincoln Electric公司提出了一种基于短电弧表面张力过渡（STT）根焊技术，该技术采用波形控制技术，实现了短路过渡GMAW工艺，克服了短电弧焊接根焊边界融合困难的问题，从而能完成低氢的高质量根焊。STT根焊技术采用100％的CO2气保护，热输入低，适合焊接不锈钢、合金钢、碳钢、高强钢等各种品质的钢材。送丝速度独立控制，管道焊接时需要调整拖动角，12～2点位置拖动角为45°，2～6点位置的拖动角为10°～20°，因此对自动焊机的自动化程度要求更高。可以进行STT根焊技术的管道全位置自动焊机有：Serimax公司生产的Saturnax09系列，荷兰的Vermaat Technics生产的Ver-aweld系列和JBBS系列，美国Magnatech公司生产的Pipeliner Ⅱ系列以及美国CRC公司生产的M系列管道全位置自动焊机。
采用表面张力可控熔滴过渡GMAW技术，熔深控制较好，不易出现未熔合缺陷；可控熔滴过渡GMAW配合脉冲过渡GMAW填缝可用于X80甚至是X120管线的焊接施工。但是对于大尺寸管道，使用该技术焊接时速度太慢，例如焊接48in的管道时，内焊机根焊法的焊接速度是带铜衬垫的外焊机根焊法的速度2倍，带铜衬垫的外焊机根焊接法的焊接速度是不带铜衬垫的焊接速度的4倍。
自动控制技术
早期的管道全位置自动焊机的控制系统较为简单，仅仅是焊机带着焊枪做圆周运动，所有焊机参数均由操作工控制，因此设备的操作难度大、效率低且焊接质量差。美国CRC公司早期的产品P100管道全位置自动焊机的智能化比较低，每套焊机只能完成一道焊缝，因此热焊、填充焊、盖面焊需要不同的焊机完成。随着控制技术和计算机技术的不断发展，管道全位置自动焊机的控制系统也不断完善，美国CRC公司的P200焊机是P100的升级版，其智能化已经显著提升，一个焊机可完成一道焊缝的全部工作。现在大部分自动焊设备已经采用计算机控制，带有专家库和焊缝跟踪系统，焊接过程几乎不用人工参与，从而大大提高了焊机的焊接效率和焊接质量。
韩国现代重工双炬管道全位置焊机采用多种串行通信方式，可实现手控盒、焊机本体、焊接电源的分布式控制，其管道全位置自动外焊机及其控制系统结构如下图所示，通过LONWIRKS总线网络可建立焊接工作站局域网，实现各焊接工作站焊接机器人的远程监控及数据库管理功能，主控单元与焊接机器人本体及手控盒分别采用支持Modbus协议RS-485及CAN（controllerarea network）总线通信方式，属于OPC通信方式下的多总线异构控制系统，此外，焊接机器人单机配备了激光视觉跟踪传感器可完成焊缝跟踪功能。
韩国现代重工的双炬管道全位置自动外焊焊接小车及其控制系统结构
澳大利亚的Lonestar管道全位置自动焊机与Verm aatTechnics公司JBBS管道全位置自动焊机相似，除了具备其他管道全位置自动焊机的基本功能外，Lonestar管道全位置自动焊机在自动模式下可完成自动起弧焊接及停 弧功能，同一焊接工作站的左右舷焊机通过协同配合还可实现焊道的自动覆盖功能。法国Serimax公司生产的Saturnax Bug双炬管道全位置自动焊机，焊机主控单元采用基于RS-485总线的分布式控制结构，可构建海上铺管线焊接工作站多级网络控制平台，具有远程监控、参数设置及焊接过程参数存储功能。
TSA Pipeline welding machines公司的PASSO E是TSA最新推出的全自动GMAW/FCAW焊接系统，也是目前TSA主推产品。该焊接系统的所有运动均由计算机控制，焊接参数可实时调整，焊接速度、送丝速度、焊接电流、焊枪的摆幅、摆频、驻留时间、保护气流量、电源类型、软启动和软停止、管道倾斜度等参数均可根据具体的焊接情况进行调整。且该控制系统自带有专家系统，焊接过程中设备具有自学习功能。
1993年美国J.Ray Mcdermott公司将JAWS焊接系统升级为6焊炬系统，该系统采用先进的伺服控制以及计算机控制，每个JAWS焊接系统有14个伺服轴，主控单元可完成焊接电源、运动控制及过程控制的实时协同控制及管理。1996年美国埃索石油公司将该套系统用在马来西亚海管铺设工程中，铺管线配备5个工作站，6个均匀布局的焊炬装卡在一个固定轨道上并同时焊接，创下日焊329道焊接接头（762mm×20mm）的纪录。
我国管道局在自主研发的PAW2000单焊炬自动焊机的基础上与2003年12月份研制成功了PAW3000管道双焊炬全位置自动焊机，PAW3000与美国CRC公司P600一样采用单电机驱动的四杆锁紧和摩擦滚轮传动方法，控制系统采用DSP（高速数字信号处理器）和CPLD（复杂可编程逻辑器件）为核心的全数字智能化运动控制技术和嵌入式操作系统，配备激光结构光视觉传感器可完成焊缝水平方向的自动跟踪，整机结构紧凑，具有较高的控制水平和设备扩展冗余度。
焊缝跟踪和识别技术
焊缝跟踪和识别技术可以显著地增加管道全位置自动外焊机的焊接质量，增加焊接速度和焊缝的合格率等，也是衡量焊机自动化程度的关键指标，因此大量的自动焊设备商都在集中精力增加设备的焊缝跟踪能力。常用焊缝跟踪和识别技术有接触式传感技术、激光技术以及电弧传感技术。接触式传感技术采用接触式传感器来判读焊枪距管道面的距离，常用于控制焊枪的纵向移动，从而保证焊接过程中焊丝干伸长度不变。而在判断焊枪和焊缝间的横行位移时实现难度大，而且接触式传感器的安装也使设备的总体体积增加。因此接触式传感技术仅在早期的管道全位置自动外焊机上使用。
1978年Saipem公司设计的Passo管道全位置自动外焊机上采用了接触式机械定位技术，对焊枪的纵向移动进行控制，以简化设备的操作难度，降低焊工的劳动强度。1988年在其建成的Saipem-7000起重铺管船（原称Micoperi 7000）上的J形铺设焊接作业中应用了该技术，实践证明该焊接系统焊接速度和焊接质量高，并且不需中间处理过程，在很大程度上提高了焊接速度。RMS的MOW Ⅰ系列自动外焊机也采用了机械跟踪技术，用于保证焊接过程中干伸长的稳定性。
电弧传感器和视觉传感器在焊接机器人焊缝跟踪的技术研究中，占有突出地位。电弧传感器的优点是可从焊接电弧信号中直接提取焊缝特征偏差信号，实时性及焊枪运动的灵活性和可达性最好。电弧传感器主要有摆动电弧和旋转电弧传感器。其中由于旋转电弧传感器扫描频率高而使其比摆动电弧传感器的偏差检测灵敏度高，但在管道焊接中为了保证焊道厚度的恒定，摆动宽度是需要实时调整的，而旋转电弧传感器的旋转半径在焊接开始后不能任意调整，所以，用于管道焊接跟踪的扫描机构选择摆动方式更为合理。同时，摆动频率对电弧信号的敏感性有影响，研制较高摆动频率的高速摆动器对于研究管道焊接电弧跟踪系统具有重要的价值。目前，国外的双炬管道全位置自动焊机已经将电弧传感技术集成于管道焊接中，包括美国的CRC、法国Serimax、韩国现代重工以及日本新日铁公司等。国内廊坊管道局及哈尔滨工业大学的管道全位置自动焊机都采用了结构光视觉传感器进行管道焊缝跟踪的研究，但由于性能优越的激光结构光视觉传感器由国外进口，价格昂贵，增加了管道焊接机器人系统成本。
CRC-Evans公司是较早将电弧跟踪技术应用于管道全位置自动焊接上的，其首台带有电弧传感技术的焊机为P260单焊枪管道全位置自动焊机，该焊机内置32道环焊缝，焊接工艺参数包括根焊、热焊、填充焊和盖面焊等，可以进行窄间隙PGMAW或GMAW焊接，控制系统允许用户存储实时焊接参数。但是由于当时电弧跟踪技术不太成熟且价格昂贵，因此电弧传感技术仅对纵向焊缝进行跟踪。如下图所示，带有纵向电弧跟踪技术的P260焊机适于焊接热焊、填充焊和盖面焊，焊枪的纵向调整范围是0～63.5mm，角度调整范围是：±10°。
CRC-Evans公司P260管道全位置自动焊焊接小车
CRC-Evans公司的较新产品P450单焊枪管道全位置自动焊机，集成了纵向和横向电弧跟踪系统，且带有蓝牙功能，焊接参数可无线传输，如下图所示，焊枪的纵向调整范围是0～63.5mm，角度调整范围是：±10°。
CRC-Evans公司P450管道全位置自动焊焊接小车
韩国现代重工将摆动电弧传感集成在双串列双丝管道焊接中，采用恒流特性焊接电源，系统对采样的电流信号进行截止频率为50Hz硬件低通滤波，然后采用区域移动平均数算法提取焊缝偏差特征值。RMS公司的MOW Ⅱ管道全位置自动焊机将带CAN总线接口的焊接电流传感器集成于电弧传感的焊缝跟踪系统中。采用凸轮式高速摆动器扫描坡口，产生高速摆动的电弧，进行了脉冲方式的管道窄坡口焊接中电弧跟踪的应用研究。日本新日铁公司的管道焊接机器人采用基于电弧传感的方式可实现焊缝跟踪及摆动宽度的自适应控制。
日本新铁公司的MAG-Ⅱ焊接系统，为窄焊缝而设计。采用了视觉传感技术，用于控制根焊的焊接速度和摆动宽度。热焊和填充焊过程中采用电弧传感控制焊枪的干伸长度和摆动宽度，最小可焊管道为12in，焊接小车的尺寸为525mm×360mm×255mm，质量17kg，根焊需要带铜衬垫。如图6-6-6所示，根焊时采用基于视觉传感技术控制焊接速度及摆动宽度，填充焊采用基于电弧传感技术实现焊缝跟踪以及摆宽控制功能，由于同时配备视觉传感及电弧传感技术，整个焊接过程中焊枪可实时跟踪焊缝，焊道厚度均匀一致，能获得较高的环缝焊接质量。
MAG-Ⅱ管道全位置自动焊焊接小车
Prev —
Next —
其他新闻
关注官方微公众号
或搜索“怡能智造”
更多精彩等着你！
关注官方视频号
或搜索“怡能智造集团”更多精彩等着你！
地址：重庆市长寿区渡舟街道明桃一路1201号