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海洋管道焊接设备用途及安全要求

Oct 29,2026

海底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”。从1954年Brown& Root公司在美国墨西哥湾铺设世界上第一条海底管道以来，全世界铺设的海底管道总长度已达十几万千米。其中美国墨西哥湾海洋管线长度达37000km。从1985年我国在渤海埕北油田铺设第一条海底管道以来，仅中海油系统就新建了上百条海底管道，总长度超过4000km，直径超过44in，铺设的深度超过840m。铺管是海洋管道施工中的重要环节，为了最大限度地缩短海上施工周期，减少工程成本以及最大限度地降低风险，要求海底管道以最高的铺设速度和最高的工程质量进行，因此具有焊接速度快、焊接质量高、操作简单且体积小、重量轻的熔化极全位置焊接（GMAW）管道自动外焊机是当前海洋管道的主要焊接设备。

最常用的海底管线铺设方法包括卷筒铺设法、拖曳铺设法、S形铺设法、J形铺设法等，卷筒铺设和拖曳铺设法的管道焊接工作都在陆上完成。S形铺设法和J形铺设法的管道焊接主要在铺管船上进行，因此也是海洋管道焊接设备用应最多的焊接施工。

S形管线铺设中的焊接设备的应用

S形铺设的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。S形铺设法采用了分站式流水作业，工作效率较高，因此目前世界上90％以上的铺管船均采用该铺设方法。

Saimpem公司的Saimpem CASTOROSEI型管半潜式铺管船，如下图所示，工作水深40～1500m，船上设有背对背两套铺管系统，可同时进行60in以下海底管道的铺设，铺设方法为S形。船上设置9个工作站，其中包括焊接工作站、X射线检查站和连接位置防腐涂层处理站。采用埋弧自动焊设备先将2根标准12m长度钢管焊接预制成为“双节点”，每站设置2套Passo焊接系统。

Saimpem CASTORO SEI型管半潜式铺管船

我国海洋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Saturnax05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、两侧停留时间等工艺参数。“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％。

我国新建的“海洋石油201”主要采用S形铺设法进行海管铺设，该船配备双节点预制工作线，先将2根标准12m长度钢管焊接预制成为“双节点”，此时，钢管旋转，焊接机头固定，即为1G位置焊接。海管铺设焊接主作业线布置一系列焊接站，管道水平固定，焊接小车围绕管道旋转，即为5G位置焊接。“海洋石油201”海管铺设焊接主作业线如下图所示，顺序布置了5个焊接站和1个AUT/返修站，每个焊接站在同一圆导轨上面安装2台自动焊接小车，每台焊接小车各自完成半个圆周的焊接。焊接站1到焊接站5顺次完成打底、填充和盖面，第6个站采用自动超声AUT进行焊缝检验，不合格焊缝进行返修，海管铺设要求管道焊接返修率低于2％。

“海洋石油201”海管铺设焊接主作业线

“海洋石油201”海管铺设焊接主作业线焊接站采用法国Serimax公司生产的Saturnax07系列双炬管道全位置自动外焊机，每个工作站布置两台焊接小车，布置方式如下图所示。两个焊接小车安装在同一圆导轨上面，两侧同时焊接，其中一台焊接小车先从12点位置引弧向下焊接，另外一台焊接小车与之有一个时间差，从相同位置开始向下焊接。后面几个站采用相同的操作方法，但是，引弧位置要与前一站错开，以避免未熔合等缺陷的产生。

“海洋石油201”焊机的布置方式

双车焊接是指在同一圆导轨上面安装2台自动焊接小车，两侧同时焊接，其中一台焊接小车先从12点位置引弧向下焊接，另外一台焊接小车与之有一个时间差，从相同位置开始向下焊接。后面几个站采用相同的操作方法，但是，引弧位置要与前一站错开，以避免未熔合等缺陷的产生。根焊时采用带铜衬垫的外焊机根焊技术，为了保持打底过程中支撑力足够，铜衬垫材料采用的是氧化铝铜，其抗软化温度为800℃，打底焊接过程材料不会发生软化。

J形管线铺设中的焊接设备的应用

J形铺管法（J-lay）是自20世纪80年代以来为了适应铺管水深的不断增加而发展起来，是目前最适于进行深水海底管道铺设的方法；此外，大多数钢制悬链立管（SCR）也都采用该法安装。如下图所示，该法在铺管开始时管道几乎直上直下地送入水中（实际与垂直方向的夹角在0°～15°之间），因在下放到海底过程中整条管线的形状呈J形而得名。

J形铺管及管道受力分析示意图

J形铺管通常只使用一个焊接工作站和一个焊缝检测站，作业效率较常规S形铺设法要低，但是其能够铺设3350m以深的海底管线。为了提高J形铺管的作业效率，通常使用较长的管段，这些管段通常由4～6根长度为12m（40ft）的管子在陆地上预制而成。如下图所示，J形管线铺设的一般工艺流程可以描述为：管段供应→将单根管段转移到铺管架或铺管塔（tower）→与悬吊管线对中后组对焊接→焊缝质量控制（焊缝检测）→焊缝接头进行防腐涂层处理→铺管船前移的同时缓慢下送管线→管道埋设（取决于具体的海洋环境），其中“将单根管段转移到铺管架或铺管塔”“与悬吊管线对中后组对焊接”“铺管船前移的同时缓慢下送管线”这三个步骤与S形铺设的区别最为明显。

J形管线铺设作业的一般工艺流程示意图

与S形铺设相同，J形铺设中电弧焊接技术（GMAW特别是PGMAW）也需要经过根焊、填充焊以及盖面焊等多个步骤，限制了焊接速度。不同的是，J形铺设中焊接没有起止位置的变化，也不用考虑仰焊位置，焊接操作比较容易。为了提高焊接效率，早在20世纪90年代，美国CRC-Evans公司就开始研制开发针对J形铺管焊接作业的自动焊接设备，目前各知名海洋工程铺管作业公司都与自己的焊接工艺与设备专业合作伙伴密切合作，配备了各具特色并具有各自知识产权保护的J形铺管焊接作业设备。例如，意大利Saipem公司在其Saipem-7000铺管船上配备了基于GMAW的“PASSO自动焊接设备”；荷兰HMC公司的DCV Balder号深水建造船上配备了Vermaat TechnicsB.V.公司的“Veraweld”双炬焊接站；美国McDermott国际公司的动力定位DerrickBarge（DB）No.50铺管船上配备了JBBS自动焊接系统（Bug and Band Welding System），该系统其实是Vermaat Technics B.V.公司“Veraweld”系统的升级版本；挪威Acergy集团的Seaway Polaris号铺管船上则配备了法国Serimmax公司的Saturnax双炬自动焊接设备；美国CRC-Evans公司在其网站上则公开宣称其P260系列外焊接机（P260 External Welder）、J-lay 夹具（J-lay Clamp）和管道坡口机（pipe facingmachine）可以用于管道铺设，该公司于2010年8月与Subsea 7公司达成战略合作协议，为后者研发配备J形管道铺设用自动焊机和焊缝检测设备。

从自动焊机相对于待成形焊缝的位置来看，在基于管铤张紧模式的J形铺管焊接作业设备可以分为两类，一类是包括焊接轨道和焊接小车在内的焊接作业设备位于待成形环形焊缝的下方，如挪威Acergy集团SeawayPolaris起重铺管船上的J形铺管焊接作业模式即属于此类，如下图所示，从图中可以清楚地看出采用的是法国 Serimax公司的Saturnax双炬自动焊接设备。

挪威Acergy集团SeawayPolaris起重铺管船上J形铺管焊接作业场景

另一类是包括焊接轨道和焊接小车在内的焊接作业设备位于待成形环形焊缝的上方，如挪威Acergy集团SeawayPolaris起重铺管船上的J形铺管焊接作业模式即属于此类，如下图所示，从图中可以清楚地看出采用的是VermaatTechnics B.V.公司的“Veraweld”双炬焊接站。

荷兰HMC公司的DCV Balder号深水建造船所配备的“Veraweld”双炬焊接站

海洋管线焊接维修设备的应用

受环境的影响，水下管道焊接维修过程复杂、难度大、维修精度低，因此到目前为止，已经工程化的水下维修设备较少，仅有水下干式焊接维修技术。水下干式高压焊接维修技术适用范围广，技术含量高，维修速度快，安全可靠，维修质量高，并且修复后的管道完整性好。国际上，水下干式高压焊接维修技术已趋于成熟。在国内，海洋石油工程股份有限公司承担的国家863计划“水下干式管道维修系统”重大专项课题已研制成功，并已在依托工程中获得成功应用。干式舱体是基于舱架一体结构型系统，由内外舱体、脐带、液压系统、供气系统、配电系统、摄像监控系统、通信系统组成，如下图所示。

海底管道干式焊接维修系统

利用水下干式焊接维修设备机械水下管道维修时，如果管道损伤较小，可以进行不停产维修，此时应对破损点进行必要的临时封堵，上下游应采取一定的降压措施。然后利用水下高压吹泥设备将海管破损点左右各吹出8～10m长的维修作业段，该作业段长度应满足管道水下切割和干式维修舱的作业需要。如果跨度太大，应对海管用沙袋进行支撑。

维修作业段吹泥完毕后，需要进行管道表面的处理，对于单层管带配重层的海底管道，首先利用水下金刚石锯沿海管环向将混凝土配重层切开约0.5m的开口，然后利用液压铲清除配重层和防腐层。对于双重保温原油管道，则需剥离外管，并清除内外管之间的聚氨酯泡沫保温层。管道表面处理完毕后，操作人员需通过Seaking DFP声呐系统、水下电视监控系统以及DGPS系统引导干式舱H形框架就位于待修管道上，然后利用H形框架上的液压位置微调系统使干式舱本体与管道实现精确定位。关闭舱门后通过橡胶密封圈泄漏点两端的管道实施密封操作，然后向舱内充入略大于水深压力的高压气体将水排出，形成稳定的高压干式环境，并在干式舱内由潜水焊工在海管上焊接一个开孔封堵三通，并进行试压检测。将干式舱充水并移位至破损点右侧5m处，重新进行上述作业，直至完成作业。撤离干式舱，利用破损点左、右各5m处的焊接三通，在水下实施湿式开孔封堵作业。

当管道发生严重损伤或断裂时，只能进行停产维修，维修前的吹泥准备工作与局部损伤维修作业时相同。针对海洋管道的损伤情况考虑替换段预制的尺寸，并在水上预制一段相应长度的新管段。干式舱就位后，在干式舱内的潜水人员对管道进行组对，并按照批准的焊接程序进行水下干式高压焊接。焊接完成后利用UT或磁粉法进行高压焊缝的NDT检验。检验合格后对管道进行必要的防腐处理。修复完成后，利用与干式舱就位相反的步骤，回收干式舱系统，并按照业主要求及管道实际运营情况对修复后的整条管道进行试压，记录结果。海管整体试压合格后，对作业区域用沙袋回填、恢复，以防海水冲刷造成海洋管道的振动或局部受力过大而造成新的损坏。