深水油气田“咽喉”焊接设备实现国产制造

◎本报记者 陈 曦

记者近日从海洋石油工程股份有限公司（以下简称海油工程）获悉，深水油气田开发的“咽喉”设备——深水钢悬链线立管（SCR）的制造技术有了重大突破。由海油工程牵头研发的首套国产SCR全自动焊焊接设备完成海试，具备工程项目应用条件，标志着我国自主掌握了SCR全自动焊焊接设备制造及施工技术，对实现高水平科技自立自强、保障国家能源安全具有重要意义。

连接海上生产平台和海底油气的关键设备

深水立管一端连接浮式生产平台，一端连接水下设备，是海底油气从水下输送到浮式生产平台的关键通道。

SCR是深水立管的一种形式，一般用于水深1500米以上的深水油气田。SCR的适配性非常强，目前已被成功应用于张力腿平台、半潜平台、浮式生产系统和浮式生产储运系统，适用现有任何浮式结构，水深已超过3000米。

“SCR取代了传统的柔性立管和顶张力立管，成为深水开发的首选立管形式，目前被认为是降低深水立管系统成本的有效解决方案。”海油工程设计院总工程师李怀亮对科技日报记者说。

不过SCR在制造的过程中难度极大。它由一条条特制钢管焊接而成，矗立于复杂多变的深海中，需要在涌浪等极端海况持续冲击下安全工作20年甚至更长时间，对焊接技术要求极为严苛。

“全自动焊接具有焊接效率高、焊接质量好等诸多优势，成为SCR焊接装备技术攻关的前沿方向。”海油工程设计院焊接实验室经理李黎霞介绍说，但一直以来，国际上SCR全自动焊焊接装备和焊接技术都掌握在少数国际公司手中，制约了我国SCR高效铺设装备技术自主化发展步伐。

特质钢管和焊接设备缺一不可

为了更加准确、全面了解当前国际上SCR铺设技术情况，海油工程的科研团队收集了国内外20余个项目资料，整理了百余份焊接工艺，组织科研力量进行分析论证。同时，基于大量的国外公司施工经验和焊接数据，于2022年初进行了前期的全自动焊方案设计和工艺优选，同时还组织团队进行硬件设备系统研发、功能集成调试等工作。

“SCR的焊接难度非常大，首先就需要一副好‘骨架’——特质的钢管。”李黎霞说。

由于钢悬链线立管由很多段标准长度的钢管焊接形成，它集海底管线与立管于一身，上端通过柔性接头自由悬挂在平台外侧，立管在重力作用下自由垂放在海底呈悬链线状，下端与海底生产系统相连，无需海底应力接头或柔性接头的连接，大大降低了水下施工难度和施工量。

与柔性立管、顶部张力立管相比，钢悬链线立管结构形式简单、成本低，无须顶张力补偿，对浮体的漂移运动和升沉运动的适应能力强，适用于高温高压的环境。

此外，SCR还需要技艺高超的 “接骨师”——SCR焊接设备。

“由于深海浮式结构在风、浪、流作用下将产生较大漂移运动，管道反复折弯，使得SCR立管系统在服役期间，承受了巨大极限载荷与平台运动及涡机振动所产生的交变荷载。”项目负责人孙有辉指出，同时焊缝区域存在的几何突变容易形成应力集中，致使其焊缝容易产生严重的断裂危险和疲劳失效的问题，这对SCR来说是致命的。“因此对焊缝的性能和焊接的技术提出了极高的要求。”孙有辉说。

为解决这些难题，中国海油联合国内设备厂家，启动SCR全自动焊焊接设备研制工作。组织专家深入研究硬件结构和配套系统，成功完成模型构建、软件编程等工作。

在设备样机功能集成调试、现场试焊阶段，项目团队反复研究，持续摸索，打破陆地管线焊接设备研制惯性思维，优化焊接工艺，通过拉、弯、冲、硬度、断裂韧性试等十一类多达上百次试验，不断优化焊接参数，使设备性能和焊接质量达到国际行业标准，为海上测试奠定了坚实基础。

与此同时，项目历时两年，科研团队相继完成焊接数据库开发、环焊缝性能评价等工作，初步形成了整套SCR焊接技术能力。

“由于海上高温，湿度大，盐度大，对设备提出了耐高温、耐盐污水腐蚀的要求。”孙有辉介绍，为保证设备的可靠性，2023年9月11日，“海洋石油201”船搭载我国自主研发制造的SCR自动焊焊接设备进行海上试验，20天内完成50道焊缝的焊接与检测，合格率达到100%。

目前，该SCR自动焊焊接设备已具备工程项目应用条件，标志着中国海油完全自主掌握了基于国产化管材和国产设备的SCR焊接工艺和检验技术，完全具备了自主进行SCR铺设的技术能力。