深水油氣田“咽喉”焊接設備實現國產制造

陳曦

記者近日從海洋石油工程股份有限公司（以下簡稱海油工程）獲悉，深水油氣田開發的“咽喉”設備——深水鋼懸鏈線立管（SCR）的制造技術有了重大突破。由海油工程牽頭研發的首套國產SCR全自動焊焊接設備完成海試，具備工程項目應用條件，標志著我國自主掌握了SCR全自動焊焊接設備制造及施工技術，對實現高水平科技自立自強、保障國家能源安全具有重要意義。

深水立管一端連接浮式生產平臺，一端連接水下設備，是海底油氣從水下輸送到浮式生產平臺的關鍵通道。

SCR是深水立管的一種形式，一般用于水深1500米以上的深水油氣田。SCR的適配性非常強，目前已被成功應用于張力腿平臺、半潛平臺、浮式生產系統和浮式生產儲運系統，適用現有任何浮式結構，水深已超過3000米。

“SCR取代了傳統的柔性立管和頂張力立管，成為深水開發的首選立管形式，目前被認為是降低深水立管系統成本的有效解決方案。”海油工程設計院總工程師李懷亮對科技日報記者說。

不過SCR在制造的過程中難度極大。它由一條條特制鋼管焊接而成，矗立于復雜多變的深海中，需要在涌浪等極端海況持續沖擊下安全工作20年甚至更長時間，對焊接技術要求極為嚴苛。

“全自動焊接具有焊接效率高、焊接質量好等諸多優勢，成為SCR焊接裝備技術攻關的前沿方向。”海油工程設計院焊接實驗室經理李黎霞介紹說，但一直以來，國際上SCR全自動焊焊接裝備和焊接技術都掌握在少數國際公司手中，制約了我國SCR高效鋪設裝備技術自主化發展步伐。

為了更加準確、全面了解當前國際上SCR鋪設技術情況，海油工程的科研團隊收集了國內外20余個項目資料，整理了百余份焊接工藝，組織科研力量進行分析論證。同時，基于大量的國外公司施工經驗和焊接數據，于2022年初進行了前期的全自動焊方案設計和工藝優選，同時還組織團隊進行硬件設備系統研發、功能集成調試等工作。

“SCR的焊接難度非常大，首先就需要一副好‘骨架’——特質的鋼管。”李黎霞說。

由于鋼懸鏈線立管由很多段標準長度的鋼管焊接形成，它集海底管線與立管于一身，上端通過柔性接頭自由懸掛在平臺外側，立管在重力作用下自由垂放在海底呈懸鏈線狀，下端與海底生產系統相連，無需海底應力接頭或柔性接頭的連接，大大降低了水下施工難度和施工量。

與柔性立管、頂部張力立管相比，鋼懸鏈線立管結構形式簡單、成本低，無須頂張力補償，對浮體的漂移運動和升沉運動的適應能力強，適用于高溫高壓的環境。

此外，SCR還需要技藝高超的 “接骨師”——SCR焊接設備。

“由于深海浮式結構在風、浪、流作用下將產生較大漂移運動，管道反復折彎，使得SCR立管系統在服役期間，承受了巨大極限載荷與平臺運動及渦機振動所產生的交變荷載。”項目負責人孫有輝指出，同時焊縫區域存在的幾何突變容易形成應力集中，致使其焊縫容易產生嚴重的斷裂危險和疲勞失效的問題，這對SCR來說是致命的。“因此對焊縫的性能和焊接的技術提出了極高的要求。”孫有輝說。

為解決這些難題，中國海油聯合國內設備廠家，啟動SCR全自動焊焊接設備研制工作。組織專家深入研究硬件結構和配套系統，成功完成模型構建、軟件編程等工作。

在設備樣機功能集成調試、現場試焊階段，項目團隊反復研究，持續摸索，打破陸地管線焊接設備研制慣性思維，優化焊接工藝，通過拉、彎、沖、硬度、斷裂韌性試等十一類多達上百次試驗，不斷優化焊接參數，使設備性能和焊接質量達到國際行業標準，為海上測試奠定了堅實基礎。

與此同時，項目歷時兩年，科研團隊相繼完成焊接數據庫開發、環焊縫性能評價等工作，初步形成了整套SCR焊接技術能力。

“由于海上高溫，濕度大，鹽度大，對設備提出了耐高溫、耐鹽污水腐蝕的要求。”孫有輝介紹，為保證設備的可靠性，2023年9月11日，“海洋石油201”船搭載我國自主研發制造的SCR自動焊焊接設備進行海上試驗，20天內完成50道焊縫的焊接與檢測，合格率達到100%。

目前，該SCR自動焊焊接設備已具備工程項目應用條件，標志著中國海油完全自主掌握了基于國產化管材和國產設備的SCR焊接工藝和檢驗技術，完全具備了自主進行SCR鋪設的技術能力。