深水油氣田“咽喉”焊接設(shè)備實現(xiàn)國產(chǎn)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(fā)的“咽喉”設(shè)備——深水鋼懸鏈線立管（SCR）的制造技術(shù)有了重大突破。由海油工程牽頭研發(fā)的首套國產(chǎn)SCR全自動焊焊接設(shè)備完成海試，具備工程項目應(yīng)用條件，標(biāo)志著我國自主掌握了SCR全自動焊焊接設(shè)備制造及施工技術(shù)，對實現(xiàn)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(chǎn)平臺，一端連接水下設(shè)備，是海底油氣從水下輸送到浮式生產(chǎn)平臺的關(guān)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(yīng)用于張力腿平臺、半潛平臺、浮式生產(chǎn)系統(tǒng)和浮式生產(chǎn)儲運系統(tǒng)，適用現(xiàn)有任何浮式結(jié)構(gòu)，水深已超過3000米。

“SCR取代了傳統(tǒng)的柔性立管和頂張力立管，成為深水開發(fā)的首選立管形式，目前被認(rèn)為是降低深水立管系統(tǒng)成本的有效解決方案。”海油工程設(shè)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(fù)雜多變的深海中，需要在涌浪等極端海況持續(xù)沖擊下安全工作20年甚至更長時間，對焊接技術(shù)要求極為嚴(yán)苛。

“全自動焊接具有焊接效率高、焊接質(zhì)量好等諸多優(yōu)勢，成為SCR焊接裝備技術(shù)攻關(guān)的前沿方向。”海油工程設(shè)計院焊接實驗室經(jīng)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(shù)都掌握在少數(shù)國際公司手中，制約了我國SCR高效鋪設(shè)裝備技術(shù)自主化發(fā)展步伐。

為了更加準(zhǔn)確、全面了解當(dāng)前國際上SCR鋪設(shè)技術(shù)情況，海油工程的科研團(tuán)隊收集了國內(nèi)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(jìn)行分析論證。同時，基于大量的國外公司施工經(jīng)驗和焊接數(shù)據(jù)，于2022年初進(jìn)行了前期的全自動焊方案設(shè)計和工藝優(yōu)選，同時還組織團(tuán)隊進(jìn)行硬件設(shè)備系統(tǒng)研發(fā)、功能集成調(diào)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(zhì)的鋼管。”李黎霞說。

由于鋼懸鏈線立管由很多段標(biāo)準(zhǔn)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(cè)，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(chǎn)系統(tǒng)相連，無需海底應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)能力強，適用于高溫高壓的環(huán)境。

此外，SCR還需要技藝高超的 “接骨師”——SCR焊接設(shè)備。

“由于深海浮式結(jié)構(gòu)在風(fēng)、浪、流作用下將產(chǎn)生較大漂移運動，管道反復(fù)折彎，使得SCR立管系統(tǒng)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(chǎn)生的交變荷載。”項目負(fù)責(zé)人孫有輝指出，同時焊縫區(qū)域存在的幾何突變?nèi)菀仔纬蓱?yīng)力集中，致使其焊縫容易產(chǎn)生嚴(yán)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(shù)提出了極高的要求。”孫有輝說。

為解決這些難題，中國海油聯(lián)合國內(nèi)設(shè)備廠家，啟動SCR全自動焊焊接設(shè)備研制工作。組織專家深入研究硬件結(jié)構(gòu)和配套系統(tǒng)，成功完成模型構(gòu)建、軟件編程等工作。

在設(shè)備樣機功能集成調(diào)試、現(xiàn)場試焊階段，項目團(tuán)隊反復(fù)研究，持續(xù)摸索，打破陸地管線焊接設(shè)備研制慣性思維，優(yōu)化焊接工藝，通過拉、彎、沖、硬度、斷裂韌性試等十一類多達(dá)上百次試驗，不斷優(yōu)化焊接參數(shù)，使設(shè)備性能和焊接質(zhì)量達(dá)到國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為海上測試奠定了堅實基礎(chǔ)。

與此同時，項目歷時兩年，科研團(tuán)隊相繼完成焊接數(shù)據(jù)庫開發(fā)、環(huán)焊縫性能評價等工作，初步形成了整套SCR焊接技術(shù)能力。

“由于海上高溫，濕度大，鹽度大，對設(shè)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(shè)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(fā)制造的SCR自動焊焊接設(shè)備進(jìn)行海上試驗，20天內(nèi)完成50道焊縫的焊接與檢測，合格率達(dá)到100%。

目前，該SCR自動焊焊接設(shè)備已具備工程項目應(yīng)用條件，標(biāo)志著中國海油完全自主掌握了基于國產(chǎn)化管材和國產(chǎn)設(shè)備的SCR焊接工藝和檢驗技術(shù)，完全具備了自主進(jìn)行SCR鋪設(shè)的技術(shù)能力。