海上模塊鉆機新型管子處理機器人的研制*

楊向前 周 超 劉 健 曹振波

（1.中海油研究總院有限責任公司 北京 100028； 2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司 遼寧沈陽 110168）

模塊鉆機是海上鉆完井作業(yè)重要裝備，其作業(yè)效率直接影響到鉆完井作業(yè)時效，而模塊鉆機對鉆桿、套管等的處理效率是影響鉆完井綜合作業(yè)效率的關鍵因素。以鉆桿處理為例，據(jù)統(tǒng)計接單根時間占總鉆井時間的12%～20%。

在海上鉆井過程中，管子一般在主甲板上水平排放；而管子通過轉(zhuǎn)盤下入井中時是豎直狀態(tài)。管子從水平到豎直狀態(tài)的轉(zhuǎn)換在常規(guī)作業(yè)中需要通過平臺吊機、模塊鉆機的鉆臺面小絞車、頂驅(qū)的配合實現(xiàn)，需要平臺吊機司機、甲板工、鉆工、司鉆等多工種參與，這是一個重復性高且勞動強度較大的工作流程。人工進行鉆桿、套管、鉆鋌等管子輸送和起下操作不僅作業(yè)效率低，而且還有勞動強度大、安全風險高、操作環(huán)境差等問題［1-2］。

同時，海上鉆井朝著深水、深井、大位移井等方向發(fā)展，高昂的作業(yè)成本和船舶日費也對作業(yè)效率提出了更高的要求，因此，鉆井設備的自動化成為必然趨勢［3］，自動化裝置的使用可有效縮短鉆井周期，并可減輕工人的勞動強度［4］。

管子處理裝置作為鉆機自動化系統(tǒng)的重要組成部分，其自動化的發(fā)展尤為關鍵［5-7］。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前國外已有多種管子處理裝置問世與應用，主要有機械固定式、液壓舉升式、機械臂式等3種類型［8］。其中，機械固定式管子處理裝置的典型代表是North Rig公司的C16型設備，其自動化程度較低，適用于小型鉆機／修井機；液壓舉升式管子處理裝置的典型代表是CANRIG公司的Power CAT，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、占地面積和重量較高［9］；機械臂式管子處理裝置常用于海上平臺，在輸送過程中整個裝置需要整體隨管子起升，其掃過的面積也較大，存在控制要求高、裝配復雜等特點，比較典型的有Varco公司的V-Door Machine、Pipe Laydown System、Stand Hand，MH公司的Eagle／Eagle light等［10］。

本文針對國外公司同類產(chǎn)品在模塊鉆機應用中存在的問題進行了改進，以機械臂式管子處理裝置為基礎，研制了新型管子處理機器人，采用ANSYS軟件對關鍵零部件進行了安全性和可靠性分析，并通過樣機試驗對其作業(yè)效率進行了分析，結(jié)果表明本文研制的管子處理機器人進行起下鉆作業(yè)安全穩(wěn)定，能夠極大提高鉆完井作業(yè)時效，可滿足模塊鉆機海上作業(yè)要求。

1 機構(gòu)原理

正常鉆進、下鉆時管子處理機器人需要將管子堆場貓道上水平排放的管子抓取、翻轉(zhuǎn)成豎直狀態(tài)并移到井口，起鉆時管子處理機器人需要將井口的管子抓取、翻轉(zhuǎn)成水平狀態(tài)并放置到貓道上。為了鉆叢式井，海上模塊鉆機的DES（鉆井設備模塊）和DSM（鉆井支持模塊）之間有相對移動，因此管子處理機器人和管子堆場貓道相對位置會發(fā)生變化。因此，設計出的管子處理機器人總共有7個自由度，分別為Ⅰ軸轉(zhuǎn)動、Ⅱ軸主臂擺動、Ⅲ軸翻轉(zhuǎn)座擺動、Ⅳ軸內(nèi)臂擺動、Ⅴ軸外臂擺動、Ⅵ軸扼梁擺動和Ⅶ軸扼梁旋轉(zhuǎn)，具體分布如圖1所示。

圖1 海上模塊鉆機新型管子處理機器人機構(gòu)原理圖Fig.1 Struture principle of new pipe handling robot for offshore modular drilling rig

當鉆井平臺移動時，管子處理機器人與鉆機管子堆場貓道相對位置發(fā)生變化，Ⅰ軸可帶動機器人整體轉(zhuǎn)動，調(diào)整臂頭對準貓道處待處理的管子，該功能可以適應機器人平面范圍內(nèi)位置變化引起的抓管位置變化。Ⅱ軸擺動可帶動主臂實現(xiàn)俯仰角度變化，調(diào)整機器人的大致工作幅度。Ⅲ軸轉(zhuǎn)動可以調(diào)整副臂的整體姿態(tài)，實現(xiàn)取桿、送桿工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。Ⅳ軸與Ⅴ軸的協(xié)調(diào)運動共同確定了扼梁精準位置。此外，扼梁還可通過Ⅵ軸、Ⅶ軸進行2個平面的角度調(diào)整。

管子處理機器人采用內(nèi)翻式結(jié)構(gòu)，即主臂采用中間開放結(jié)構(gòu)，副臂可通過主臂空間對管子直接進行抓取，避免了通過整體轉(zhuǎn)動來獲得抓取位置與工作位置的切換，有效提升了工作效率。

管子處理機器人將管子從堆場移到井口的工作過程如下：

1）管子移運裝置將管子抬至貓道處的V形支架上，為抓取工作提前準備。管子處理機器人主臂變幅，使主臂角度變小，同時副臂收縮，隨翻轉(zhuǎn)座整體向主臂翻轉(zhuǎn)，并穿過主臂內(nèi)部空間。當主臂角度與平臺表面接近平行，同時副臂協(xié)同運動使管子抓放總成對準貓道處的管子，經(jīng)管子抓放總成自身調(diào)整后使兩個管子夾爪軸線與管子平行，然后對管子實施抓取。

2）完成管子抓取工作以后，主臂變幅，角度變大，同時副臂協(xié)同運動使被抓取的管子從主臂內(nèi)部空間穿過并不斷調(diào)整管子姿態(tài)，使其最后豎直放置在工作位置上。

3）當管子被抓取至工作位置以后，還需進行精確的位置調(diào)整，使其對準下方的鉆柱和上方的頂驅(qū)裝置，對準以后管子抓放總成扶持夾爪夾緊，抓取夾爪松開，管子處理機器人對管子起到扶持作用，然后由下部鐵鉆工和上部頂驅(qū)分別對該管子兩端進行連接，至此管子處理機器人完成全部工作（圖2）。

圖2 海上模塊鉆機新型管子處理機器人工作狀態(tài)示意圖Fig.2 Sketch map of the working status of the new pipe handling robot for offshore modular drilling rig

2 結(jié)構(gòu)設計

管子處理機器人由主臂基座、主臂、翻轉(zhuǎn)座（屬副臂）、內(nèi)臂（屬副臂）、外臂（屬副臂）和管子抓放總成等6個部分組成，如圖3所示。

圖3 海上模塊鉆機新型管子處理機器人的結(jié)構(gòu)組成Fig.3 Structure composition of the new pipe handling robot for offshore modular drilling rig

管子處理機器人主臂采用箱型雙臂結(jié)構(gòu)形式，中間空間開放。翻轉(zhuǎn)座在III軸油缸的推動下可繞III軸帶動副臂整體旋轉(zhuǎn)，副臂可穿過主臂內(nèi)部空間，為管子的舉升提供通道。

管子處理機器人副臂采用串聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)型式，其與主臂系統(tǒng)相對獨立，能夠單獨完成抓取動作。副臂由翻轉(zhuǎn)座、內(nèi)臂、外臂等3個部分組成，其中翻轉(zhuǎn)座可帶動副臂整體翻轉(zhuǎn)；內(nèi)臂與外臂的協(xié)調(diào)運動共同保證了管子抓放總成與管子的相對位置，實現(xiàn)機器人順利抓取。副臂與主臂的配合運動完成了管子的舉升工作。

管子處理機器人管子抓放總成是管子抓取部件，由扼梁及相關工作部件組成。裝置兩端設置2個抓取夾爪，抓取夾爪在自身油缸的作用下可實現(xiàn)開合動作，實現(xiàn)對管子的夾緊和脫離。在管子抓放總成一側(cè)設置有一套扶持夾爪，在鉆井平臺連接兩根管子時，扶持夾爪保證了兩根管子的準確對接，并且管子在扶持夾爪滾輪的作用下可自由轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)兩根管子的螺紋連接，具體結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

管子抓放總成在Ⅵ軸油缸的帶動下可繞Ⅵ軸旋轉(zhuǎn)，在豎直平面上調(diào)整角度，通過Ⅶ軸與副臂外臂連接可實現(xiàn)裝置的水平角度調(diào)整，保證了2個夾爪軸線與管子軸線不平行時能夠通過改變角度完成抓取工作。

圖4 海上模塊鉆機新型管子處理機器人管子抓放總成結(jié)構(gòu)機構(gòu)組成及工作原理圖Fig.4 Structure composition and operation principle of the new pipe handling robot assembly for offshore modular drilling rig

圖5 海上模塊鉆機新型管子處理機器人基座受力分析結(jié)果Fig.5 Analysis result of the base of the new pipe handling robot for offshore modular drilling rig

3 材料優(yōu)選

3.1 基座材料

基座為整套管子處理機器人的非運動部件，是管子機器人運動部件和平臺甲板的連接點，因此受力狀況最為惡劣。

圖5為基座受力分析結(jié)果圖，可以看出基座承受的最大應力為388.8 MPa。根據(jù)《機械設計手冊》［11］要求，機架安全系數(shù)應該取1.5以上，則基座材料屈服強度至少為583.2 MPa。

針對基座的設計要求，考慮使用材料Q235、Q345或者HG785D，這3種材料的性能見表1。由表1數(shù)據(jù)可以看出，HG785D材料可滿足基座屈服強度需求，因此基座材料選擇HG785D。

表1 Q235、Q345和HG785D材料性能Table1 Performance of Q235，Q345 and HG785D material

3.2 主臂材料

主臂與基座相連，是整套管子處理機器人中結(jié)構(gòu)最大的部件。圖6為主臂受力分析結(jié)果圖，可以看出主臂承受的最大應力為166.2 MPa，若安全系數(shù)取1.5以上，則主臂材料屈服強度至少為249.75 MPa。由表1可知，材料Q345和HG785D均可滿足主臂強度要求，但綜合考慮材料成本，最終主臂材料選擇Q345。

圖6 海上模塊鉆機新型管子處理機器人主臂受力分析結(jié)果Fig.6 Analysis result of the main arm of the new pipe handling robot for offshore modular drilling rig

3.3 外臂材料

外臂與管子抓放總成直接相連，其強度直接影響到抓管的穩(wěn)定性。圖7為外臂受力分析結(jié)果圖，可以看出外臂承受的最大應力為154.4 MPa，若安全系數(shù)取1.5以上，則主臂材料屈服強度至少為231.6 MPa。由表1可知，材料Q345和HG785D均可滿足外臂強度要求，但綜合考慮材料成本，最終外臂材料選擇Q345。

圖7 海上模塊鉆機新型管子處理機器人外臂受力分析結(jié)果Fig.7 Analysis result of the external arm of the new pipe handling robot for offshore modular drilling rig

4 工作時效分析

4.1 工作節(jié)拍分析

根據(jù)本文研制的新型管子處理機器人工作節(jié)拍（表2），單程工作時間不超過10 s，配合鐵鉆工作業(yè)處理單根管子的總時間約為69 s（含上卸扣時間）。按照單根管子長度為10 m估算，管子處理機器人的起下鉆速度可以達到520 m／h左右。據(jù)統(tǒng)計，當前海上常規(guī)模塊鉆機起下鉆速度裸眼段為250～350 m／h、套管段為450 m／h，因此本文研制的新型管子處理機器人起下鉆速度相比常規(guī)模塊鉆機可提高15%以上。

表2 海上模塊鉆機新型管子處理機器人工作節(jié)拍Table2 Work cycle of the new pipe handling robot for offshore modular drilling rig

同時，管子處理機器人進行抓管操作時可同步進行管子移運（將管子從管子堆場移運到貓道上待用，或?qū)⒇埖郎系墓茏右七\至管子堆場）、頂驅(qū)不占用井口提升（或下降）等操作，可進一步提高管子處理的工作效率。

4.2 樣機試驗

為了驗證本文研制的新型管子處理機器人的工作時效，試制了管子處理機器人的原理樣機，如圖8所示。原理樣機模型比例為1∶50，各軸采用電機驅(qū)動，通過限位開關來約束電機行程。

圖8 海上模塊鉆機新型管子處理機器人原理樣機Fig.8 Prototype picture of the new pipe handling robot for offhsore modular drilling rig

將管子處理機器人動作分為4個試驗步驟：①管子處理機器人從中間位置下探，至管子堆場處抓取0.2 m長模擬鉆桿；②管子抓放總成回轉(zhuǎn)聯(lián)動，將鉆桿送至井口；③鐵鉆工上扣后，抓管扼打開；④管子處理機器人回到中間位置。根據(jù)以上步驟對動作時間進行計量，50次有效抓管動作消耗時間的計量平均數(shù)據(jù)見表3，與理論時間數(shù)據(jù)對比情況見圖9。

表3 海上模塊鉆機新型管子處理機器人原理樣機試驗數(shù)據(jù)Table3 Prototype test of the pipe handling robot manufactured in this paper

圖9 海上模塊鉆機新型管子處理機器人動作時間理論數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比Fig.9 Comparison between theoretical data and prototype test data of the new pipe handling robot for offshore modular drilling rig

根據(jù)樣機試驗數(shù)據(jù)，新型管子處理機器人完成一套抓管動作平均耗時67.6 s，與理論設計數(shù)據(jù)69 s基本吻合，并略有降低，分析其原因為：①步驟3中鐵鉆工上卸扣速度對管子處理機器人工作時間影響較大，樣機試驗適當考慮抹絲扣油等輔助動作的時間，導致其耗時略高；②步驟4中管子處理機器人的中間位置確定，對整體工作時間有影響，在樣機試驗時管子機器人為連續(xù)動作，減少了其中間位置的啟停所消耗的時間，因此其耗時與理論數(shù)據(jù)相比略有降低。

綜合樣機試驗數(shù)據(jù)，新型管子處理機器人完成1套抓管動作平均耗時約67.6 s，以此估算其起下鉆速度可以達到520 m／h以上，與理論設計工作節(jié)拍數(shù)據(jù)基本吻合。同時，從原理樣機模仿現(xiàn)場起下鉆作業(yè)進行管子輸送試驗結(jié)果可以看出，該原理樣機可以順利地完成管子抓取、翻轉(zhuǎn)、移動等動作，整個管子輸送過程平穩(wěn)、快速，證明了本文研制的新型管子處理機器人可以正常工作，對老平臺液壓鉆機改造具有指導意義。

5 結(jié)論

以機械臂式管子處理裝置為基礎，研制了一種海上模塊鉆機新型管子處理機器人，該機器人共包含7個自由度，主要由主臂基座、主臂、翻轉(zhuǎn)座、內(nèi)臂、外臂和管子抓放總成等6個部分組成。利用ANSYS模擬計算優(yōu)選了新型管子處理機器人主要結(jié)構(gòu)材料，按照1∶50制作了原理樣機，樣機試驗起下鉆速度可達到520 m／h以上，可大幅提高鉆完井作業(yè)時效，滿足模塊鉆機海上作業(yè)要求，具有較好的應用價值。