海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人設(shè)計(jì)及選型研究

丁輝　張超　趙暕　邊守臣

摘? 要：針對(duì)鉆機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人在海洋鉆修機(jī)上應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，開展了海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人的設(shè)計(jì)選型、安裝方式及二層臺(tái)容量等基礎(chǔ)性的技術(shù)研究。該文立足海洋鉆修機(jī)的功能特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)空間、作業(yè)工況及作業(yè)安全等方面，提出了二層臺(tái)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式和安裝方式的設(shè)計(jì)及選型方法，采取固定式指梁和可調(diào)式指梁的自動(dòng)化二層臺(tái)設(shè)計(jì)解決了立根盒容量問題，并為海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人的研制提供了技術(shù)借鑒，為海洋鉆修機(jī)設(shè)計(jì)工作者深入開展二層臺(tái)機(jī)器人的研究指明了方向。

關(guān)鍵詞：海洋鉆修機(jī)? 二層臺(tái)機(jī)器人? 自動(dòng)化二層臺(tái)? 驅(qū)動(dòng)方式? 安裝方式

中圖分類號(hào)：TE928 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（b）-0001-03

Abstract： In view of the technical bottleneck of the application of the automatic pipe-handling of monkey-board of drilling rig on offshore drilling and workover rig， Basic technology research on design， type selection， installation mode and capacity of monkey-board of offshore drilling and workover rig has been carried out. This paper is based on the functional characteristics， structure space， working conditions and safety of offshore drilling and workover rig. The design and selection of driving mode and installation mode for automatic pipe-handling of monkey-board are presented. The design of automatic monkey-board with fixed finger beam and adjustable finger beam solves the problem of capacity of monkey-board. This paper provides a technical reference for the development of automatic pipe-handling of monkey-board of offshore drilling and workover rig， and points out the direction for further research of automatic pipe-handling of monkey-board for designers of offshore drilling and workover rig.

Key Words： Offshore drilling and workover rig; Automatic pipe-handling of monkey-board; Automatic monkey-board; Driving mode; Installation mode

隨著石油裝備自動(dòng)化和智能化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化抓管機(jī)、二層臺(tái)機(jī)械手、動(dòng)力貓道、鐵鉆工、頂驅(qū)等石油鉆井裝備得到了長足的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于陸地鉆機(jī)和鉆井船中，但由于海洋石油鉆修機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、安全環(huán)保、作業(yè)空間及作業(yè)工況等因素，給海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)自動(dòng)化裝備的研究與應(yīng)用帶來了一定的挑戰(zhàn)。

為解決海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人研究與應(yīng)用的瓶頸，中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部研究團(tuán)隊(duì)圍繞海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人的設(shè)計(jì)選型、安裝方式及二層臺(tái)容量和安全管卡的設(shè)計(jì)瓶頸等開展了技術(shù)研究，并提出了系列解決方案，為下一步海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)的研制與應(yīng)用打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

1? 工作原理和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

1.1 二層臺(tái)機(jī)器人工作原理

海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人主要由自動(dòng)化二層臺(tái)、二層臺(tái)機(jī)械手、液壓吊卡、氣動(dòng)卡瓦及集成控制系統(tǒng)等組成。海洋鉆修機(jī)起下鉆作業(yè)時(shí)，鉆具上端通過液壓吊卡和游車大鉤提升到二層臺(tái)以上位置，由鉆工將鉆具下端擺放到立根盒合適位置上，再由二層臺(tái)機(jī)械手將鉆具抓持住，液壓吊卡打開，由二層臺(tái)機(jī)械手將鉆具推扶至指梁中間，指梁門閂關(guān)閉。下鉆作業(yè)時(shí)，操作相反。

1.2 二層臺(tái)機(jī)械人環(huán)境技術(shù)指標(biāo)

工作環(huán)境溫度：-20℃～50℃;

工作環(huán)境相對(duì)濕度：10%～90%;

工作風(fēng)速：0～17.1m/s（7級(jí)風(fēng)）;

工作噪聲：≤80dBA。

1.3 二層臺(tái)機(jī)械人作業(yè)技術(shù)指標(biāo)

鉆具排放節(jié)拍：150s/柱（每柱19m）;

機(jī)械手運(yùn)行速度：≥0.2m/s;

機(jī)械手推扶力：不低于750N;

回轉(zhuǎn)角度：±90°;

臂架操作半徑：≥2000mm。

1.4 自動(dòng)化二層臺(tái)技術(shù)指標(biāo)

二層臺(tái)設(shè)計(jì)依據(jù)：API Spec 4F鉆井和修井井架、底座;

二層臺(tái)容根尺寸：滿足2-3/8''～3-1/2''、4"～5-1/2"排放要求和預(yù)留8-1/2″鉆鋌排放位置;

立根盒容量：滿足井下鉆具的排放要求或達(dá)到原二層臺(tái)85%以上自動(dòng)化二層臺(tái)應(yīng)滿足自動(dòng)化機(jī)械手安裝、運(yùn)動(dòng)及避讓和拆卸運(yùn)輸要求，二層臺(tái)猴臺(tái)滿足人、機(jī)共用要求。

2? 二層臺(tái)機(jī)器人設(shè)計(jì)及選型研究

2.1 驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)及選型研究

國內(nèi)外石油鉆機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人主要驅(qū)動(dòng)方式分為液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)式二層臺(tái)機(jī)器人采用低速大扭矩馬達(dá)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，能懸持大噸位鉆鋌和特殊管柱，通過液壓系統(tǒng)高精度比例節(jié)流調(diào)速閥、程序補(bǔ)償功能等措施，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡精確控制，實(shí)現(xiàn)立根準(zhǔn)確，整齊排放。電機(jī)驅(qū)動(dòng)式二層臺(tái)機(jī)器人采用防爆伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人沿猴臺(tái)滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)及通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手前后伸縮，電機(jī)驅(qū)動(dòng)式二層臺(tái)機(jī)器人采用自然風(fēng)冷、具有極高的平穩(wěn)性，完成速度與位置的精確控制[1]。

根據(jù)二層臺(tái)機(jī)器人現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)方式，結(jié)合海洋鉆修機(jī)的作業(yè)功能和作業(yè)工況要求，圍繞二層臺(tái)機(jī)器人的工作方式、邏輯控制、工作效率、工作精度及推扶和抓持力等方面進(jìn)行對(duì)比分析[2]，表1是二層臺(tái)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比表，給出海洋模塊鉆機(jī)和海洋修井機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式選型方案。

海洋模塊鉆機(jī)主要用于鉆井作業(yè)，井架高度為44～46m，一般使用5"～5-1/2"鉆具，三單根為一柱作業(yè)，鉆具型號(hào)比較單一、且鉆具較重，因此需要較大的夾持式/推扶式，推薦使用液壓驅(qū)動(dòng)式二層臺(tái)機(jī)器人。

海洋修井機(jī)主要用于修井作業(yè)，井架高度為29～33m，一般使用2-7/2"～3-1/2"鉆具，兩單根為一柱作業(yè)，鉆具較輕，因此液壓驅(qū)動(dòng)式和電機(jī)驅(qū)動(dòng)式二層臺(tái)機(jī)器人均可以在海洋修井機(jī)上應(yīng)用。

2.2 安裝方式設(shè)計(jì)及選型研究

國內(nèi)外石油鉆機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人的安裝方式一般分為置頂式、懸掛式及固定抓持式。固定抓持式主要是安裝于井架主體結(jié)構(gòu)上或鉆臺(tái)上，通過液壓驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)立柱的抓持移運(yùn)，但需要較大的作業(yè)空間，因此適用于鉆井船或大型超深鉆機(jī)。置頂式和懸掛式主要安裝于井架二層臺(tái)上，沿二層臺(tái)的猴臺(tái)前后滑移，實(shí)現(xiàn)對(duì)立柱的推扶移運(yùn)，結(jié)構(gòu)比較緊湊，因此應(yīng)用于ZJ40以下鉆機(jī)或修井機(jī)。

根據(jù)海洋鉆修機(jī)井架的結(jié)構(gòu)承重、作業(yè)空間及作業(yè)工況等要求，該文僅對(duì)置頂式和懸掛式海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行選型分析，表2是二層臺(tái)機(jī)器人安裝方式分析表。

鑒于以上分析，置頂式二層臺(tái)機(jī)器人可以通過設(shè)計(jì)縱橫向?qū)к壔蜓娱L導(dǎo)軌的方式解決二層臺(tái)機(jī)器人的避讓問題，解決人、機(jī)共用的問題，懸掛式二層臺(tái)機(jī)器人需要在二層臺(tái)下方懸掛維修平臺(tái)解決檢維修問題，因此置頂式和懸掛式兩種安裝方式均可在二層臺(tái)機(jī)器人的樣機(jī)研制中開展進(jìn)一步深入設(shè)計(jì)。

2.3 自動(dòng)化二層臺(tái)設(shè)計(jì)及選型研究

為了滿足二層臺(tái)機(jī)器人作業(yè)回轉(zhuǎn)半徑、排管精確度、鉆具安全排放及鉆修機(jī)立根盒容量等要求，因此自動(dòng)化二層臺(tái)設(shè)計(jì)既要滿足機(jī)器人精準(zhǔn)排管要求，又要滿足排管容量和安全固定要求。

為滿足二層臺(tái)機(jī)器人精準(zhǔn)排管設(shè)計(jì)，需保證二層臺(tái)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡和機(jī)械手推扶軌跡能夠精準(zhǔn)排放到二層臺(tái)的指梁中，因此需要考慮自動(dòng)化二層臺(tái)指梁的剛度和安裝精度，二層臺(tái)指梁的安裝精度至少保持在±2/1000mm，二層臺(tái)指梁的一般采用70mm×100mm矩形鋼，安裝方式為固定連接。

由于二層臺(tái)機(jī)器人作業(yè)回轉(zhuǎn)半徑要求導(dǎo)致二層臺(tái)指梁較原設(shè)計(jì)變短，且采用固定式二層臺(tái)指梁設(shè)計(jì)，導(dǎo)致自動(dòng)化二層臺(tái)排管容量較原二層臺(tái)減少，且海洋鉆修機(jī)一般為叢式井，井下鉆具型號(hào)從2-7/8"～3-1/2"，作業(yè)期間可能動(dòng)用4-1/2"～5"鉆具，因此排管容量設(shè)計(jì)將是自動(dòng)化二層臺(tái)設(shè)計(jì)的主要瓶頸。為了解決此設(shè)計(jì)瓶頸，需開展平臺(tái)井下鉆具綜合性調(diào)研分析，一方面通過降容方式，將自動(dòng)化二層臺(tái)設(shè)計(jì)為固定式指梁;另一方面通過機(jī)械調(diào)距方式，將自動(dòng)化二層臺(tái)設(shè)計(jì)為可調(diào)式指梁。

固定式指梁的自動(dòng)化二層臺(tái)適用于井下鉆具和作業(yè)鉆具的外形尺寸變化不大的海洋鉆修機(jī)，根據(jù)海洋鉆修機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]和平臺(tái)實(shí)際井深尺寸，推薦固定式指梁自動(dòng)化二層臺(tái)排管降容比見表3。

可調(diào)式指梁的自動(dòng)化二層臺(tái)適用于鉆具尺寸變化較大的海洋鉆修機(jī)，可調(diào)式指梁的自動(dòng)化二層臺(tái)主要通過更換二層臺(tái)指梁橇或通過機(jī)械螺桿調(diào)節(jié)二層臺(tái)指梁。推薦可調(diào)試自動(dòng)化二層臺(tái)調(diào)節(jié)范圍分為兩檔：第一檔適用于2-7/8"～3-1/2"鉆具，第二檔適用于3-1/2"～5-1/2"鉆具。

3? 配套方案設(shè)計(jì)研究

3.1 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)研究

海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)具有良好的人機(jī)交互界面，二層臺(tái)機(jī)械手、自動(dòng)化二層臺(tái)、液壓吊卡、氣動(dòng)卡瓦等可由一人獨(dú)立操作，既具備一鍵式操作，又同時(shí)具備步進(jìn)式操作。控制系統(tǒng)應(yīng)具有畫面顯示功能，具有顯示機(jī)械手位置、回轉(zhuǎn)角度、機(jī)械臂架操作距離等關(guān)鍵參數(shù)顯示，同時(shí)具備參數(shù)設(shè)置、故障診斷、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及報(bào)警查詢功能。

3.2 安全方案的設(shè)計(jì)要求

海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人與游動(dòng)系統(tǒng)高度、二層臺(tái)機(jī)械手與液壓吊卡、二層臺(tái)機(jī)械手與自動(dòng)化二層臺(tái)指梁鎖之間應(yīng)具備安全互鎖功能。

自動(dòng)化二層臺(tái)應(yīng)考慮井架工和后期維修的作業(yè)安全要求，包括防護(hù)欄桿和安全帶懸掛點(diǎn)等。自動(dòng)化二層臺(tái)指梁上應(yīng)設(shè)置安全卡簧和指梁鎖，以防止鉆具傾倒。游動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)考慮防擺幅設(shè)計(jì)和防墜落設(shè)計(jì)。

3.3 配套設(shè)備的設(shè)計(jì)

海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人還應(yīng)配套其他附屬設(shè)備一并使用，如液壓吊卡、氣動(dòng)卡瓦等。液壓吊卡選型為側(cè)開式，額定工作壓力14MPa，翻轉(zhuǎn)角度滿足從垂直向前90°翻轉(zhuǎn)，通過更換襯套體適用于2-7/8"～4-1/2"管柱。氣動(dòng)卡瓦適用卡持管柱范圍2-7/8"～4-1/2"，最大設(shè)計(jì)載荷依據(jù)鉆修機(jī)最大提升載荷選定，氣源工作壓力0.6～1MPa。

4? 結(jié)語

通過開展海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式、安裝方式、自動(dòng)化二層臺(tái)及配套方案等關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出了二層臺(tái)機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)、初步設(shè)計(jì)方案和推薦選型方案，為海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)機(jī)器人的研制提供了技術(shù)借鑒，同時(shí)為海洋鉆修機(jī)設(shè)計(jì)工作者深入開展二層臺(tái)機(jī)器人的研究指明了方向，有助于推動(dòng)了海洋鉆修機(jī)自動(dòng)化、數(shù)字化裝備的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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