海洋鉆修機二層臺排管系統(tǒng)優(yōu)化設計

李寶春，趙 暕，陳 俊，羅小昌＊

中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部鉆修井作業(yè)公司，天津

1. 引言

海洋鉆修機二層臺承載著鉆修井作業(yè)管柱排放存儲，承放鉆具等功能，海洋鉆修機二層臺距離海面超過60 m，二層臺上風速高，井架工勞動強度大、安全風險高，另外井架工安全逃生一直是困擾海洋鉆修機裝備技術管理人員的一個難題，近年來，隨著自動化技術的成熟和機械手產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，二層臺的排管系統(tǒng)解決了以上問題，但經(jīng)過長時間的使用和維護發(fā)現(xiàn)：海洋鉆修機常年矗立在采油平臺，設備維保及故障維修難度增加，同時考慮到環(huán)保要求，液壓式二層臺排管系統(tǒng)的高空飛油可能產(chǎn)生的海洋污染，且部分地區(qū)冬季氣溫達?25℃發(fā)生了液壓油乳化、設備反應不靈敏等現(xiàn)象。因此急需改進現(xiàn)有二層臺排管系統(tǒng)，滿足設備維修維護，且無污染的二層臺排管機構適用用于海洋石油平臺。

2. 目前二層臺排管系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

2.1. 機械手安裝位置

目前陸地與海洋鉆修機購置使用的二層臺機械手都為下置式安裝方式(圖1)，即安裝位置在猴臺下方，機械手臂排管動作在指梁下方完成，當設備故障后與人工操作不沖突[1]，由于海洋鉆修機井架常年不放倒，與車載型陸地鉆機不同，不便于設備保養(yǎng)與設備維修，且遇到卡阻無法進行其他作業(yè)。

2.2. 驅動方式

國內常規(guī)使用的二層臺機械手為液壓驅動方式，采用低速大扭矩馬達減速機驅動，能懸持大噸位鉆鋌和特殊管柱，氣動驅動指梁對立根一對一存儲，通過液壓系統(tǒng)增加高精度的比例節(jié)流調速閥，電控程序算法增加補償功能等措施，實現(xiàn)機器人多關節(jié)復合運動軌跡精確控制，控制系統(tǒng)使立根運動軌跡自動規(guī)劃[2]。但渤海地區(qū)處于低緯度地區(qū)，冬季最低溫度可達?25℃，在低溫狀態(tài)下液壓油容易發(fā)生乳化變質，機器人工作狀態(tài)也會發(fā)生延遲，可能導致排管路徑出現(xiàn)錯誤，且液壓驅動方式需額外增加液壓站與多條上井架的液壓管線，液壓管線無法進行固定，機器人體積較大，工作過程中容易發(fā)生管線掛管柱事故；檢修困難，液壓管線路徑多，閥體多，出現(xiàn)故障，檢修程序繁瑣，拆裝過程中容易高空散落液壓油，容易污染環(huán)境。

Figure 1. Upper-mounted robotic arm 圖1. 上置式機械手臂

2.3. 適用管柱范圍

目前海洋平臺二層臺指梁尺寸為3-1/2" (不可調節(jié))，有少量的井配置2-3/8 與4"～5-1/2"管柱[3]，設計方為滿足路徑精確設計為不可調節(jié)式指梁，但為滿足調整井作業(yè)需求，只能采取人工單根作業(yè)方式，進行鉆修井作業(yè)，速度慢，效率低，無法滿足常規(guī)作業(yè)時夾持范圍需要滿足2-3/8"～3-1/2"、4"～5-1/2"排放要求，并且二層臺未留有滿足擺放≤9-5/8"鉆鋌的位置的要求[4]。

2.4. 回轉角度與回轉半徑

經(jīng)過現(xiàn)場使用調研，國內廠商制造的二層臺排管系統(tǒng)設備多為半回轉與大回轉角度兩種，半回轉的設備回轉角度為180°回轉，半徑1.5～4.3 m；大回轉角度的設備回轉角度為±135°，回轉半徑為1.5～2.7 m。海洋鉆修機二層臺具有空間小，結構緊湊，限制空間多等特點，所以要求機器人安裝使用過程中保證回轉半徑及變幅范圍滿足作業(yè)需求，為達到人工與機械手在不同工況狀態(tài)下使用的轉換，要求機器人能夠在人工作業(yè)時保持避讓狀態(tài)；在自動狀態(tài)下能覆蓋全部二層臺指梁范圍而不需要任何人工參與；這就要求海洋鉆修機二層臺排管系統(tǒng)必須為360°全回轉角度，作業(yè)半徑為覆蓋全質量全立根承受范圍。

3. 海洋鉆修機二層臺排管系統(tǒng)設計要求

根據(jù)以上現(xiàn)有服役二層臺排管系統(tǒng)的設計中的缺陷項，設計一種可調指梁式二層臺上置安裝的排管系統(tǒng)，滿足海洋鉆修機特殊的結構特點及維修保養(yǎng)現(xiàn)狀和海洋環(huán)境的特點，必須滿足如下要求：

1) 猴臺上安裝方式，便于設備維修保養(yǎng)；

2) 采用全電驅驅動方式，減少液壓介質影響與多余管線設計

3) 可調節(jié)間距指梁，滿足不同管柱與鉆具要求；

4) 全回轉角度，作業(yè)半徑全覆蓋。

4. 海洋鉆修機二層臺排管系統(tǒng)優(yōu)化設計

4.1. 上置式機械手臂的設計

如圖2 所示，將二層臺排管系統(tǒng)的機械手臂設計為上置式(即安裝于猴臺上方)，通過齒輪齒條式滑移導軌進行前后滑移，通過旋轉機構進行回轉夾持，猴臺后方設置避讓平臺，在設備故障或者特殊作業(yè)情況下，機械手臂可避讓至避讓平臺，井架工登二層臺進行人工作業(yè)，機械手臂上置式安裝有如下設計優(yōu)點：

1) 無需放倒井架便可進行設備日常的維護保養(yǎng)與故障維修；

2) 所有螺栓采用緊固防松螺栓避免設備懸掛造成的高空落物；

3) 設備檢修或需要人工作業(yè)時，排管系統(tǒng)機械手臂可避讓至平臺，作業(yè)方式切換不沖突；

4) 拆裝方便，同型號鉆機可配置相同滑移導軌，互換性安裝。

Figure 2. Upper-mounted robotic arm 圖2. 上置式機械手臂

4.2. 電驅式驅動方式設計

以工業(yè)機器人控制技術為基礎，根據(jù)海洋作業(yè)環(huán)境特點(低溫度、高濕度、高鹽霧)，選用防爆型伺服電機驅動齒輪減速機構，減速機構輸出端為機械手臂。二層臺指梁鎖為小型防爆伺服電機驅動鎖銷開啟和關閉，全電驅驅動方式程序路徑實現(xiàn)存儲記憶，可設定多重自鎖、互鎖。有以下幾種特點：

1) 防爆電機作溫度范圍為?30℃～+50℃，適應海洋環(huán)境特點；

2) 避免高空(液壓式機械手)漏油的風險；

3) 結構集成程度高，控制精度高[5]；

4) 關聯(lián)線束簡單，無多余管線附帶，避免發(fā)生管線掛管柱事故。

4.3. 可調節(jié)指梁間距設計

可調節(jié)指梁間距的二層臺根據(jù)渤海地區(qū)常規(guī)作業(yè)時夾持范圍需要滿足2-3/8"～3-1/2"、4"～5-1/2"排放要求，設計為“3/4 排變間距指梁機構”(如圖3 所示)，每組指梁包含1 條固定指梁，2 條平移指梁和1條伺服翻轉指梁，每組指梁最大可排放4 排2-3/8"～3-1/2"管柱，當需要滿足排放4"～5-1/2"管柱時，采用伺服旋轉機構控制將可翻轉指梁抬起與下放，兩個平移指梁可根據(jù)管柱排放空間獨平移調節(jié)，變換成3排排放方式?？稍诩煽刂葡到y(tǒng)中遠程調控，精密計算指梁間距大小，二層臺共設置6 組“3/4 排變間距指梁機構(如圖4)?？勺兎秶訦XJ180 鉆修機為例，3 排方式排放管柱容量可達3"400 m，4 排方式排放管柱容量可達4500 m [6]。每根指梁設計立根鎖緊彈簧，防止管柱排放到位后發(fā)生滑移，二層臺前方設有鉆鋌擺放空間。可調節(jié)指梁間距設計有如下優(yōu)點；

1) 滿足了不同型號的管柱的排放需求；

2) 自動化調節(jié)指梁間距，減少人工翻轉作業(yè)；

3) 滿足鉆鋌擺放空間要求[7] [8]。

Figure 3. 3/4Variable spacing mechanism 圖3. 3/4 排變間距指梁機構

Figure 4. 3/4Variable spacing mechanism 圖4. 3/4 排變間距指梁機構

4.4. 回轉角度與回轉半徑設計

為達到人工與機器人在不同工況狀態(tài)下使用的轉換，要求機器人能夠在人工作業(yè)時保持避讓狀態(tài)；在自動狀態(tài)下能覆蓋全部二層臺指梁范圍而不需要任何人工參與；這就要求機器人必須設計為360°全回轉角度，采用圍欄式無限制圓周回轉減速機結構，可實現(xiàn)360°圓周回轉和減速動作，可承受較大的軸向力、徑向力和機械手臂的傾覆力，結構緊湊，承載能力大，適合在比較惡劣的油田環(huán)境下使用[9]。機械手臂半徑設計為全指梁，全立根覆蓋范圍，以HXJ135DB 型號鉆修機為例，手臂半徑 ≥ 2 m。如圖5 所示[10]。

Figure 5. Radius of gyration 圖5. 回轉半徑

5. 優(yōu)化前后綜合對比

5.1. 優(yōu)化前后參數(shù)對比

根據(jù)優(yōu)化前與優(yōu)化后的設計，在安裝位置、驅動方式、指梁分布方式、回轉方式四個方面做出優(yōu)缺點對比(見表1)。

5.2. 優(yōu)化前后作業(yè)流程與效果對比

根據(jù)優(yōu)化前與優(yōu)化后的使用情況，對作業(yè)流程與使用效果進行對比(見表2)。

Table 2. Compare processes and effects before and after 表2. 優(yōu)化前后作業(yè)流程與效果對比表

6. 結論

通過對海洋鉆修機二層臺排管系統(tǒng)的優(yōu)化設計，在全面性，有效性，符合性等方面改進了現(xiàn)役二層臺排管系統(tǒng)存在的問題，建議海洋鉆修機設備在二層臺機械手的選擇上著重考慮以下幾個方面，并適當?shù)淖龀鰞?yōu)化改進，以滿足鉆修井作業(yè)的實際需求，更適合現(xiàn)場作業(yè)流程標準。

1) 在滿足安全性及經(jīng)濟性的前提下，應極大限度的考慮設備維修和保養(yǎng)的可操作性性；

2) 應全面考慮海洋平臺井下管柱狀況：井況井深、鉆具尺寸、工藝要求等；

3) 應充分考慮海洋環(huán)境(溫差變化、高濕度、高鹽度)和海洋鉆修機的結構的特點。

4) 經(jīng)過設計改造，以上優(yōu)化設計已在渤海油田率先投入使用，目前使用參數(shù)平穩(wěn)。