應(yīng)用機器人技術(shù)在海洋石油和天然氣行業(yè)的研究

摘要：隨著石油產(chǎn)品價格的不斷上漲和現(xiàn)有機器人技術(shù)的改進，發(fā)展機器人在石油和天然氣行業(yè)的運用備受關(guān)注。推動應(yīng)用機器人自動化的動力主要有兩個方面;第一是在提高生產(chǎn)率的同時提高成本效益方面，第二個也是最重要的動機是有效應(yīng)對HSE挑戰(zhàn)方面。對于研究價值的重要性不言而喻，本文在此基礎(chǔ)上探討了應(yīng)用機器人技術(shù)在海洋石油和天然氣行業(yè)的研究。

關(guān)鍵詞：石油產(chǎn)品;HSE;機器人;海洋石油

0引言

隨著對能源需求不斷增長，緊隨工業(yè)化的步伐，需要更多的燃料供給來源，這就涉及到石油化工行業(yè)的發(fā)展。目前約80%能源需求由化石提供，其中50%–60%來自石油和天然氣。隨著資源的快速枯竭，在深水，熱沙漠和北極地區(qū)等更為極端的條件下，成為了發(fā)現(xiàn)了石油產(chǎn)品的新領(lǐng)域，在提高海上作業(yè)安全水平和經(jīng)濟效益方面，在海上生產(chǎn)過程中，運用不同階段使用機器人技術(shù)變得極為重要。

1機器人技術(shù)的重要性分析

隨著全世界城市化和工業(yè)化進程的加快，對石油和天然氣的需求也在不斷加巨。世界各地的油田產(chǎn)量都在下降，這就要求尋找新的常規(guī)和非常規(guī)石化儲備。顯然新的開采區(qū)位多數(shù)出于極端、惡劣和難以到達的環(huán)境中。探索這些困難的海上油田開發(fā)和生產(chǎn)石油面臨著很多挑戰(zhàn)，應(yīng)用機器人鉆井系統(tǒng)的開發(fā)，更精確而智能化、更安全的達到了需要供給，為石油和天然氣進口而設(shè)計的新的根本性創(chuàng)新，諸如智能鉆機、智能檢查、機器夾持技術(shù)和生產(chǎn)自動化等方面的操作。海上作業(yè)場所以及他們的檢查和維護工作幾乎與陸上部分所述的相同。將人員從困難的海上作業(yè)場所中替換出，依靠機器人完成并自動執(zhí)行骯臟，危險和重復(fù)的檢查，操作，以及維修和生產(chǎn)任務(wù)，成為了研發(fā)應(yīng)用機器人產(chǎn)品的主要動機。為此，應(yīng)用最廣泛的關(guān)鍵方法是通過基于主從遙控系統(tǒng)控制主機器人對從屬機器部件進行遠程操作，其重要性不言而喻。

2海洋條件下的機器人的應(yīng)用分析

2.1 雙殼船巡檢機器人

攜帶大量液態(tài)或氣態(tài)石油產(chǎn)品的商船在發(fā)生事故時可能會造成災(zāi)難性污染，因此需要額外的安全標準，此類商船大多具有雙層壁，因此在外壁受損的情況下，至少內(nèi)壁會受到侵入性破壞危險性降低。建造這樣的雙層船不僅昂貴而且費時，因為在空間受限的雙殼船船體結(jié)構(gòu)內(nèi)部巡檢船壁對工人來說是極其危險的工作。大宇造船公司已經(jīng)使用六軸鉸接式機器人巡檢船壁。但是，這種機器人需要在船廠的天花板上安裝高架起重機，并且這種機器人不能用于受限的巡檢空間。日立造船還開發(fā)了一種六軸機器人，用于在雙體船的封閉艙內(nèi)進行墻面涂漆。其應(yīng)用都備受關(guān)注。

2.2遙控無人潛水器

2.2.1現(xiàn)場調(diào)查

在進行任何海上活動（如安裝和鉆探）之前，需要對海床進行適當?shù)臏y繪。如前所述，僅使用船載/拖曳式聲學設(shè)備進行地球物理勘測，但現(xiàn)在小型便攜式潛水器也可以用于降低成本的意義。遙控無人潛水器可用于部署和檢索涉及海床制圖的不同參考系統(tǒng)，例如差壓傳感器和聲學數(shù)據(jù)傳輸器。遙控無人潛水器利用聲吶配備多波束回聲測深儀（MBES）和側(cè)面掃描聲納（SSS）也可用于海床測繪。

2.2.2鉆井協(xié)助

在早期將遙控無人潛水器用作鉆井輔助工具時，主要是將它們用作緊急情況下的備用計劃，例如在將工具掉入再入圓錐體和纏結(jié)繩索的情況下。然而，現(xiàn)在，遙控無人潛水器廣泛用于深層鉆探作業(yè)中。例如，研究人員提出了一種新穎的可回收系統(tǒng)，用于系泊移動式海上鉆井平臺，其中遙控無人潛水器用于遙控操縱鉆井船的吸入錨。還配備了多種儀器來幫助在各種任務(wù)中進行預(yù)鉆錨固過程，例如測量水平-垂直方向，通過陀螺儀和攝像機測量錨的海底穿透力，使用遙控無人潛水器推進器在錨上施加所需的扭矩，操縱泵的泵閥海床錨，用于產(chǎn)生壓力差等。

2.2.3檢驗，維護和維修

由于環(huán)境惡劣，潛水員的檢查變得越來越困難，所需的時間和頻率也不斷增加。1970年左右，遙控無人潛水器首次被開發(fā)出來，以協(xié)助潛水員深入執(zhí)行水的檢查和操縱任務(wù)。裝有檢查任務(wù)所需的傳感器和供潛水員使用的潛水支持船，但是隨著先進的遙控操作技術(shù)，遙控潛水器已完全取代了潛水員。如今，先進的遙控潛水器搭載了多個傳感器來執(zhí)行樣品采集任務(wù)，通過視頻發(fā)送視覺效果攝像機，水下設(shè)備的清潔，其他水下設(shè)備的激活，但由于缺乏精確的操縱能力，許多重要的檢查任務(wù)仍然難以執(zhí)行。

3海洋條件下的機器人技術(shù)實用性分析

3.1 探索開發(fā)

在不穩(wěn)定的潮汐條件下，基于穩(wěn)定接觸機制的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)探傷技術(shù)無法正常工作，因此對傳統(tǒng)的檢查技術(shù)進行了修改。例如，配備有交流場測量（ACFM）系統(tǒng)的遙控無人潛水器，以識別水下結(jié)構(gòu)表面的變化。很多時候，環(huán)境的不確定性與特定NDT機制的局限性相結(jié)合，從而產(chǎn)生了不正確的檢查數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致不必要的操作或忽略了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)缺陷。因此，為了補償這種單獨的NDT限制，選擇智能數(shù)據(jù)融合技術(shù)使多個NDT傳感器來做出正確的決定。

3.2生產(chǎn)結(jié)構(gòu)

在水下操縱的早期，液壓臂被安裝在載人潛水器上，以執(zhí)行從海底回收物體的簡單生產(chǎn)結(jié)構(gòu)性任務(wù)，而大多數(shù)其他復(fù)雜的操縱則由潛水員執(zhí)行。后來這些載人潛水器和潛水員被遙控無人潛水器取代。這些遙控無人潛水器的操縱功能還遵循涉及主操作員和從屬操縱器等組件的遠程操作的一般原理。

目前大多數(shù)用于水下生產(chǎn)結(jié)構(gòu)式的檢查，操縱和維修任務(wù)的機械手都具有電動機或液壓控制的開/關(guān)式旋轉(zhuǎn)手臂。這種機械手不具備所需的靈敏度和力反饋來處理易碎的物體。研究人員提出了一種靈巧的海底機器人手來抓取易碎物體。這種機械手的主要目的是用指尖精確地拾取任意物體，操作簡單，執(zhí)行低強度裝配任務(wù)的能力。

3.2流動檢查

除水下結(jié)構(gòu)外，移動式浮動平臺，永久性平臺和輪船還需要操作員進行例行檢查和操作。許多此類常規(guī)操作都可以自動化進行，以提高效率和準確重復(fù)性，例如采集氣體樣本，擰緊或松開閥門，取水表機器人可以執(zhí)行以提高整體生產(chǎn)設(shè)施的安全性和效率的最重要的計劃。

3.3溢油情況

看到頻繁發(fā)生的漏油事件和傳統(tǒng)的人工方法無法有效應(yīng)對此類情況，世界各國開始共同努力應(yīng)對此類挑戰(zhàn)，例如歐盟研發(fā)的EU-MOP（消除海洋油污的減排）項目。在戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)層面開發(fā)具有集成結(jié)構(gòu)的溢油管理和物流創(chuàng)新型智能機器人系統(tǒng)。要實現(xiàn)EU-MOP目標的戰(zhàn)略之一就是開發(fā)多機器人系統(tǒng)來代替手動進行的恢復(fù)工作來自水面的石油。

4結(jié)論

從HSE的角度來看，海上石油和天然氣行業(yè)風險因素的挑戰(zhàn)很大，但在可預(yù)見的將來對于可靠的能源供應(yīng)至關(guān)重要。毫無疑問，石油和天然氣行業(yè)可以從機器人技術(shù)的應(yīng)用帶來的技術(shù)驅(qū)動的精度，效率和安全性中受益匪淺本文簡要介紹了海洋石油和天然氣行業(yè)目前使用的所有關(guān)鍵機器人技術(shù)，尤其是在海洋環(huán)境中，溢油是最大的生態(tài)威脅因此，本文還描述了機器人技術(shù)在遙感和回收溢油中的關(guān)鍵作用，需要更多的相關(guān)人員繼續(xù)深入研發(fā)。

參考文獻

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作者簡介：劉春風，男，湖北省荊州市人，1983年2月，漢族，大學本科，工程師，工作內(nèi)容：海洋石油平臺管理工作。