用于極端條件下海上石油自動勘探的革命性系統(tǒng)

石油平臺上的工作和生活既危險又不舒適：高涌的浪潮、巨大的風暴，夾雜著石油、泥漿和暴雨。將鉆桿從上孔抽出，擰開分離，由滿身油污的工人在高壓下重新裝配。很多人工作業(yè)要在有限的時間內(nèi)完成，環(huán)境臟污，受傷風險大?，F(xiàn)在，這一切已成為過去。經(jīng)過多年的研發(fā)，挪威公司Robotic Drilling Systems開發(fā)出一款可在平臺上進行自動鉆井作業(yè)的機器人系統(tǒng)。igus拖鏈助其在極端環(huán)境下可靠供能。

石油勘探行業(yè)內(nèi)越來越多的流程轉(zhuǎn)向自動化，以實現(xiàn)更高的速率，將人們從繁重的工作中解放出來，同時節(jié)省成本。這一趨勢也體現(xiàn)在石油鉆塔中：挪威的斯塔萬格是歐洲石油工業(yè)的中心。這里的新創(chuàng)公司RDS Robotic Drilling Systems AS開發(fā)此類機器人，旨在實現(xiàn)石油鉆塔的全自動化鉆臺作業(yè)。

這一目標是非常宏偉的，原因有以下幾點。機器人系統(tǒng)要在嚴苛的環(huán)境下作業(yè)，因此必須能抵抗海水、腐蝕、機械應(yīng)力以及極端溫度。此外，石油鉆塔的作業(yè)流程極為復雜，在操作鉆桿時要協(xié)調(diào)多達100個軸。最后，還必須將能量、介質(zhì)和信號可靠引導至機器人的機械爪上。

 
         
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鉆臺重型機器人在惡劣環(huán)境下提升1.5噸，創(chuàng)歷史記錄。（來源：igus GmbH）

核心組件：重型機器人

RDS開發(fā)出完整的機器人系列，來滿足這些要求和完成自動化鉆井的子任務(wù)。中央“鉆臺”重型六軸機器人，可在伸出的三米長機械臂上承受1500千克的負載，新開發(fā)的機械爪與立柱（鉆桿）的組件相結(jié)合，控制鉆探過程（圖1a和1b）。全自動“鉆桿操作裝置”從“指板”（存儲系統(tǒng)）或甲板上的傳送帶中取出部件，供應(yīng)給機器人。“電子鉆工”和鉆桿裝卸機器人是RDS的另一種機器人系統(tǒng)，它們協(xié)助中央重型機器人操作和組裝“立柱”。所有系統(tǒng)協(xié)作，無需人工干預(yù)即可完成整個鉆井過程。制造商告訴我們，該系統(tǒng)的作業(yè)速度提升40%，每年可節(jié)省1000萬到2000萬美元。

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RBR旋轉(zhuǎn)模塊中的igus拖鏈實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。（來源：igus GmbH）

通過旋轉(zhuǎn)模塊和拖鏈供應(yīng)能量和信號

“鉆臺機器人”的第七軸是一個重型線性系統(tǒng)，整個機器人在此系統(tǒng)上移動。工程師面臨的挑戰(zhàn)是要在極小的空間里移動供應(yīng)能量和信號。此外，還需要滿足很高的防爆要求。對于第七軸的線性運動，供能比較容易實現(xiàn)：塑料制成的輕巧拖鏈已在許多類似應(yīng)用中證明了自己的實力，并能夠同步引導線纜傳輸能量、數(shù)據(jù)和介質(zhì)。但為機器人底座的旋轉(zhuǎn)軸供應(yīng)能量和信號則會比較棘手。

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RDS機器人中使用了裝配拖鏈系統(tǒng)。該系統(tǒng)由拖鏈和chainflex高柔性電纜組成，經(jīng)批準可在海上和危險環(huán)境中使用。（來源：igus GmbH）

針對復雜作業(yè)的完整解決方案——包括工程設(shè)計

igus旋轉(zhuǎn)模塊滿足了這一要求（圖2）。這是一個從側(cè)面安裝的拖鏈，帶有反向彎曲半徑（RBR）。也就是說，鏈節(jié)可以雙向移動，這一點不同于常規(guī)的線性運動。帶有“鎖定”分隔片的拖鏈安全引導電纜和軟管，拖鏈在圓導槽中運轉(zhuǎn)。

RDS機器人內(nèi)的旋轉(zhuǎn)模塊已被整合入機器人外殼內(nèi)，因為空間非常有限，因此需要復雜的工程設(shè)計和技巧。這一任務(wù)由igus“項目工程”部的團隊完成。他們開發(fā)出了一個用于特別機器人中的完整解決方案，其中在旋轉(zhuǎn)模塊旁使用了獲得防火認證且符合NEK 606要求的igus chainflex高柔性電纜（圖3）。這款電纜是專門為運動應(yīng)用全新開發(fā)的，在極端環(huán)境下仍擁有很長的使用壽命。igus保證其所有系列的電纜均擁有36個月的使用壽命，其中403種電纜已獲得了DNV GL的認證。

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在“鉆桿操作裝置”的桅桿式井架上（如右圖），igus拖鏈向機械爪供應(yīng)能量和信號。（來源：RDS Robotic Drilling Systems AS）

運送到斯塔萬格的拖鏈是包含連接器在內(nèi)的“裝配拖鏈”系統(tǒng)，從而簡化了安裝過程，也確保了所有的端口和連接器符合電氣防爆的特殊要求。耐腐蝕也很重要，特別是在海洋應(yīng)用中。而免維護的塑料拖鏈就可以滿足這個要求。igus服務(wù)團隊還擁有在石油鉆塔上工作的認證，所以igus可以根據(jù)客戶要求承擔從規(guī)劃到現(xiàn)場安裝的所有工作，甚至是在公海上的。

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首臺鉆臺機器人安裝在挪威斯塔萬格的Ullrigg陸地鉆機上。（來源：RDS Robotic Drilling Systems AS）

垂直運動

無人石油鉆探的其他自動化單元也在使用igus組件?！半娮鱼@工”和“鉆桿操作裝置”都用到了igus拖鏈，共25個組件。它們安裝在操作系統(tǒng)縱軸的桅桿式井架上，這里從存儲位置取出立柱并供應(yīng)至中央機器人（圖4）。選擇拖鏈時，免維護、耐海水、抗機械應(yīng)力以及防爆、可在海上應(yīng)用都是主要的考慮因素。Robotic Drilling Systems首席執(zhí)行官Jimmy Bostrom表示：“對于我們來說，從同一家供應(yīng)商購買機器人組件并盡可能直接安裝，這極為重要。系統(tǒng)要盡可能免維護。igus滿足了這些要求?！?/span>

RDS開發(fā)的機器人系統(tǒng)不僅適用于新石油鉆塔的安裝，也適合改造。它創(chuàng)造了評估鉆探項目盈利能力的新規(guī)則，這是目前油價較低背景下的一個重要因素。因此，這一新開發(fā)從一開始就吸引了無數(shù)關(guān)注，很多知名的鉆探公司都參與到RDS的研發(fā)中。這一應(yīng)用也給（由igus發(fā)起的）vector獎的評委團留下了深刻的印象，從而贏得了2016年vector金獎。經(jīng)過廣泛測試，首個實用系統(tǒng)于2015年9月在挪威的一個鉆塔投入使用（圖5）。整個行業(yè)都密切關(guān)注著該項目，因為它讓石油平臺的工作更快捷、成本更低廉，最重要的是更安全。