用于極端條件下海上石油自動(dòng)勘探的革命性系統(tǒng)
石油平臺(tái)上的工作和生活既危險(xiǎn)又不舒適：高涌的浪潮、巨大的風(fēng)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(shí)間內(nèi)完成，環(huán)境臟污，受傷風(fēng)險(xiǎn)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(tái)上進(jìn)行自動(dòng)鉆井作業(yè)的機(jī)器人系統(tǒng)。igus拖鏈助其在極端環(huán)境下可靠供能。
鉆臺(tái)重型機(jī)器人在惡劣環(huán)境下提升1.5噸，創(chuàng)歷史記錄。（來源：igus GmbH）
石油勘探行業(yè)內(nèi)越來越多的流程轉(zhuǎn)向自動(dòng)化，以實(shí)現(xiàn)更高的速率，將人們從繁重的工作中解放出來，同時(shí)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(jī)器人，旨在實(shí)現(xiàn)石油鉆塔的全自動(dòng)化鉆臺(tái)作業(yè)。
這一目標(biāo)是非常宏偉的，原因有以下幾點(diǎn)。機(jī)器人系統(tǒng)要在嚴(yán)苛的環(huán)境下作業(yè)，因此必須能抵抗海水、腐蝕、機(jī)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(fù)雜，在操作鉆桿時(shí)要協(xié)調(diào)多達(dá)100個(gè)軸。最后，還必須將能量、介質(zhì)和信號(hào)可靠引導(dǎo)至機(jī)器人的機(jī)械爪上。
RBR旋轉(zhuǎn)模塊中的igus拖鏈實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（來源：igus GmbH）
核心組件：重型機(jī)器人
RDS開發(fā)出完整的機(jī)器人系列，來滿足這些要求和完成自動(dòng)化鉆井的子任務(wù)。中央"鉆臺(tái)"重型六軸機(jī)器人，可在伸出的三米長機(jī)械臂上承受1500千克的負(fù)載，新開發(fā)的機(jī)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(dòng)"鉆桿操作裝置"從"指板"（存儲(chǔ)系統(tǒng)）或甲板上的傳送帶中取出部件，供應(yīng)給機(jī)器人。"電子鉆工"和鉆桿裝卸機(jī)器人是RDS的另一種機(jī)器人系統(tǒng)，它們協(xié)助中央重型機(jī)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(gè)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。
RDS機(jī)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(zhǔn)可在海上和危險(xiǎn)環(huán)境中使用。（來源：igus GmbH）
通過旋轉(zhuǎn)模塊和拖鏈供應(yīng)能量和信號(hào)
"鉆臺(tái)機(jī)器人"的第七軸是一個(gè)重型線性系統(tǒng)，整個(gè)機(jī)器人在此系統(tǒng)上移動(dòng)。工程師面臨的挑戰(zhàn)是要在極小的空間里移動(dòng)供應(yīng)能量和信號(hào)。此外，還需要滿足很高的防爆要求。對于第七軸的線性運(yùn)動(dòng)，供能比較容易實(shí)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(shí)力，并能夠同步引導(dǎo)線纜傳輸能量、數(shù)據(jù)和介質(zhì)。但為機(jī)器人底座的旋轉(zhuǎn)軸供應(yīng)能量和信號(hào)則會(huì)比較棘手。
針對復(fù)雜作業(yè)的完整解決方案--包括工程設(shè)計(jì)
igus旋轉(zhuǎn)模塊滿足了這一要求（圖2）。這是一個(gè)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(dòng)，這一點(diǎn)不同于常規(guī)的線性運(yùn)動(dòng)。帶有"鎖定"分隔片的拖鏈安全引導(dǎo)電纜和軟管，拖鏈在圓導(dǎo)槽中運(yùn)轉(zhuǎn)。
RDS機(jī)器人內(nèi)的旋轉(zhuǎn)模塊已被整合入機(jī)器人外殼內(nèi)，因?yàn)榭臻g非常有限，因此需要復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)和技巧。這一任務(wù)由igus"項(xiàng)目工程"部的團(tuán)隊(duì)完成。他們開發(fā)出了一個(gè)用于特別機(jī)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(rèn)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(yùn)動(dòng)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(gè)月的使用壽命，其中403種電纜已獲得了DNV GL的認(rèn)證。
在"鉆桿操作裝置"的桅桿式井架上（如右圖），igus拖鏈向機(jī)械爪供應(yīng)能量和信號(hào)。（來源：RDS Robotic Drilling Systems AS）
運(yùn)送到斯塔萬格的拖鏈?zhǔn)前B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(hù)的塑料拖鏈就可以滿足這個(gè)要求。igus服務(wù)團(tuán)隊(duì)還擁有在石油鉆塔上工作的認(rèn)證，所以igus可以根據(jù)客戶要求承擔(dān)從規(guī)劃到現(xiàn)場安裝的所有工作，甚至是在公海上的。
垂直運(yùn)動(dòng)
無人石油鉆探的其他自動(dòng)化單元也在使用igus組件。"電子鉆工"和"鉆桿操作裝置"都用到了igus拖鏈，共25個(gè)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(chǔ)位置取出立柱并供應(yīng)至中央機(jī)器人（圖4）。選擇拖鏈時(shí)，免維護(hù)、耐海水、抗機(jī)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(jī)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(hù)。igus滿足了這些要求。"
首臺(tái)鉆臺(tái)機(jī)器人安裝在挪威斯塔萬格的Ullrigg陸地鉆機(jī)上。（來源：RDS Robotic Drilling Systems AS）
RDS開發(fā)的機(jī)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(xiàng)目盈利能力的新規(guī)則，這是目前油價(jià)較低背景下的一個(gè)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(jiǎng)的評委團(tuán)留下了深刻的印象，從而贏得了2016年vector金獎(jiǎng)。經(jīng)過廣泛測試，首個(gè)實(shí)用系統(tǒng)于2015年9月在挪威的一個(gè)鉆塔投入使用（圖5）。整個(gè)行業(yè)都密切關(guān)注著該項(xiàng)目，因?yàn)樗屖推脚_(tái)的工作更快捷、成本更低廉，最重要的是更安全。
作者：Tim Schneebeck，海事工程，igus GmbH，51147科隆
