海洋钻修机二层台自动排送管系统基本设计

(中海油田服务股份有限公司， 天津 300459)

0 引 言

在海上平台钻修井作业期间，二层台完全依靠井架工推拉处理油管、钻杆，井架工劳动强度大、高空作业危险性高、逃生难度大，海上作业环境恶劣，井架工经受严寒酷暑、风吹日晒。目前，NOV、Weatherford等国内外石油装备公司的钻杆自动排放技术得到了成熟的发展，该技术在半潜式钻井平台和陆地钻机上得到了较好的应用，但考虑海洋修井机及模块钻机的空间结构、设备维护便捷性、使用安全性，以及钻井工况与修井工况差别等因素，需设计适用于海洋钻修机二层台的新型自动排送管系统，解决二层台人工作业存在的难题。

1 系统配置及工作原理

海洋钻修机二层台自动排送管系统由二层台(含指梁锁等部件)、机械手、集成控制系统、液压吊卡和气动卡瓦组成。其中，机械手采用上置方式安装于二层台，便于开展预防性维护工作。依据HSE管理要求，二层台、机械手的各连接部件均设有安全防坠落设施，有效降低高空坠落风险。

机械手仅扶持管柱运动，不将管柱提起，配合钻台面扶管机械手或钻工操作，将管柱从井口放入二层台指梁内，或从指梁内取出送至井口[1-2]，指梁锁的配置可有效防止管柱从指梁内倒出。通过选择不同的控制和工作模式，可自动或手动完成不同规格管柱的排管或送管操作。待命期间可避让于猴道最后端，在猴道盖板、两侧栏杆和前端翻转平台安装完毕后即可恢复人工作业。

2 油水井基础数据

选取渤海海域多个平台进行油水井基础数据的采集，确定油水井油管、钻杆和钻铤的规格，确定油水井完井井深，为二层台和机械手抓手的设计提供数据支持，保证最佳应用效果。油水井基础数据如下：

(1) 油管规格 2-7/8英寸(1英寸=0.025 4 m)、3-1/2英寸、4-1/2英寸，其中2-7/8英寸、3-1/2英寸的油管占比高达80%；

(2) 钻杆规格 2-7/8英寸、3-1/2英寸、4-1/2英寸；

(3) 钻铤规格 4-6/8英寸、6-1/2英寸、8-1/2英寸；

(4) 完井井深 1 377.97～4 578.00 m。

3 基本设计方案

3.1 设计概念

(1) 机械手臂架自动折叠、待命期间无需拆卸。

(2) 采用全电驱伺服驱动技术、路径预设、一键操控、程序记忆。

(3) 集成设计司钻操作控制系统。

(4) 设置多重自锁、互锁保护，功能安全可靠。

(5) 故障自诊断与报警提示，全程可视监控。

(6) 对外接口支持工业以太网通信连接[3]。

3.2 关键技术参数

(1) 工作环境温度：-30～+50 ℃。

(2) 工作环境相对湿度：0～95% RH、不凝露。

(3) 防爆及防护等级：不低于ExdIIBT4、IP56。

(4) 工作风速：0～17.1 m/s。

(5) 驱动方式：伺服驱动。

(6) 系统供电：应急AC 380(1±5%) V、50～60 Hz。

(7) 管径抓取范围：2-7/8～8-1/2英寸。

(8) 二层台立根容量：不低于Q/HS2007.1-2013井架二层台容量的80%[4]。

(9) 机械手最大操作力：>750 N。

(10) 机械手运行速度：≥0.2 m/s。

(11) 回转角度：±90°。

(12) 位置精度：±3 mm。

(13) 回转精度：≤0.2°。

(14) 臂架操作半径：≥2 000 mm。

3.3 二层台设计

二层台与井架主结构采用插销耳板方式进行连接，便于安装，当二层台自动排送管系统应用于在役海洋钻修机时，无需改造井架结构，只需整体更换现有二层台。在二层台猴道设计供机械手滑移的平移滑轨，二层台单边预留单排可排放8-1/2英寸钻铤的固定式指梁格，其余指梁设计为常规固定不可翻转式，指梁间隙适用于2-7/8～4-1/2英寸管柱；在二层台指梁上安装弹簧锁片，指梁最前端安装指梁锁，其控制电机安装在指梁内，有效固定管柱位置，指梁上有保险链挂耳，安装保险链，防止指梁坠落；安装防爆高清摄像仪，全程实时影像监控。

对于部分在役海洋钻修机，在二层台改造为应用自动排送管系统时，与原二层台相比，新二层台指梁间隙不可调、预留钻铤排放位置、增强指梁刚度，同时考虑机械手回转半径因素，导致新二层台立根容量有所降低，不能满足Q/HS2007.1-2013井架二层台容量80%的最低要求。在该情况下，须将指梁设计为固定可翻转式，指梁在不翻转时，间隙适用于2-7/8～3-1/2英寸管柱，翻转后可适用于4-1/2英寸管柱，但翻转后只能由人工完成排送管操作。

3.4 机械手设计

机械手由平移滑车、防爆伺服电机、转轴、机械臂架、执行器、抓手、高清摄像仪组成，通过平移滑车固定于二层台猴道滑轨上方。在转轴位置安装高清摄像仪，对准指梁开口位置，在关键部位配置高性能的接近开关、行程开关、机械限位等装置，保证机械手可靠运行。

防爆伺服电机分别用于驱动平移滑车沿猴道滑轨滑动、驱动机械手旋转、驱动机械手前后伸缩。电机选型的防护类型为ExdIICT6，防护等级IP67，适用于-30～50 ℃的环境温度，采用自然风冷，具有极高的运行平稳性，通过与伺服驱动器的有机结合，完成速度与位置的精确控制。

机械臂架采用柔性体结构设计，同时将机械臂架结构本身刚度设计在适当范围内，合理控制机械臂架驱动速度，有效降低机械手抓手的振动，提高机械手抓手的定位精度[5-6]。对机械手抓手开度采用变挡设计，满足抓取不同规格油管、钻杆及钻铤的需求，在抓取管柱时，由执行器控制抓手开合，自动完成换挡。机械手抓手依靠电磁感应识别管柱，精准识别管柱进出。

3.5 液压吊卡及气动卡瓦选型设计

液压吊卡选型设计为侧开式，额定工作压力为14 MPa，流量为20～25 L/min，翻转角度满足从垂直向前90°翻转，通过更换衬套体，可适用于2-7/8～4-1/2英寸管柱。

气动卡瓦适用卡持管柱范围为2-7/8～4-1/2英寸，最大天然气与石油设计载荷依据钻修机最大提升载荷选定，气源工作压力为0.6～1.0 MPa。

3.6 集成控制系统设计

3.6.1 硬件设计

集成控制系统硬件由驱动控制柜、防爆控制柜、HMI面板、操作手柄、控制开关和按钮以及指示灯组成。

(1) 驱动控制柜。驱动控制柜内部安装伺服驱动控制器，用于驱动机械手伺服电机的精准运动并驱动指梁锁电机。为便于安装维护，将该驱动控制柜嵌入式安装于二层台。该柜体外壳采用316SS不锈钢材质，防爆等级不低于ExIIBT4，防护等级不低于IP56。

(2) 防爆控制柜。防爆控制柜用于实现二层台自动排送管系统电源的转换、控制，同时用于司钻房控制设备与驱动控制柜之间的信号传输，用于二层台自动排送管系统与钻修机电控系统的信号传输。该柜体外壳采用316SS不锈钢材质，防爆等级不低于ExIIBT4，防护等级不低于IP56。

(3) HMI面板。HMI面板实现对二层台自动排送管系统设备运行状态进行监视和排送管操作控制，选型设计要求：15英寸高分辨率精致面板，分辨率为1 280像素/英寸×800像素/英寸，170°的超宽视角，确保最优显示清晰度。背光平均无故障时间不低于80 000 h，24 MB内存，集成RS422/485、以太网、USB等接口，可实现触摸操作。以DC 24 V宽电压供电，具备电子过流保护。有断电保护功能，数据安全万无一失。

(4) 集成操控设计。基于人机工程学，采用可折叠伸缩臂架将液晶触摸屏悬挂于司钻房或嵌入式安装于司钻操作台，操作手柄、控制开关和按钮以及指示灯采用集成设计方式布置于司钻操作台，保证最佳操作舒适度。

3.6.2 集成控制软件设计

采集操作手柄、控制开关和按钮的输入信号，接收HMI面板通信信号，通过以太网与钻修机电控系统进行通信连接，执行信号逻辑处理后，实现二层台机械手、液压吊卡、气动卡盘的控制功能，确保设备之间配合连贯，安全运行。

(1) 设计机械手抓手、指梁锁、卡瓦、吊卡的开关控制功能，设计吊卡水平和垂直翻转控制功能。

(2) 设计完善的互锁保护功能，包括机械手绞车、机械手与顶驱、机械手与吊卡、绞车与吊卡、吊卡与卡瓦的互锁功能，有效防止机械手意外碰撞、管柱滑脱等危险现象发生。

(3) 设计自动、手动两种控制模式。在自动控制模式下，将二层台基础尺寸参数设置在模块化的逻辑程序里，结合智能化传感装置，通过极限参数标定确定机械手自动行走路径，自动完成排送管操作；自动程序突发故障时，机械手故障保护停机，可切换手动控制模式，完成排送管操作。

(4) 设计排管和送管两种工作模式。根据现场作业工况，进行排管操作和送管操作模式的切换。

(5) 设计钻铤和油管(钻杆)选择模式。根据机械手要抓取的管柱规格，切换机械手抓手的开度，且在钻铤模式或油管(钻杆)模式下仍具备选择不同规格尺寸的功能。

(6) 设计紧急急停功能。在紧急情况下，系统电源脱扣，保持断电后管柱安全夹持状态[7]。

3.6.3 上位机(HMI面板)软件设计

(1) 实时动态模拟显示机械手排送管操作画面，并显示机械手位置、回转角度、机械臂架操作距离等关键参数。

(2) 实时显示机械手排送管操作过程影像，显示机械手各部位动作影像。

(3) 设计机械手运行模式的选择功能和排送管操作的相关控制功能。

(4) 具备参数设置、故障诊断和报警查询功能。

(5) 数据管理功能。具备二层台自动排送管系统运行数据存储、实时影像存储和历史数据查询功能，通过以太网能够与钻修机电控系统数据终端或陆地设备状态监测数据终端进行远程通信。

4 结 论

基于海上平台油水井基础数据，开展海洋钻修机二层台自动排送管系统的基本设计工作，初步确定了整体结构和自动化控制方案，实现远程控制机械手进行排送管操作和智能化数据管理，降低安全风险，提高作业效率，同时为在役海洋钻修机二层台自动排送管系统的改造设计提供借鉴，有效推动海洋钻修机自动化、智能化的发展。