1. 引言
海洋钻修机二层台承载着钻修井作业管柱排放存储，承放钻具等功能，海洋钻修机二层台距离海面超过60 m，二层台上风速高，井架工劳动强度大、安全风险高，另外井架工安全逃生一直是困扰海洋钻修机装备技术管理人员的一个难题，近年来，随着自动化技术的成熟和机械手产业的发展，二层台的排管系统解决了以上问题，但经过长时间的使用和维护发现：海洋钻修机常年矗立在采油平台，设备维保及故障维修难度增加，同时考虑到环保要求，液压式二层台排管系统的高空飞油可能产生的海洋污染，且部分地区冬季气温达−25℃发生了液压油乳化、设备反应不灵敏等现象。因此急需改进现有二层台排管系统，满足设备维修维护，且无污染的二层台排管机构适用用于海洋石油平台。
2. 目前二层台排管系统现状分析
2.1. 机械手安装位置
目前陆地与海洋钻修机购置使用的二层台机械手都为下置式安装方式(图1)，即安装位置在猴台下方，机械手臂排管动作在指梁下方完成，当设备故障后与人工操作不冲突 [1]，由于海洋钻修机井架常年不放倒，与车载型陆地钻机不同，不便于设备保养与设备维修，且遇到卡阻无法进行其他作业。
2.2. 驱动方式
国内常规使用的二层台机械手为液压驱动方式，采用低速大扭矩马达减速机驱动，能悬持大吨位钻铤和特殊管柱，气动驱动指梁对立根一对一存储，通过液压系统增加高精度的比例节流调速阀，电控程序算法增加补偿功能等措施，实现机器人多关节复合运动轨迹精确控制，控制系统使立根运动轨迹自动规划 [2]。但渤海地区处于低纬度地区，冬季最低温度可达−25℃，在低温状态下液压油容易发生乳化变质，机器人工作状态也会发生延迟，可能导致排管路径出现错误，且液压驱动方式需额外增加液压站与多条上井架的液压管线，液压管线无法进行固定，机器人体积较大，工作过程中容易发生管线挂管柱事故；检修困难，液压管线路径多，阀体多，出现故障，检修程序繁琐，拆装过程中容易高空散落液压油，容易污染环境。
1、二层台 2、滑道 3、回转机构 4、主变幅臂5、连接机构 6、副变幅臂7、夹持机构
Figure 1. Upper-mounted robotic arm
图1. 上置式机械手臂
2.3. 适用管柱范围
目前海洋平台二层台指梁尺寸为3-1/2 (不可调节)，有少量的井配置2-3/8与4~5-1/2管柱 [3]，设计方为满足路径精确设计为不可调节式指梁，但为满足调整井作业需求，只能采取人工单根作业方式，进行钻修井作业，速度慢，效率低，无法满足常规作业时夹持范围需要满足2-3/8~3-1/2、4~5-1/2排放要求，并且二层台未留有满足摆放≤9-5/8钻铤的位置的要求 [4]。
2.4. 回转角度与回转半径
经过现场使用调研，国内厂商制造的二层台排管系统设备多为半回转与大回转角度两种，半回转的设备回转角度为180˚回转，半径1.5~4.3 m；大回转角度的设备回转角度为±135˚，回转半径为1.5~2.7 m。海洋钻修机二层台具有空间小，结构紧凑，限制空间多等特点，所以要求机器人安装使用过程中保证回转半径及变幅范围满足作业需求，为达到人工与机械手在不同工况状态下使用的转换，要求机器人能够在人工作业时保持避让状态；在自动状态下能覆盖全部二层台指梁范围而不需要任何人工参与；这就要求海洋钻修机二层台排管系统必须为360˚全回转角度，作业半径为覆盖全质量全立根承受范围。
3. 海洋钻修机二层台排管系统设计要求
根据以上现有服役二层台排管系统的设计中的缺陷项，设计一种可调指梁式二层台上置安装的排管系统，满足海洋钻修机特殊的结构特点及维修保养现状和海洋环境的特点，必须满足如下要求：
1) 猴台上安装方式，便于设备维修保养；
2) 采用全电驱驱动方式，减少液压介质影响与多余管线设计
3) 可调节间距指梁，满足不同管柱与钻具要求；
4) 全回转角度，作业半径全覆盖。
4. 海洋钻修机二层台排管系统优化设计
4.1. 上置式机械手臂的设计
如图2所示，将二层台排管系统的机械手臂设计为上置式(即安装于猴台上方)，通过齿轮齿条式滑移导轨进行前后滑移，通过旋转机构进行回转夹持，猴台后方设置避让平台，在设备故障或者特殊作业情况下，机械手臂可避让至避让平台，井架工登二层台进行人工作业，机械手臂上置式安装有如下设计优点：
1) 无需放倒井架便可进行设备日常的维护保养与故障维修；
2) 所有螺栓采用紧固防松螺栓避免设备悬挂造成的高空落物；
3) 设备检修或需要人工作业时，排管系统机械手臂可避让至平台，作业方式切换不冲突；
4) 拆装方便，同型号钻机可配置相同滑移导轨，互换性安装。
4.2. 电驱式驱动方式设计
以工业机器人控制技术为基础，根据海洋作业环境特点(低温度、高湿度、高盐雾)，选用防爆型伺服电机驱动齿轮减速机构，减速机构输出端为机械手臂。二层台指梁锁为小型防爆伺服电机驱动锁销开启和关闭，全电驱驱动方式程序路径实现存储记忆，可设定多重自锁、互锁。有以下几种特点：
1) 防爆电机作温度范围为−30℃~+50℃，适应海洋环境特点；
2) 避免高空(液压式机械手)漏油的风险；
3) 结构集成程度高，控制精度高 [5]；
4) 关联线束简单，无多余管线附带，避免发生管线挂管柱事故。
4.3. 可调节指梁间距设计
可调节指梁间距的二层台根据渤海地区常规作业时夹持范围需要满足2-3/8~3-1/2、4~5-1/2排放要求，设计为“3/4排变间距指梁机构”(如图3所示)，每组指梁包含1条固定指梁，2条平移指梁和1条伺服翻转指梁，每组指梁最大可排放4排2-3/8~3-1/2管柱，当需要满足排放4~5-1/2管柱时，采用伺服旋转机构控制将可翻转指梁抬起与下放，两个平移指梁可根据管柱排放空间独平移调节，变换成3排排放方式。可在集成控制系统中远程调控，精密计算指梁间距大小，二层台共设置6组“3/4排变间距指梁机构(如图4)。可变范围以HXJ180钻修机为例，3排方式排放管柱容量可达3400 m，4排方式排放管柱容量可达4500 m [6]。每根指梁设计立根锁紧弹簧，防止管柱排放到位后发生滑移，二层台前方设有钻铤摆放空间。可调节指梁间距设计有如下优点；
1) 满足了不同型号的管柱的排放需求；
2) 自动化调节指梁间距，减少人工翻转作业；
3) 满足钻铤摆放空间要求 [7] [8]。
Figure 3. 3/4Variable spacing mechanism
图3. 3/4排变间距指梁机构
1、固定指梁2、滑动指梁3、翻转指4蜗杆5、蜗轮6、传动轴7、齿轮A 8、齿轮B 9、齿轮轴承座10、传动轴轴承座11、电机12、滑动座13、二层台纵梁
Figure 4. 3/4Variable spacing mechanism
图4. 3/4排变间距指梁机构
4.4. 回转角度与回转半径设计
为达到人工与机器人在不同工况状态下使用的转换，要求机器人能够在人工作业时保持避让状态；在自动状态下能覆盖全部二层台指梁范围而不需要任何人工参与；这就要求机器人必须设计为360˚全回转角度，采用围栏式无限制圆周回转减速机结构，可实现360˚圆周回转和减速动作，可承受较大的轴向力、径向力和机械手臂的倾覆力，结构紧凑，承载能力大，适合在比较恶劣的油田环境下使用 [9]。机械手臂半径设计为全指梁，全立根覆盖范围，以HXJ135DB型号钻修机为例，手臂半径 ≥ 2 m。如图5所示 [10]。
5. 优化前后综合对比
5.1. 优化前后参数对比
根据优化前与优化后的设计，在安装位置、驱动方式、指梁分布方式、回转方式四个方面做出优缺点对比(见表1)。
Table 1. Compare optimization effects before and after
表1. 优化前后参数对比表
5.2. 优化前后作业流程与效果对比
根据优化前与优化后的使用情况，对作业流程与使用效果进行对比(见表2)。
Table 2. Compare processes and effects before and after
表2. 优化前后作业流程与效果对比表
6. 结论
通过对海洋钻修机二层台排管系统的优化设计，在全面性，有效性，符合性等方面改进了现役二层台排管系统存在的问题，建议海洋钻修机设备在二层台机械手的选择上着重考虑以下几个方面，并适当的做出优化改进，以满足钻修井作业的实际需求，更适合现场作业流程标准。
1) 在满足安全性及经济性的前提下，应极大限度的考虑设备维修和保养的可操作性性；
2) 应全面考虑海洋平台井下管柱状况：井况井深、钻具尺寸、工艺要求等；
3) 应充分考虑海洋环境(温差变化、高湿度、高盐度)和海洋钻修机的结构的特点。
4) 经过设计改造，以上优化设计已在渤海油田率先投入使用，目前使用参数平稳。
NOTES
*通信作者。