用于極端條件下海上石油自動勘探的革命性系統

　　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。很多人工作業要在有限的時間內完成，環境臟污，受傷風險大。現在，這一切已成為過去。經過多年的研發，挪威公司Robotic Drilling Systems開發出一款可在平臺上進行自動鉆井作業的機器人系統。igus拖鏈助其在極端環境下可靠供能。

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

　　這一目標是非常宏偉的，原因有以下幾點。機器人系統要在嚴苛的環境下作業，因此必須能抵抗海水、腐蝕、機械應力以及極端溫度。此外，石油鉆塔的作業流程極為復雜，在操作鉆桿時要協調多達100個軸。最后，還必須將能量、介質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境下提升1.5噸，創歷史記錄。（來源：igus GmbH）

　　核心組件：重型機器人

　　RDS開發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。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，新開發的機械爪與立柱（鉆桿）的組件相結合，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）或甲板上的傳送帶中取出部件，供應給機器人。“電子鉆工”和鉆桿裝卸機器人是RDS的另一種機器人系統，它們協助中央重型機器人操作和組裝“立柱”。所有系統協作，無需人工干預即可完成整個鉆井過程。制造商告訴我們，該系統的作業速度提升40%，每年可節省1000萬到2000萬美元。

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RBR旋轉模塊中的igus拖鏈實現旋轉運動。（來源：igus GmbH）

　　通過旋轉模塊和拖鏈供應能量和信號

　　“鉆臺機器人”的第七軸是一個重型線性系統，整個機器人在此系統上移動。工程師面臨的挑戰是要在極小的空間里移動供應能量和信號。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：塑料制成的輕巧拖鏈已在許多類似應用中證明了自己的實力，并能夠同步引導線纜傳輸能量、數據和介質。但為機器人底座的旋轉軸供應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。該系統由拖鏈和chainflex高柔性電纜組成，經批準可在海上和危險環境中使用。（來源：igus GmbH）

　　針對復雜作業的完整解決方案——包括工程設計

　　igus旋轉模塊滿足了這一要求（圖2）。這是一個從側面安裝的拖鏈，帶有反向彎曲半徑（RBR）。也就是說，鏈節可以雙向移動，這一點不同于常規的線性運動。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。

　　RDS機器人內的旋轉模塊已被整合入機器人外殼內，因為空間非常有限，因此需要復雜的工程設計和技巧。這一任務由igus“項目工程”部的團隊完成。他們開發出了一個用于特別機器人中的完整解決方案，其中在旋轉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用全新開發的，在極端環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的“裝配拖鏈”系統，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，特別是在海洋應用中。而免維護的塑料拖鏈就可以滿足這個要求。igus服務團隊還擁有在石油鉆塔上工作的認證，所以igus可以根據客戶要求承擔從規劃到現場安裝的所有工作，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。“電子鉆工”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縱軸的桅桿式井架上，這里從存儲位置取出立柱并供應至中央機器人（圖4）。選擇拖鏈時，免維護、耐海水、抗機械應力以及防爆、可在海上應用都是主要的考慮因素。Robotic Drilling Systems首席執行官Jimmy Bostrom表示：“對于我們來說，從同一家供應商購買機器人組件并盡可能直接安裝，這極為重要。系統要盡可能免維護。igus滿足了這些要求。”

　　RDS開發的機器人系統不僅適用于新石油鉆塔的安裝，也適合改造。它創造了評估鉆探項目盈利能力的新規則，這是目前油價較低背景下的一個重要因素。因此，這一新開發從一開始就吸引了無數關注，很多知名的鉆探公司都參與到RDS的研發中。這一應用也給（由igus發起的）vector獎的評委團留下了深刻的印象，從而贏得了2016年vector金獎。經過廣泛測試，首個實用系統于2015年9月在挪威的一個鉆塔投入使用（圖5）。整個行業都密切關注著該項目，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。