海洋石油基地油套管堆存自動化研究

文 / 孟軍濤 王學偉 王鋒 高山 李小川

隨著海洋石油行業(yè)“七年行動計劃”持續(xù)推進，海洋石油勘探開采事業(yè)的發(fā)展與開拓布局，作業(yè)量大幅提升，海洋石油基地作為海上平臺重要的后勤保障，各類儲備物資的數(shù)量也在不斷增加，場地利用率迎來更大挑戰(zhàn)。

油套管是海上油田勘探開發(fā)最重要、最常用的物資之一，在各海洋石油基地的存儲量非常大，在所有物資中也是占用場地最大的。長期以來，油套管的裝卸、堆存等依然屬于勞動密集型作業(yè)，使場地利用率難以提升。隨著自動化設備在國內外港口應用大幅上升，傳統(tǒng)的油套管堆存模式也亟待改變。本文主要對海洋石油基地油套管自動化堆存及場地利用率的提高進行研究，希望對今后油套管場地占用率和作業(yè)流程優(yōu)化提供幫助。

一、海洋石油基地現(xiàn)狀

海洋石油基地主要是為海上平臺開發(fā)建設提供物資供應的港口基地，油套管在其中占用的場地最大，占據(jù)前沿堆場的近1/3。目前，現(xiàn)場油套管的物流輸送及堆存均依靠25t汽車吊來完成，每一組油套管的入庫、碼垛、出庫等流轉過程中均需綁定一臺汽車吊進行起吊和運輸。油套管的入庫、碼垛、出庫環(huán)節(jié)也需要人員爬上堆垛，因此垛上各作業(yè)環(huán)節(jié)不僅大量占用人力資源，且登高作業(yè)存在安全隱患，使油套管的堆存高度受到極大限制?？傮w來看，主要存在以下癥結問題：

。機具、人力、工時資源占比單項最高；

。作業(yè)人員多，且勞動強度大；

。重物、吊車下活動存在安全隱患；

。堆場利用率低；

。堆場自動化程度低。

由以上問題可以看出，油套管不僅在場地利用率方面需要提升，在其他幾個方面也需重點突破。自動化設備的使用可有效解決以上問題，因此進行油套管自動化堆存方案的研究很有必要。

二、海洋石油基地油套管自動化堆存設計原則

關于油套管自動化堆存方案的設計，主要以降本增效為目標，通過場地布局、作業(yè)流程優(yōu)化和堆場管理優(yōu)化，實現(xiàn)以下幾點短期目標：

1.全流程數(shù)字化、智能化

對現(xiàn)有作業(yè)流程逐一分解優(yōu)化，利用自動化技術及設備，簡化或替代人員的決策及操作，從而實現(xiàn)既定目標。

2.提高作業(yè)精度

在油套管碼垛過程中，擺放木條、管材位置調整、三角木固定等3項工作大約占總時效的1/3。利用感知、定位設備，提高作業(yè)精度，不僅能提升碼垛效率，更能保證垛位的穩(wěn)定性，避免事故發(fā)生。

3.提高機具作業(yè)效率

油套管現(xiàn)場作業(yè)綁定的25t汽車吊，至少30%的時間處于等待及轉場過程中，導致一面待命、一面亟需設備作業(yè)的尷尬局面。通過作業(yè)環(huán)節(jié)分解或其他設備的替代，不再使用或將機具使用環(huán)節(jié)集中化，可提高機具的作業(yè)效率。

4.降本增效

目前油套管出入庫采用人工方式，需要力工爬上堆垛，在垛上完成撬管、穿鋼絲繩、起吊、扎管后裝車，油套管的捆扎工藝中至少需要4名力工、1名安全員和1名吊車司機，需要大量人力資源，占整個石油后勤保供總量的約65%。

在人工作業(yè)方面，每小時碼垛43根左右，包含加墊木、調整管材上下對齊和釘三角木等動作；查詢歷史數(shù)據(jù)得知，單日出入庫最大量為800根，平均每天為200～300根。而使用自動化設備，可在提高工作效率的同時，有效降低人員投入及人員勞作時長。

5.提高場地利用率

在場地所有物資中，油套管占用的場地最多，約占據(jù)前沿堆場的1/3。為減少人員登高作業(yè)風險，油套管堆存高度需控制在2m以下，極大限制了油套管垛位的堆存量。

自動碼垛設備的使用，無需人員登高作業(yè)，在降低作業(yè)風險的同時，可有效增加垛位堆存量。

6.增加數(shù)字化管理環(huán)節(jié)

目前油套管堆場有視頻識別系統(tǒng)用于統(tǒng)計數(shù)量，但僅限于堆場的數(shù)量統(tǒng)計，對于出入庫數(shù)量仍為傳統(tǒng)記賬模式，工作量大且易出錯。

增加識別系統(tǒng)，且對接基地自動化生產系統(tǒng)，自接收油套管需求至裝船發(fā)出，自動生成各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)，并動態(tài)顯示。

三、海洋石油基地油套管自動化堆存方案研究

關于油套管堆存，目前國內應用較為廣泛的是“天車+專用吊具”，以有人吊裝為主。無人智能吊裝僅應用在大型鋼企和港口碼頭，如寶鋼、唐鋼、天津港、洋山港等。本文主要以海洋石油基地油套管為例進行自動化堆存方案研究，通過綜合對比分析，提出以下油套管堆存自動化方案并進行研究。

1.天車形式

橋式起重機和門式軌道起重機具有場地利用率高、適應面廣、通用性強等特點，在港口貨場等場所得到廣泛使用[1]。

海洋石油基地油套管的存量大且規(guī)格多，各規(guī)格分類堆存導致占地面積大，轉場作業(yè)需求大，而橋式起重機和門式軌道起重機的作業(yè)面受軌道限制，需建設多臺設備才能滿足作業(yè)需求。輪胎門式起重機（如圖1所示）可滿足轉場需求，符合新型技術的發(fā)展趨勢[2][3]。

圖1 基輪胎門式起重機（圖片來自網(wǎng)絡）

本文依據(jù)海洋石油基地的場地規(guī)劃，及油套管的各項參數(shù)，對輪胎門式起重機進行改進，以適應油套管吊裝作業(yè)。設備示意圖，如圖2。

圖2 設備示意圖

2.專用吊具

電磁吊技術已相對成熟，具有吸力大、能耗低、自重輕等特點，廣泛應用于鋼鐵起吊搬運。不過，其對鋼鐵的“留磁”特性也不容忽視。

使用電磁吊裝卸會在油套管內“留磁”，磁性自然消除需要一定周期（周期時長待試驗驗證）。在“留磁”場景下，海上作業(yè)時會對測井和錄井的準確度帶來影響。磁性殘留對測井和錄井影響的閾值正在進行調研論證。暫時沒有電磁吊裝卸成品油套管案例可參考。

真空吸附技術需要的管徑大，接觸面積足夠才可成熟應用，常見于吸附鋼板和大尺寸鋼管。常用油套管因管徑小、接觸面積小，存在應用局限性。因此，本文對油套管專用吊具展開研究。

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參考木材夾抱叉車（如圖3所示）的工作模式對吊具進行設計，采用叉抬式吊運油套管，吊具主要由吊架、托板、限位桿、電動推桿、滑輪組、傳感器、攝像頭等組成[4][5][6]，如圖4所示。

圖3 木材夾抱叉車（圖片來自網(wǎng)絡）

圖4 專用吊具示意圖

吊具的托板厚度為80mm，單個托板承載1.5t時變形量約為5mm。為方便吊具的托板能穿入油套管的間隙，選擇的枕木厚度為150mm。

3.能源

自輪胎門式起重機（簡稱“輪胎吊”）面世以來，其主要的動力配置由柴油發(fā)電機組組成。眾所周知，為了滿足輪胎吊起升機構和小車全速運行時的峰值功率，通常配備的柴油發(fā)電機組功率需滿足其峰值功率需求，并留有一定余量，而輪胎吊的平均輔助功率卻非常小，這樣就造成大功率機組與小負載功率不匹配的問題，產生大量的能源消耗。另外，起升機構重物下放的過程及其他機構制動時產生的再生回饋能量，通過能耗制動電阻白白消耗掉，沒有得到回收利用。

為降低港口機械設備的能源消耗，減少碳排放量，通過對其關鍵技術進行分析，結合起重機的結構參數(shù)特點，在輪胎門式起重機上應用高性能鋰電池組供電，配備智能型快速自動充電站，實現(xiàn)在線快速自動充電，鋰電池組配備BMS電池管理系統(tǒng)，可防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。

4.關鍵點

（1）解綁后油套管的抓取

油套管的長度為1 0.3 6 m 至14.63m，現(xiàn)場即使同一型號的油套管也不能保證長度統(tǒng)一。根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)指導書的要求，油套管堆垛面對道路一側必須保證端面齊平（如圖5所示）。目前各類定位技術比較成熟，完全能夠滿足碼垛要求，但如果用天車逐根對齊油套管，無法滿足作業(yè)效率的要求；如果全部由人員來操作完成，則大量人員投入又不符合自動化的設想。

圖5 現(xiàn)場堆垛示意圖

油套管出廠時由鋼帶捆扎，碼垛前僅需操作人員在入庫區(qū)進行解扎作業(yè)。在入庫區(qū)垂直擺放兩條輥道，解扎后散開的油套管借助輥道的運輸與擋板的限位將其自動排列整齊，進入吊車抓取區(qū)等待后續(xù)碼垛作業(yè)。入庫區(qū)域規(guī)劃，如圖6所示。

圖6 入庫區(qū)示意圖

（2）堆垛區(qū)油套管的抓取

油套管出庫環(huán)節(jié)作業(yè)的效率，主要取決于每次抓取油套管的數(shù)量。抓取數(shù)量又取決于專用吊具的形式。根據(jù)整體規(guī)劃，現(xiàn)有堆垛形式需要將現(xiàn)有墊木的高度調整為150mm，來配合專用吊具抓取油套管。

兩層油套管之間鋪設150mm高的墊木用于間隔和支撐，吊具需要穿過油套管的間隙，并抓取足夠數(shù)量的油套管進行搬運。

5.整體方案

（1）堆場區(qū)域規(guī)劃

根據(jù)整體方案設計思路[7]，將油套管堆存區(qū)域劃分為“解綁區(qū)”、“堆垛區(qū)”、“捆扎區(qū)”，如圖7所示。

圖7 堆存區(qū)域劃分示意圖

（2）設備配置

設備主要由起重運輸桁架、移動式起升系統(tǒng)、轉向驅動輪組、吊具、駕駛室、電氣系統(tǒng)、鋰電池等組成。

起重運輸桁架主要用于自重及管材的承載。

移動式起升系統(tǒng)主要用于吊具的起升及桁架的跨度方向移動，滿足管材的堆垛高度和一端對齊的堆垛位置要求。

轉向驅動輪組用于設備的走行及轉向。轉向驅動輪組可實現(xiàn)±100°轉向，采用回轉軸承及轉向電機驅動；驅動輪組采用減速電機作為驅動力，滿足設備的行駛要求。

電氣系統(tǒng)采用模塊化設計，整個系統(tǒng)由控制模塊、行走驅動模塊、供電模塊、安全保護裝置等部分組成，主要負責設備的行走、停車及相關動作的判定等功能。

控制系統(tǒng)是設備的核心，PLC作為控制單元，通過I/0接口和各功能終端模塊連接，實時檢測各功能模塊的工作狀態(tài)，對異常情況按預定方案進行處理。控制系統(tǒng)有一套完整的監(jiān)控自診斷功能，可以在運行中自動診斷出系統(tǒng)的部件是否出現(xiàn)故障，在系統(tǒng)發(fā)生故障后，I/0的狀態(tài)返回到系統(tǒng)根據(jù)工藝要求預設置的狀態(tài)上。

（3）設備的動作過程

①入庫流程

。根據(jù)堆場實際尺寸進行垛位規(guī)劃，不同規(guī)格的油套管需要分垛位堆存，根據(jù)堆場不同規(guī)格油套管的存量比例規(guī)劃垛位數(shù)量。

。堆場管理系統(tǒng)接收到新的入庫油套管信息后，根據(jù)油套管的規(guī)格選擇堆場的垛位，并產生入庫工單，調度輪胎吊自動行至輥道的接料位完成對輥道上的一組油套管自動抓取。

。通過對不同規(guī)格油套管的直徑及重量的計算來確定吊具抓取的所需數(shù)量，并將抓取的油套管吊起脫離解扎區(qū)，吊具上的限位板自動下落。

。吊具將限位板收緊至設定位置，并將油套管排列緊湊，防止管材滑落。

。輪胎吊將油套管吊運至堆垛區(qū)指定的位置，通過位置及高度感知模塊的反饋，調整輪胎吊的吊具高度及位置，使管材一端對齊。吊具下落至管材接觸枕木上后，吊具松開油套管，輪胎吊后退至吊具可起升處。

②出庫流程

。堆場管理系統(tǒng)需要對接基地的平臺系統(tǒng)，獲取出海計劃，并將出海計劃分解成當日的油套管出庫計劃任務。系統(tǒng)對接形式支持軟件協(xié)議對接，可也進行出庫工單手工錄入方式。當堆場管理系統(tǒng)獲取到出庫計劃，會根據(jù)計劃內容包含的出庫物料查找到庫內該物料堆存位置，并將計劃分解成起重機可執(zhí)行的指令。

。輪胎吊行駛至指定垛位，吊具底部下落到傳感器檢測到第二層鋼管頂部，輪胎吊緩慢行駛讓吊具穿過第一層鋼管與第二層鋼管的間隙，吊具穿過滿足要求的鋼管數(shù)量后，吊具起升并完成限位板的收緊工作。在吊具的移動的過程中，可通過攝像頭的觀測進行調整。

。輪胎吊將對應數(shù)量的油套管搬運至綁扎區(qū)的輔助用具上，完成搬運出庫工作。

6.設備基本參數(shù)

（1）設備基本參數(shù)表（見表1）

（2）功效表（見表2）

表1設備基本參數(shù)表

表2功效表

四、規(guī)劃對比

將現(xiàn)有堆場模式和規(guī)劃后堆場模式的物流各項提升進行對比，詳見表3所示。

表3現(xiàn)有堆場模式與規(guī)劃后堆場模式對比表

五、總結和展望

作為海洋大國，我國海洋油氣資源豐富，是國家能源的重要組成部分。海洋石油基地是海洋油氣開發(fā)重要的后勤保障，升級現(xiàn)有基地資源，提高場地利用率，快物資周轉速度，對海洋油氣開發(fā)具有重要意義；希望通過本文對油套管堆存自動化的研究，為提高場地利用率、助力海洋石油基地建設有所幫助。