基于故障樹的水下連接器可靠性分析

中國船級社 萬 波 孫政策 海洋石油工程股份有限公司 姜瑛 曹永 北京石油化工學院 陳景皓

隨著深海石油的開發(fā)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)（包括水下采油樹、水下管匯、水下連接器等生產(chǎn)工具）在海洋石油開發(fā)中將得到越來越廣泛的應用。水下連接器作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要設備，其功能為實現(xiàn)水下生產(chǎn)設施之間的安全、可靠連接。如水下采油樹與跨接管，水下管匯與跨接管，跨接管與PLET之間的連接。水下連接器長期置于海底，受到各種載荷和環(huán)境因素的作用。由于水下連接器的更換需要專門的船只，更換費用非常昂貴，應盡量避免在工作壽命內(nèi)出現(xiàn)置換。因為其長期受海底環(huán)境及載荷作用，因此對水下連接器的可靠性分析是一個必須的過程。

常用的可靠性分析方法有FMEA、故障樹法、馬爾可夫法等。國內(nèi)外學者利用這些方法對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性及故障分析開展了很多研究工作。史建東和弓大為以H-4型水下連接器現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象為例，通過對H-4型水下連接器的結(jié)構原理進行分析，尋找連接器在現(xiàn)場使用時發(fā)生脫不開的故障的原因，并提出了預防的措施。趙紅等人采用FMEA法分析了影響深水防噴器控制系統(tǒng)可靠性的潛在危險因素以及薄弱環(huán)節(jié)。Frank利用可靠性分析工具來提高水下系統(tǒng)的可靠性，采用FMECA法分析執(zhí)行機構，采用故障樹法分析控制閥，采用可靠性框圖法分析液壓動力單元。Lee等人采用可靠性框圖的方法對水下生產(chǎn)系統(tǒng)進行定量分析。薛魯寧等人采用馬爾可夫法對水下防噴器的可靠性進行研究。Caroline等人基于API RP 17N分析水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性和可用性來改善項目的整體設計。

本文在分析水下連接器失效模式及失效原因的基礎上采用故障樹法對水下連接器驅(qū)動環(huán)的可靠性進行定性分析。尋找影響水下連接器驅(qū)動環(huán)可靠性的關鍵因素，為其設計和使用提供參考依據(jù)。

水下連接器驅(qū)動環(huán)故障樹模型的建立

在事故定性與定量分析方法方面，故障樹分析（FTA），是一種公認的推導事故與引導因素間關系，同時能進行定性與定量分析的評估技術。FTA具有可在事故未發(fā)生前加以評量事故發(fā)生的可能性，以改善和提高安全性的優(yōu)點。過去30年來，F(xiàn)TA在國外經(jīng)歷廣泛的應用而證明其實用性甚高。根據(jù)以下步驟建立水下連接器驅(qū)動環(huán)的故障樹模型：

1）廣泛收集并分析系統(tǒng)及其故障的有關資料。包括系統(tǒng)的設計資料、試驗資料、使用維護資料、用戶信息等。深入了解、熟悉，同時調(diào)查分析對象以往發(fā)生過的事故及事故類型。水下生產(chǎn)系統(tǒng)設備的可靠性數(shù)據(jù)，可通過查閱相關的數(shù)據(jù)庫和手冊得到，如OREDA。

2）選擇頂事件。頂事件的選取，根據(jù)分析目的的不同，分別選取對系統(tǒng)技術性能、經(jīng)濟性、可靠性和安全性影響顯著的故障事件。本文選擇驅(qū)動環(huán)失效為頂事件。

3）建造故障樹。故障樹是一種特殊的倒立樹狀因果關系邏輯圖。用事件符號、邏輯門符號和轉(zhuǎn)移符號描述系統(tǒng)中各事件之間的因果關系。對于復雜系統(tǒng)，建樹時應按照系統(tǒng)層次逐級展開，利用故障樹專用的事件和邏輯門符號將故障樹事件之間邏輯推理關系表達出來。邏輯門的輸入事件是輸出事件的“因”，邏輯門的輸出事件是輸入事件的“果”。因此，建立水下連接器驅(qū)動環(huán)的故障樹模型如圖1所示。

圖1 水下連接器驅(qū)動環(huán)故障樹模型

水下連接器驅(qū)動環(huán)可靠性定性分析

故障樹定性分析的目的在于尋找導致頂事件發(fā)生的原因事件及原因事件的組合，即識別導致頂事件發(fā)生的所有故障模式集合，幫助分析人員發(fā)現(xiàn)潛在的故障，發(fā)現(xiàn)設計的薄弱環(huán)節(jié)，以便改進設計，還可用于指導故障診斷，改進使用和維修方案。即尋找圖1所示的水下連接器驅(qū)動環(huán)故障樹模型的最小割集，求最小割集的方法常用的有上行法和下行法。

本文采用下行法進行求解。下行法是根據(jù)故障樹的實際結(jié)構，從頂層事件開始，逐層向下尋查，找出割集。規(guī)則就是遇到“與門”增加割集階數(shù)（割集所含底事件數(shù)目），遇到“或門”增加割集個數(shù)。具體做法就是把從頂事件開始，逐層在向下尋查的過程橫向列表，遇到“與門”就將其輸入事件取代輸出事件排在表格的同一行下一列內(nèi)，遇到“或門”就將其輸入事件在下一列縱向依次展開，直到到達故障樹的最底層。依據(jù)上述原則，對第2節(jié)所建立的水下連接器驅(qū)動環(huán)故障樹模型進行定性分析，尋找割集。見表1，共得到21個割集，均為最小割集：

｛X1，X4，X2，X3｝，｛X1，X5，X2，X3｝，｛X1，X6，X2，X3｝，｛X1，X7，X2，X3｝，｛X1，X8，X2，X3｝，｛X9｝，｛X10｝，｛X11｝，｛X12｝，｛X13｝，｛X14｝，｛X15｝，｛X16｝，｛X17｝，｛X18｝，｛X22，X19｝，｛X22，X20｝，｛X22，X21｝，｛X23，X19｝，｛X23，X20｝，｛X23，X21｝，

表1 下行法求水下連接器驅(qū)動環(huán)故障樹割集

步驟 1 2 3 4 M10 X16 X17 X13 X18 X14 X22,M12 X17 X23,M12 X18 X22,X19 X22,X20 X22,X21 X23,X19 X23,X20 X23,X21

結(jié)構重要度分析

故障樹是由眾多基本事件構成的，這些基本事件對頂事件均產(chǎn)生影響，但影響程度不同。在制定安全防范措施時，必須有個先后次序、輕重緩急，以便使系統(tǒng)達到經(jīng)濟、有效、安全的目的。結(jié)構重要度分析在缺乏定量分析數(shù)據(jù)的情況下，不考慮基本事件發(fā)生的概率是多少，僅從故障樹結(jié)構上分析各基本事件的發(fā)生對頂事件發(fā)生的影響程度，用重要度系數(shù)表示：

式中，Ik(i)為重要度系數(shù)，Xi為第i個基本事件，k為最小割集的個數(shù)，n為基本事件的個數(shù)，mr為Er最小割集中基本事件的個數(shù)。

根據(jù)公式（1）計算出各個基本事件的重要度系數(shù)為：

從上述計算可知事件的結(jié)構重要度關系為：

結(jié)論

1. 本文對水下連接器驅(qū)動環(huán)失效模式及失效原因進行分析，建立了故障樹模型。采用下行法對水下連接器故障樹模型進行求解，得到21個最小割集。通過對結(jié)構重要度分析得到X22，X23，X1，X2，X3結(jié)構重要度系數(shù)較大。由此可見，二次鎖緊失效和腐蝕失效對水下連接器驅(qū)動環(huán)的影響程度較大。通過對導致驅(qū)動環(huán)失效的主要影響因素進行控制和重點預防，可將事故發(fā)生的可能性降到最低，并針對失效事故提前制定處理方案。

2. CCS可提供的服務：

（1） 水下生產(chǎn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設計審查；

（2） 產(chǎn)品的原型試驗鑒定；

（3）水下生產(chǎn)設備、控制設備、分離設備、增壓設備鑒證檢驗：

制造過程檢驗；

工廠/出廠試驗（FAT）；

延伸工廠試驗（EFAT）；

系統(tǒng)完整性試驗（SIT）；

場地接收試驗（SAT）；

安裝與回收等。

3. 客戶獲益：

（1）水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)與設備符合我國主管機關（國家安監(jiān)生產(chǎn)監(jiān)督總局）的相應要求；整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)獲得CCS簽發(fā)的符合證書。

（2）水下生產(chǎn)設備、控制設備、分離設備、增壓設備等產(chǎn)品獲得CCS簽發(fā)的“海上固定設施產(chǎn)品檢驗證書”。

（3）新產(chǎn)品的設計獲得CCS的認可。