基于故障樹的水下管匯可靠性分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

許文虎，郭 宏，洪 毅，鄭利軍

(中海油研究總院，北京 100028)

基于故障樹的水下管匯可靠性分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

許文虎，郭 宏，洪 毅，鄭利軍

(中海油研究總院，北京 100028)

基于故障樹分析(FTA)方法，以南海某深水氣田水下管匯為目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行可靠性定性、定量分析，并提出兩種改進(jìn)方案以提高水下管匯的可靠度。通過對(duì)水下管匯故障樹模型的最小割集定性分析得出，管匯系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)為清管回路中的球閥、乙二醇輸送系統(tǒng)中的管線和閘閥。根據(jù)FTA定性分析結(jié)果，提出兩種改進(jìn)方案。針對(duì)管匯原設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案的故障樹模型，結(jié)合管匯各組成單元的失效率數(shù)據(jù)，定量計(jì)算其可靠度，結(jié)果表明兩種改進(jìn)方案均可大幅提高水下管匯的可靠度，分別將管匯在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的可靠度由約44.12%提高至91.86%和82.68%?？蔀樗鹿軈R的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

故障樹分析；水下管匯；可靠性；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

0 引 言

隨著海洋石油開發(fā)向深海發(fā)展，水下生產(chǎn)系統(tǒng)已越來越多地應(yīng)用于我國(guó)南海油氣資源的開發(fā)[1-2]。隨著開發(fā)水深的增加，投入和風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。水下設(shè)備的可靠性受到了高度重視。一旦水下設(shè)備發(fā)生故障或失效，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染等災(zāi)難性后果，因此對(duì)其進(jìn)行可靠性分析以保證其具有高可靠度顯得尤為重要。國(guó)外已有對(duì)水下安全閥、水下電力系統(tǒng)等[3-7]進(jìn)行的可靠性分析，而國(guó)內(nèi)目前針對(duì)水下設(shè)備的可靠性分析較少，這方面研究工作尚有待加強(qiáng)。本文以中國(guó)南海某深水氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)中東區(qū)管匯的設(shè)計(jì)方案為研究目標(biāo)，使用故障樹分析(FTA)[8-9]方法對(duì)其進(jìn)行可靠性的定性和定量分析，找出水下管匯的薄弱環(huán)節(jié)，并相應(yīng)提出兩種改進(jìn)方案。定量計(jì)算結(jié)果表明兩種改進(jìn)方案均可大幅提高水下管匯的可靠度，可為水下管匯的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 水下管匯故障樹模型

本文研究的水下管匯如圖1所示。其主要功能為匯集3口生產(chǎn)井的產(chǎn)液混合后外輸；向井口注入化學(xué)藥劑；控制產(chǎn)液的流向；實(shí)現(xiàn)井口之間的隔離等。不考慮只在停產(chǎn)再開井時(shí)才用到或者應(yīng)急時(shí)才用到的甲醇注入系統(tǒng)和放空系統(tǒng)，管匯系統(tǒng)由匯管和清管回路、生產(chǎn)支管、乙二醇管線、低壓液壓管、高壓液壓管等部分組成。分別對(duì)各部分建立可靠性框圖，然后建立管匯系統(tǒng)的可靠性框圖。

圖1 水下管匯示意圖Fig.1 Schematic diagram of subsea manifold

圖2 匯管和清管回路系統(tǒng)的可靠性框圖Fig.2 Reliability block diagram of header and pigging system

先考慮匯管系統(tǒng)和清管回路系統(tǒng)。匯管系統(tǒng)包括兩根匯管，每根匯管由12英寸(1英寸=2.54cm)管線、12英寸球閥和連接器組成。管匯中的清管回路系統(tǒng)包括一段不可拆卸的清管管線和一個(gè)球閥。從可靠性關(guān)系來看，下列兩種情況只要出現(xiàn)一種，就認(rèn)為匯管系統(tǒng)和清管回路系統(tǒng)失效：清管回路的球閥出現(xiàn)故障；一根匯管中一個(gè)單元與另一根匯管中的某個(gè)單元同時(shí)出現(xiàn)故障。因此匯管和清管回路系統(tǒng)的可靠性模型是這兩種情況的串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠性框圖如圖2所示。 使用類似的分析方法，可得生產(chǎn)支管系統(tǒng)、乙二醇管線系統(tǒng)、低壓液壓管系統(tǒng)和高壓液壓管系統(tǒng)的可靠性框圖分別如圖3～6所示。

圖3 生產(chǎn)支管系統(tǒng)的可靠性框圖Fig.3 Reliability block diagram of production branch

圖4 乙二醇管線系統(tǒng)可靠性框圖Fig.4 Reliability block diagram of ethylene glycol piping

圖5 低壓液壓管系統(tǒng)的可靠性框圖Fig.5 Reliability block diagram of low pressure hydraulic piping

圖6 高壓液壓管系統(tǒng)的可靠性框圖Fig.6 Reliability block diagram of high pressure hydraulic piping

匯管和清管回路、生產(chǎn)支管、乙二醇管線、低壓液壓管、高壓液壓管5個(gè)系統(tǒng)中，任何一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，水下管匯就出現(xiàn)故障，因此水下管匯系統(tǒng)的可靠性框圖是這5個(gè)系統(tǒng)的串聯(lián)模型，如圖7所示。

根據(jù)水下管匯系統(tǒng)的可靠性模型，其故障樹如圖8所示。故障樹中的事件描述如表1所示。

圖7 水下管匯可靠性框圖Fig.7 Reliability block diagram of subsea manifold

圖8 水下管匯系統(tǒng)故障樹模型Fig.8 Fault tree model of subsea manifold

事件代表含義事件代表含義T 水下管匯發(fā)生故障M9 生產(chǎn)支管1發(fā)生故障M1 匯管和清管回路系統(tǒng)發(fā)生故障M′9 連接器、兩根去往匯管的管線中的閘閥出現(xiàn)故障M2 生產(chǎn)支管系統(tǒng)發(fā)生故障M″9 兩根去往匯管的管線同時(shí)出現(xiàn)故障M3 乙二醇管線系統(tǒng)發(fā)生故障M10 生產(chǎn)支管2發(fā)生故障M′3 去往匯管的乙二醇管線和管線中的兩個(gè)單向閥發(fā)生故障M11 生產(chǎn)支管3發(fā)生故障M″3 去往三口生產(chǎn)井的乙二醇輸送系統(tǒng)發(fā)生故障M12 低壓液壓管出現(xiàn)故障M?3 去往匯管的乙二醇管線和管線中的一個(gè)單向閥發(fā)生故障M13 備用低壓液壓管出現(xiàn)故障M3″″ 去往1井口的乙二醇管線和1井口的化學(xué)藥劑接口發(fā)生故障M14 高壓液壓管出現(xiàn)故障M3″″′ 去往3井口的乙二醇管線和化學(xué)藥劑接口發(fā)生故障M15 備用高壓液壓管出現(xiàn)故障M4 低壓液壓管系統(tǒng)發(fā)生故障X1 匯管1中的管線出現(xiàn)故障M5 高壓液壓管系統(tǒng)發(fā)生故障X2 匯管1中的球閥出現(xiàn)故障M6 匯管1、2同時(shí)出現(xiàn)故障X3 匯管1中的連接器出現(xiàn)故障M7 匯管1出現(xiàn)故障X4 匯管2中的管線出現(xiàn)故障M8 匯管2出現(xiàn)故障X5 匯管2中的球閥出現(xiàn)故障

(續(xù)表)

(續(xù)表)

2 水下管匯FTA定性和定量分析

2.1FTA定性分析

可根據(jù)最小割集法對(duì)水下管匯故障樹模型進(jìn)行定性分析。

(1)故障樹包括[X7]、[X23]、[X24]、[X25]、[X27]、[X29]、[X32]、[X34]、[X37]等9個(gè)一階最小割集；[X1，X4]等124個(gè)二階割集；還有三階、四階、五階、六階等高階割集。階數(shù)越小的最小割集，其中的割集元素即底事件的可靠性對(duì)系統(tǒng)可靠性影響就越大。例如一階最小割集只含1個(gè)底事件，只要其對(duì)應(yīng)的1個(gè)單元出了故障，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)故障。對(duì)應(yīng)底事件和單元(見表1)可知，管匯系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)為清管回路中的球閥、乙二醇輸送系統(tǒng)中的管線和閘閥。

(2)各底事件在不同階數(shù)的最小割集中出現(xiàn)的次數(shù)越多，其對(duì)應(yīng)單元的重要性越大。對(duì)124個(gè)二階割集而言，根據(jù)各底事件出現(xiàn)的次數(shù)，其對(duì)應(yīng)單元的重要性為X39、…、X54>X55、…、X68>X1、X2>X30>X31、X33。高階最小割集中對(duì)應(yīng)單元重要度相對(duì)較小。

2.2FTA定量分析

由圖8可知，水下管匯的失效概率P(t)即不可靠度F(t)是由匯管和清管回路、生產(chǎn)支管、乙二醇管線、低壓液壓管、高壓液壓管5個(gè)系統(tǒng)組成的邏輯“或門”結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于這5個(gè)系統(tǒng)組成的串聯(lián)系統(tǒng)，則管匯的可靠度為

R(t)=1-P(t)=R(M1)R(M2)R(M3)·

R(M4)R(M5).

(1)

假定管匯各單元的失效分布服從指數(shù)分布，則管匯各單元的可靠度為

R(Xi)=e-λit,i=1,2,…,68,

(2)

式中:t代表時(shí)間，h；λi為故障樹中底事件對(duì)應(yīng)單元的失效率，其值可由OREDA數(shù)據(jù)庫(kù)[10]查得。

根據(jù)水下管匯故障樹模型中各底事件單元與管匯系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，由式(1)和式(2)可得管匯的可靠度為

R(t)=(2e-2.37×10-6t-e-4.51×10-6t)·{1-[1-(2e-3.15×10-6t-e-4.17×10-6t)]3}·(e-0.34×10-6t+2e-1.35×10-6t+e-2.92×10-6t-2e-1.63×10-6t-e-2.64×10-6t)·(e-1.26×10-6t+e-2.27×10-6t-e-2.34×10-6t)·(2e-3.26×10-6te-6.52×10-6t)·(2e-3.22×10-6t-e-6.44×10-6t).

(3)

由式(3)可得管匯的可靠度曲線，如圖9所示。

圖9 水下管匯可靠度曲線Fig.9 Reliability curve of subsea manifold

由圖9可知，水下管匯系統(tǒng)的可靠度隨著時(shí)間的增加而逐漸下降，在到達(dá)其使用壽命20年時(shí)，管匯的可靠度只有44.12%。在該設(shè)計(jì)方案下管匯的可靠度過低，需改進(jìn)設(shè)計(jì)方案來提高其可靠度。

3 水下管匯設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

由水下管匯故障樹最小割集定性分析可知，一階、二階割集對(duì)應(yīng)的單元對(duì)管匯可靠度影響最大，應(yīng)從這些單元入手，采取措施來提高管匯的可靠性。據(jù)此提出如下兩種改進(jìn)方案。

改進(jìn)方案一：

(1)清管回路中增加一個(gè)球閥，去掉兩根匯管中的球閥。

(2)乙二醇、液壓油不再經(jīng)過管匯分配后通往采油樹，而是由水下分配單元通過臍帶纜分別直接分配給管匯和采油樹。

采用改進(jìn)方案一時(shí)，管匯的故障樹如圖10所示。

圖10 改進(jìn)方案一對(duì)應(yīng)的水下管匯故障樹Fig.10 Fault tree model of improvement scheme 1

改進(jìn)方案二：

(1)清管回路中增加一個(gè)球閥，去掉兩根匯管中的球閥。

(2)備用一條乙二醇管線。

表2 改進(jìn)方案一故障樹中部分事件描述

(3)原設(shè)計(jì)方案中只要液壓油輸送管線中有一處泄漏，整個(gè)輸送系統(tǒng)就需關(guān)閉。建議在液壓油去往采油樹的輸送管線中增加常開公用隔離閘閥，這樣當(dāng)其中某條管線或液壓接口泄漏時(shí)，可以關(guān)閉對(duì)應(yīng)閘閥斷開該線路中的液壓油輸送，而不影響其他管線中液壓油的輸送。

采用改進(jìn)方案二時(shí)，管匯的故障樹如圖11所示。

圖11 改進(jìn)方案二對(duì)應(yīng)的水下管匯故障樹Fig.11 Fault tree model of improvement scheme 2

事件代表含義事件代表含義M13 一條乙二醇管線系統(tǒng)發(fā)生故障M14″′ 去往3井口的高壓液壓油輸送系統(tǒng)發(fā)生故障M23 備用乙二醇管線系統(tǒng)發(fā)生故障X71 去往1井口的低壓液壓油輸送系統(tǒng)中的閘閥發(fā)生故障M′12 去往三口生產(chǎn)井的低壓液壓油輸送系統(tǒng)發(fā)生故障X72 去往2井口的低壓液壓油輸送系統(tǒng)中的閘閥發(fā)生故障M″12 去往1、2井口的低壓液壓油輸送系統(tǒng)發(fā)生故障X73 去往3井口的低壓液壓油輸送系統(tǒng)中的閘閥發(fā)生故障M12″′ 去往3井口的低壓液壓油輸送系統(tǒng)發(fā)生故障X74 去往1井口的備用低壓液壓油輸送系統(tǒng)中的閘閥發(fā)生故障M′14 去往三口生產(chǎn)井的高壓液壓油輸送系統(tǒng)發(fā)生故障X75 去往2井口的備用低壓液壓油輸送系統(tǒng)中的閘閥發(fā)生故障M″14 去往1、2井口的高壓液壓油輸送系統(tǒng)發(fā)生故障X76 去往3井口的備用低壓液壓油輸送系統(tǒng)中的閘閥發(fā)生故障

(續(xù)表)

采用與計(jì)算原方案管匯可靠度相同的方法，可得兩種改進(jìn)方案下管匯的可靠度曲線，如圖12所示。

圖12 改進(jìn)方案下水下管匯可靠度曲線Fig.12 Reliability curves of improvement schemes

由圖12可知：(1)兩種改進(jìn)方案均可大幅提高水下管匯在其使用壽命內(nèi)的可靠度，分別將管匯在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的可靠度由約44.12%提高至91.86%和82.68%。(2)改進(jìn)方案二中管匯的可靠度雖然低于改進(jìn)方案一，但其優(yōu)點(diǎn)是保留了管匯分配乙二醇和液壓油的功能。

4 結(jié) 語

由FTA定性分析可知一階、二階最小割集對(duì)應(yīng)的單元如清管回路中的球閥，乙二醇管線系統(tǒng)，高、低液壓油管系統(tǒng)，這些單元對(duì)管匯可靠度影響最大。可從這些單元入手采取措施，提高管匯可靠性。由FTA定量計(jì)算可得管匯在20年的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)可靠度約為44.12%，可靠度過低，需改進(jìn)方案以提高管匯的可靠性。提出了兩種改進(jìn)方案，均可大幅提高水下管匯在其使用壽命內(nèi)的可靠度，分別將管匯在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的可靠度提高至91.86%和82.68%。這種研究方法不僅可為水下管匯的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒，還對(duì)提高海洋石油開發(fā)的可靠性、降低風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約成本具有積極的意義。

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ReliabilityAnalysisofSubseaManifoldandDesignOptimizationBasedonFaultTreeAnalysis

XU Wen-hu, GUO Hong, HONG Yi, ZHENG Li-jun

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Fault tree analysis is used to analyze the reliability of the eastern subsea manifold of a deepwater gas field in the South China Sea both qualitatively and quantitatively, and two schemes are proposed to improve the reliability of the subsea manifold. The weak links of the manifold system are ball valves of pigging loop, and piping and gate valves for the ethylene glycol transport according to the minimum cuts of the manifold fault tree model. Two improvement schemes are put forward. The reliability of the subsea manifold is calculated quantitatively based on the fault tree models of the original plan and the improved schemes combined with the failure rate data of the manifold components. The results show that both of the two improvement schemes can greatly increase the manifold’s reliability, from about 44.12% to 91.86% or 82.68% during the manifold’s design life, which provides a reference for the subsea manifold design.

fault tree analysis; subsea manifold; reliability; design; optimization

TE952

A

2095-7297(2015)04-0215-10

2015-08-01

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-003)

許文虎(1981—)，男，博士，主要從事水下生產(chǎn)系統(tǒng)方面的研究。