采氣井口裝置的故障樹分析

茹賢林

（大慶油田裝備制造集團(tuán)采油裝備制造分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

采氣井口是氣田進(jìn)行天然氣開采的關(guān)鍵裝置，主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)開采氣流的通斷、控制及引導(dǎo)，同時(shí)采氣井口還有懸掛油管并實(shí)現(xiàn)油套環(huán)空密封的作用，采氣井口能夠有效的控制井下的氣壓，而且還是采氣生產(chǎn)作業(yè)過程中一種承壓設(shè)備，在氣田的生產(chǎn)開采中采氣井口是一種非常重要的地面設(shè)施，對(duì)氣田的安全生產(chǎn)作業(yè)有著非常重要的作用。不僅具有安全、穩(wěn)定的運(yùn)行性能，而且抗腐蝕、耐磨性較好，容易實(shí)現(xiàn)互換，使用壽命長(zhǎng)。一般情況下，采氣井口的運(yùn)行環(huán)境都在露天的環(huán)境下，而采氣井口出現(xiàn)故障與井口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造材料，以及制造工藝流程、天然氣的組分等都有非常大的關(guān)系，因此采氣井口出現(xiàn)故障的形式也非常復(fù)雜，一旦出現(xiàn)故障很容易造成氣井失控，輕則造成天然氣資源的浪費(fèi)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致重大的人員傷亡事故。因此針對(duì)采氣井口裝置進(jìn)行故障分析，并找出造成故障的主要原因，并采取相應(yīng)措施，做到提前預(yù)防和減少事故的發(fā)生。

1 故障樹分析方法概述

故障樹分析方法是20世紀(jì)60年代由美國(guó)貝爾電報(bào)公司在實(shí)驗(yàn)時(shí)提出的一種邏輯分析方法，通過故障樹的繪制來展開故障分析，主要特點(diǎn)就是形象直觀、簡(jiǎn)潔明了和邏輯性強(qiáng)，不僅可以做出定性分析，還可進(jìn)行定量分析。故障樹圖是故障分析方常用的一種邏輯上存在因果關(guān)系的圖形化設(shè)計(jì)方法，故障樹圖在一定程度上反應(yīng)了部件之間的因果關(guān)系，可以通過某一個(gè)部件的狀態(tài)來反應(yīng)出整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過事件符號(hào)、邏輯門符號(hào)、轉(zhuǎn)移符號(hào)等不同的符號(hào)等，來對(duì)不同事件之間的因果關(guān)系進(jìn)行反應(yīng)。

2 采氣井口部件失效分析

針對(duì)采氣井口零部件進(jìn)行故障分析的最終目的，是為了根據(jù)零部件故障的原因來找到相應(yīng)的預(yù)防措施，而采氣井口裝置零部件故障的查找往往是從零部件的制造材料、設(shè)計(jì)、制造工藝、使用環(huán)境、介質(zhì)組分等幾個(gè)角度進(jìn)行的，因此在實(shí)際的故障排查過程中要從故障的表象出發(fā)來找出故障發(fā)生的本質(zhì)，這樣才能找到真正的解決措施。

采氣井口裝置的一些零部件中存在摩擦副，而摩擦副在相互接觸的過程中產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)，導(dǎo)致零部件接觸表面材料的大量流失，使零部件產(chǎn)生磨損。

（1）黏著磨損。采氣井口裝置中的閘板與閥座之間、盤根與閥桿之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)是接觸表面凸起部分產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在外力的作用下相互接觸的摩擦副會(huì)產(chǎn)生塑性形變并出現(xiàn)互相粘附的現(xiàn)象，這樣在產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相互的切力，這樣材料性能較差的摩擦副就會(huì)出現(xiàn)損壞，并在表面產(chǎn)生凹坑。

（2）磨粒磨損與沖蝕磨損。天然氣的氣流中往往會(huì)摻雜著一些顆粒雜質(zhì)，當(dāng)這些雜質(zhì)進(jìn)入摩擦表面時(shí)，一些硬度相對(duì)較大的顆粒就會(huì)在外力的作用下被壓入金屬表面的材料中，或迫使盤根表面出現(xiàn)塑性形變。另外，天然氣氣流中的一些雜質(zhì)或污染物進(jìn)入閘板與閥座或者閥針與閥座之間的時(shí)候，會(huì)在順著氣流的方向上產(chǎn)生沖蝕作用，并在零部件的表面留下蝕槽或較深的溝槽，導(dǎo)致零部件表面的金屬材料流失。

（3）腐蝕磨損。由于閘板跟閥座始終處在含有硫化氫、二氧化硫等腐蝕性介質(zhì)的條件下，因此表面會(huì)在腐蝕性氣體的作用下形成化合物，這些化合物會(huì)在閘板開關(guān)的過程中被磨掉，而裸露出來的新鮮金屬表面又會(huì)在腐蝕作用下被磨損，從而運(yùn)行磨損與腐蝕的相互促進(jìn)，加速了閘板與閥座的損壞。而展板與閥座以及閥針與閥座之間產(chǎn)生的磨損，通常情況下會(huì)同時(shí)具備上述幾種磨損情況，只是在不同的工藝流程下磨損的主導(dǎo)作用不同。而采氣井口產(chǎn)生中的閘板以及針閥等還會(huì)產(chǎn)生電池反應(yīng)，從而導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕，加劇了零件的損壞。

3 采氣井口故障樹分析

3.1 假設(shè)條件

要想使用故障樹法對(duì)采氣井口裝置故障進(jìn)行分析，首先要建立起采氣井口裝置故障樹，因此根據(jù)采氣井口的現(xiàn)場(chǎng)使用情況提出了以下假設(shè)條件。

（1）該采氣井口井下壓力充足，氣井的儲(chǔ)量豐富。

（2）針閥的作用僅是調(diào)節(jié)氣井的產(chǎn)量，不會(huì)被用來進(jìn)行截流。

（3）在本次分析過程中將忽略管線產(chǎn)生的漏失。

（4）該氣井處于正常的穩(wěn)產(chǎn)階段。

（5）整個(gè)采氣系統(tǒng)或單一的采氣井口設(shè)備只能處于正常運(yùn)行或失效的狀態(tài)。

（6）采氣井口裝置中的相關(guān)設(shè)備是獨(dú)立存在的，某一裝置出現(xiàn)障時(shí)不會(huì)對(duì)其他裝置的運(yùn)行造成影響。

（7）其中有3個(gè)閥是作為備用閥件，將其假設(shè)為閥1，閥2和閥3，其對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生的影響很小。

3.2 建立采氣井口裝置故障樹

將采氣井口裝置對(duì)氣井的正常生產(chǎn)產(chǎn)生的影響作為頂事件，通過對(duì)采氣現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的相關(guān)理論分析以及大量的試驗(yàn)后建立采氣井口裝置的故障樹（圖1）。

3.3 采氣井口裝置的故障樹分析方法

（1）故障樹分析方法中主要有定性及定量2種分析方法。通過定性分析可以將基本事件在發(fā)生后對(duì)故障樹產(chǎn)生的具體影響進(jìn)行明確。而定量分析是將故障樹中的最小割集全部求解出來，而最小割集能夠?qū)⑾到y(tǒng)整體的故障方式全部反應(yīng)出來，因此所有的最小割集組合在一起形成的系統(tǒng)又被稱為是故障譜。然后可以通過故障譜來找出系統(tǒng)中最為薄弱的環(huán)節(jié)，并針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)提出相應(yīng)的解決措施，這樣就可不斷的提升系統(tǒng)整體運(yùn)行的可靠性。在采氣井口裝置故障樹的最小割集求解過程中主要使用了布爾代數(shù)求解方法，總共求解出了4個(gè)最小割集，分別是 K1={X4}；K2={X5}；K3={X8，X9}；K4={X1，X8，X9}。

（2）通過對(duì)采氣井口裝置故障樹的定量分析后得出，根據(jù)采氣井口裝置相關(guān)設(shè)備的重要度分析后發(fā)現(xiàn)，在采氣井口裝置故障樹中，X4，X5的結(jié)構(gòu)重要度是最大的，結(jié)構(gòu)重要度次之的是X1，而結(jié)構(gòu)重要度最小的是X8和X9。由此可見，在采氣井口裝置運(yùn)行過程中漏失是對(duì)井口裝置運(yùn)行產(chǎn)生影響最大的原因，而本次分析過程中已經(jīng)假設(shè)管線漏失可以忽略，那么就可以看出，針閥的質(zhì)量性能是影響采氣井口裝置運(yùn)行最主要的因素。因此，要針對(duì)針閥的制造材料進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)要加強(qiáng)在工藝的控制，這樣才能提升采氣井口裝置在運(yùn)行過程中的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

故障樹分析方法的發(fā)展使得針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的可靠性以及風(fēng)險(xiǎn)分析更加完善，而且能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)故障的預(yù)測(cè)，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)故障后的原因分析，針對(duì)采氣井口裝置進(jìn)行的故障樹分析目前來說還不是很完善，仍然有很多地方需要修正。因此，該方法只能對(duì)采氣井口裝置的故障分析形成一定的指導(dǎo)作用。