FMEA 分析在頂驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用

高 瀚,王洋紳,王 博,孫鈺淇

（1.北京石油機(jī)械有限公司,北京 102206；2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司,北京 102206）

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置是集鉆井工藝技術(shù)和機(jī)電液一體化的油氣鉆采專用設(shè)備,其發(fā)展與應(yīng)用完全順應(yīng)了世界鉆井工業(yè)發(fā)展趨勢(shì),尤其是針對(duì)越來越多的非常規(guī)井、深井、超深井、復(fù)雜井及海洋鉆井等需求,頂驅(qū)已經(jīng)成為油氣鉆采作業(yè)的必需裝備。動(dòng)力系統(tǒng)作為頂驅(qū)的核心系統(tǒng),其可靠性是頂驅(qū)穩(wěn)定運(yùn)行的決定性保障,動(dòng)力系統(tǒng)的故障不僅會(huì)使裝備全面停擺,更可能帶來嚴(yán)重的井下風(fēng)險(xiǎn)或事故。利用失效模式及影響分析（Failure Mode and Effect Analysis,FMEA）,對(duì)頂驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行量化的失效分析,以獲得全面可信的故障預(yù)防數(shù)據(jù),可將風(fēng)險(xiǎn)控制及質(zhì)量管理貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、應(yīng)用全生命周期[1]。本研究對(duì)頂驅(qū)的動(dòng)力系統(tǒng)涉及到的所有動(dòng)力部件,分析各種潛在故障模式及其影響,梳理歸納出所有的故障,分析評(píng)估每種故障模式的影響及其后果,同時(shí)給出降低或消除每種故障模式及其風(fēng)險(xiǎn)的方法,提出可以采取的設(shè)計(jì)、預(yù)防、改進(jìn)措施,提高動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性。

1 FMEA 及頂驅(qū)各系統(tǒng)

1.1 FMEA

失效模式及影響分析（Failure Mode and Effects Analysis, FMEA）是一種始于20 世紀(jì)50 年代的可靠性分析方法,近年來逐步推廣應(yīng)用至航空、機(jī)械、汽車等工業(yè)領(lǐng)域[2-3]。在工業(yè)設(shè)備的研制改進(jìn)中,FMEA 方法的應(yīng)用可體現(xiàn)以下流程：

1.1.1 集中收集數(shù)據(jù),調(diào)研生產(chǎn)、應(yīng)用環(huán)節(jié),細(xì)化各種故障模式。

1.1.2 分析影響,對(duì)梳理出的故障進(jìn)行可量化的分析。

1.1.3 制定措施,對(duì)超出接收標(biāo)準(zhǔn)的故障模式進(jìn)行改進(jìn),在設(shè)計(jì)階段針對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行改進(jìn),盡可能在設(shè)計(jì)階段消除故障源頭。

1.1.4 二次評(píng)估,對(duì)改進(jìn)后的故障模式進(jìn)行量化分析。

1.1.5 驗(yàn)證措施,結(jié)合試驗(yàn)和應(yīng)用驗(yàn)證改進(jìn)及二次評(píng)估結(jié)果正確性。

1.1.6 形成模板,將經(jīng)過驗(yàn)證的分析流程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,形成可應(yīng)用于設(shè)備整體的有效模板。

1.2 頂驅(qū)及各系統(tǒng)介紹

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置從結(jié)構(gòu)上一般分為：頂驅(qū)本體、導(dǎo)軌與滑車、傳動(dòng)與控制系統(tǒng)。頂驅(qū)故障樹的建立將在其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,綜合部件功能重新進(jìn)行系統(tǒng)劃分,常規(guī)頂驅(qū)的關(guān)鍵系統(tǒng)包含：電控系統(tǒng)、液控系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、主承載系統(tǒng)、管子處理器及導(dǎo)軌滑車等。

電控系統(tǒng)相當(dāng)于頂驅(qū)的大腦及中樞神經(jīng),負(fù)責(zé)指令控制、信號(hào)采集、處理、輸出。該系統(tǒng)包含人機(jī)界面、PLC、變頻器及配電等,采用工業(yè)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況通過司鉆臺(tái)進(jìn)行指令輸入,PLC 參考人工指令和自動(dòng)控制邏輯,配合變頻器實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)主電機(jī)輸出控制和液壓輔助動(dòng)作控制等。

液控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)輔助動(dòng)作的重要組成,其功能主要包括平衡本體重量、上卸扣、背鉗夾持釋放、吊環(huán)旋轉(zhuǎn)與傾斜、內(nèi)防噴器開閉等。該系統(tǒng)通過變量泵帶動(dòng)主泵電機(jī),將液壓油箱內(nèi)的液壓油泵入蓄能器和各液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。存儲(chǔ)于蓄能器中的液壓油用于穩(wěn)定液壓系統(tǒng)壓力,應(yīng)對(duì)突發(fā)情況下的供油、補(bǔ)油；主液壓管匯的液壓油通過主閥塊進(jìn)入各系統(tǒng)回路為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行供油,各執(zhí)行機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立。

動(dòng)力系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能輸出,該系統(tǒng)是頂驅(qū)最為核心的輸出部分。主電動(dòng)機(jī)采用減速傳動(dòng)或直驅(qū)傳動(dòng)的形式,驅(qū)動(dòng)主軸為鉆井作業(yè)提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。為保證動(dòng)力系統(tǒng)在不同鉆井工況下的正常運(yùn)行,除主電動(dòng)機(jī)總成外還包含冷卻系統(tǒng)、剎車裝置、編碼器等。主電動(dòng)機(jī)通常選用交流變頻電動(dòng)機(jī),在電控系統(tǒng)的指令下可完成無級(jí)調(diào)速、正反轉(zhuǎn)、連續(xù)堵轉(zhuǎn)等動(dòng)作；冷卻系統(tǒng)通過風(fēng)冷、水冷等方式對(duì)主電動(dòng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)冷卻,避免電機(jī)過熱；在工況需要頂驅(qū)主電動(dòng)機(jī)保持停止時(shí),剎車裝置持續(xù)剎住主軸防止其轉(zhuǎn)動(dòng),在主電機(jī)緊急制動(dòng)或釋放井下鉆柱反扭矩時(shí)也要執(zhí)行剎車動(dòng)作。主承載系統(tǒng)及管子處理器是頂驅(qū)本體的主要組成,該部分承擔(dān)了頂驅(qū)的軸向載荷,與井架提升設(shè)備相連以實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)及管柱的上下行；其中管子處理器能夠獨(dú)立于主軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn),配合執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行管柱抓取、上卸扣等自動(dòng)化作業(yè)。

導(dǎo)軌與滑車配合使用實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)在井架內(nèi)部上下有軌移動(dòng),同時(shí)承受頂驅(qū)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的反扭矩[4]。

2 動(dòng)力系統(tǒng)的FMEA 分析

根據(jù)頂驅(qū)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用等過程要求,組織結(jié)構(gòu)工程師、模擬分析工程師、質(zhì)量控制工程師、生產(chǎn)裝配人員、風(fēng)險(xiǎn)控制專家、產(chǎn)品用戶共6 組人員,建立頂驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)FMEA 分析工作組,集中討論制定頂驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)的故障樹、FMEA 數(shù)據(jù)準(zhǔn)則系數(shù)、系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)等級(jí)、故障失效的接收準(zhǔn)則要求以及對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)解決措施[5]。

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)故障樹的建立

對(duì)有可能造成動(dòng)力系統(tǒng)故障的各項(xiàng)因素（包括軟硬件、環(huán)境和人員等）進(jìn)行分析,建立該系統(tǒng)故障樹,細(xì)化故障原因的各種可能組合方式及其發(fā)生的概率[6]。故障樹的建立令我們對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、故障及維護(hù)有更系統(tǒng)、深入的認(rèn)識(shí),從而在設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)過程中有針對(duì)性地高效提高可靠性。根據(jù)相關(guān)流程步驟,建立頂驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)的故障樹,見圖1。

圖1 頂驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)故障樹

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)故障模式與影響分析

頂驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)選用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。RPN 值是能夠反映故障發(fā)生的概率及其后果嚴(yán)重性的綜合度量[7],RPN 值與故障的危害性大小成正比,風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)RPN=S×O×D,工作組制定的各系數(shù)準(zhǔn)則見表1～表3[8-10]。

表1 動(dòng)力系統(tǒng)故障失效后果嚴(yán)酷度準(zhǔn)則

表3 動(dòng)力系統(tǒng)故障可探測(cè)度準(zhǔn)則

S- 嚴(yán)酷度,一種失效模式對(duì)系統(tǒng)或用戶的影響嚴(yán)重程度大小。

O- 頻度,一種失效模式在確定時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的頻率。

D- 可探測(cè)度,在系統(tǒng)或用戶受影響前識(shí)別和消除失效的概率。

制定風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)等級(jí)如下：第一等級(jí)：RPN＜60：失效模式風(fēng)險(xiǎn)較低；

第二等級(jí)：60≤RPN＜100：失效模式需引起重視,需要制定方案降低風(fēng)險(xiǎn)；

第三等級(jí)：RPN≥100：失效模式風(fēng)險(xiǎn)大,必須進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

制定動(dòng)力系統(tǒng)故障失效接收準(zhǔn)則：S＜9,RPN＜60。

經(jīng)過集中討論與驗(yàn)證,制定頂驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)的故障分析表,如表4 所示。針對(duì)不符合故障接收準(zhǔn)則的故障模式原因進(jìn)行改進(jìn),實(shí)施對(duì)應(yīng)整改措施并進(jìn)行二次FMEA 分析,使系統(tǒng)所有故障模式風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)均達(dá)到接收準(zhǔn)則要求。

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)故障模式解決措施與落實(shí)

如表4 所示,引起電機(jī)失效的過流、缺相因素的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)為72,屬于第二等級(jí)。經(jīng)過對(duì)頂驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)的核對(duì),在設(shè)計(jì)過程中對(duì)電機(jī)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì),該冗余設(shè)計(jì)使電機(jī)失效因素的發(fā)生頻度降為2；對(duì)電機(jī)溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)預(yù)警控制,該預(yù)警設(shè)計(jì)使電機(jī)失效因素的可探測(cè)等級(jí)提高為2。因此,電機(jī)失效的過流、缺相因素的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)由72 降為48,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降為第一等級(jí),達(dá)到接收準(zhǔn)則要求。

表2 動(dòng)力系統(tǒng)故障頻度準(zhǔn)則

表4 頂驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)FMEA 分析表

頂驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)已經(jīng)落實(shí)糾正措施。為充分驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性,對(duì)頂驅(qū)的臺(tái)架試驗(yàn)增設(shè)特殊項(xiàng),有針對(duì)性地檢測(cè)主電機(jī)溫度傳感器狀態(tài)報(bào)警,對(duì)比電機(jī)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、特殊項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù),多次試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)一致性良好,驗(yàn)證了該類電機(jī)故障的可探測(cè)性達(dá)到較高水平。改進(jìn)后的頂驅(qū)已有多家用戶使用,目前未發(fā)現(xiàn)有過流、缺相導(dǎo)致的動(dòng)力系統(tǒng)損壞情況,應(yīng)用證明該系統(tǒng)的可靠性得到有效提高。

3 結(jié)論

動(dòng)力系統(tǒng)是頂驅(qū)正常工作的決定性系統(tǒng),同時(shí)關(guān)乎鉆井作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)安全。本研究通過綜合頂驅(qū)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、應(yīng)用過程質(zhì)量控制,利用FMEA 分析方法將產(chǎn)品的潛在失效風(fēng)險(xiǎn)降低。對(duì)RPN 風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)超過接收準(zhǔn)則的主電機(jī)故障因素進(jìn)行梳理改進(jìn),制定了增加傳感器狀態(tài)報(bào)警和主電機(jī)冗余設(shè)計(jì)的解決措施,系統(tǒng)可靠性的提高在試驗(yàn)和應(yīng)用的過程中均獲得驗(yàn)證。

本研究提出的可靠性分析方法具有較好的適用性,形成了針對(duì)頂驅(qū)關(guān)鍵系統(tǒng)的故障分析模板,可以運(yùn)用該FMEA 分析模板對(duì)頂驅(qū)整體或其它關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行高效優(yōu)化,對(duì)提高頂驅(qū)的整體可靠性有重要意義。