基于故障樹分析方法的海底管匯風(fēng)險評估與可靠性分析

尚照輝

（河南《創(chuàng)新科技》雜志社，河南 鄭州 450000）

0 引言

海底管匯把采油樹、其他衛(wèi)星井、生產(chǎn)線與閥門管線、連接水面平臺的注氣/水管線、控制管線等統(tǒng)合于一起，形成集中的海底管匯切換控制系統(tǒng)，相當(dāng)于海底油氣控制中心［1］。作為高價值水下油田的深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)，其主要系統(tǒng)和部件具有投資成本高，恢復(fù)、修理和更換故障設(shè)備復(fù)雜等顯著特點(diǎn)，因此確保投資的高可用性至關(guān)重要［2］。結(jié)構(gòu)可靠性分析和測試是其可靠性保證的兩大支柱。因此，有必要對相關(guān)部件進(jìn)行可靠性分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、數(shù)值模擬和測試等工作，以便在系統(tǒng)投入使用前確保部件的可靠性。

故障樹分析（FTA）已成為可靠性分析和故障診斷領(lǐng)域的有效工具，在分析故障模式、尋找缺陷及指導(dǎo)故障修復(fù)過程中具有重要的參考價值。隨著海洋石油開發(fā)的不斷推進(jìn)，海底生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性分析顯得越來越重要。早期的工程師研究了系統(tǒng)的可靠性，并提出了將可靠性分析與工程設(shè)計(jì)分析相結(jié)合以支持和提高項(xiàng)目決策的有效性［3-6］。相關(guān)學(xué)者［7-11］采用FTA方法對水下管匯可靠性進(jìn)行分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化，并開發(fā)了水下油井布局的數(shù)學(xué)模型，提出了數(shù)學(xué)模擬算法并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬，利用OrcaFlex通用有限無軟件對海底管匯鉆桿安裝進(jìn)行了仿真，對深水實(shí)際安裝有一定的指導(dǎo)意義。馬明臻等［12］在對航天機(jī)構(gòu)潛在故障模式與機(jī)理的分析中提出，故障對系統(tǒng)服役壽命和可靠性將產(chǎn)生重要影響。高爽等［13］，采用OrcaFlex 通用有限元軟件，對海洋石油201 水下管匯進(jìn)行了在線安裝的極限能力評估，為工程實(shí)踐提供了參考。丘濼霏［14］，針對我國第一個1 500 m 深水氣田水下工作原理，從深水管匯的總體布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管線連接、控制設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究。

綜上所述，通過對管匯系統(tǒng)進(jìn)行故障樹分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，是目前開展海底生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險評估和可靠性分析的主要方法。然而，從對海底管匯系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度來降低系統(tǒng)風(fēng)險的研究較少。因此，本研究重點(diǎn)開展故障樹建模、系統(tǒng)風(fēng)險評估、可靠性分析、識別潛在的弱點(diǎn)，采用CFD 軟件仿真、部件結(jié)構(gòu)等的優(yōu)化。目的是建立海底管匯系統(tǒng)的故障樹模型，識別集管系統(tǒng)中的風(fēng)險點(diǎn)，優(yōu)化關(guān)鍵部件，降低風(fēng)險，從而提高系統(tǒng)的使用壽命。

1 管匯系統(tǒng)故障樹建模

管匯系統(tǒng)主要包含3 種構(gòu)型，分別是模板管匯、集束管匯和管道終端管匯。其中，使用較為廣泛的是集束管匯，圖1 為典型的集束管匯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。該型管匯系統(tǒng)主要由三部分組成：清管回路模塊、生產(chǎn)支管模塊、化學(xué)管道（乙二醇注入管線）模塊。海底管匯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

圖1 典型的集束管匯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

圖2 海底管匯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局

管匯系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)來源于試驗(yàn)和實(shí)際工程測量記錄中的OREDA數(shù)據(jù)庫［15］?；跀?shù)據(jù)分析，可以確定故障樹的頂事件、基本事件，以及通過邏輯關(guān)系確定故障樹模型。該模型中將“管匯故障”作為頂事件T，Mi為子事件，Xi為系統(tǒng)中的基本事件，頂事件、子事件與基本事件間由邏輯關(guān)系加以確定。表1 列出了故障樹中的邏輯運(yùn)算及符號，其中A 和B 代表事件。圖3為故障樹結(jié)構(gòu)邏輯圖，圖4為管匯生產(chǎn)系統(tǒng)模塊劃分及編碼。表2 列舉了海底管匯系統(tǒng)故障樹事件。

表1 故障樹基本符號

表2 故障樹事件

圖3 海底管匯故障樹結(jié)構(gòu)邏輯

圖4 海底管匯生產(chǎn)系統(tǒng)模塊劃分及編碼

2 管匯系統(tǒng)風(fēng)險評估

2.1 管匯系統(tǒng)定性分析

假設(shè)故障樹中基本事件數(shù)量為n，則其組合數(shù)為2n個；如果基本事件數(shù)量較多，則將對結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)計(jì)算造成困難。因此，一般采用最小割集（MCS）或最小路徑集（MPS）對事件結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行排序。最小割集是引起頂事件發(fā)生的最小基本事件。本研究利用布爾演算公式并結(jié)合圖3 的模型，求出事件與基本事件之間的關(guān)系。其關(guān)系如下：

其中：

結(jié)構(gòu)重要度分析是通過對基本事件發(fā)生概率和頻率的排序，得出基本事件發(fā)生的概率和頻率對頂事件的影響程度。其計(jì)算公式：

本系統(tǒng)中包含四階割集：一階割集［X7］，［X8］，［X9］，［X10］，［X12］，［X14］，［X19］；二階割集［X1，X4］，［X1，X5］，［X1，X6］，［X2，X4］，［X2，X5］，［X2，X6］，［X3，X4］，［X3，X5］，［X3，X6］，［X11，X15］，［X13，X15］，［X16，X20］，［X18，X20］，［X21，X26］，［X21，X28］，［X21，X30］，［X23，X26］，［X23，X28］，［X23，X30］，［X25，X26］，［X25，X28］，［X25，X30］；三階割集［X21，X27，X29］，［X22，X24，X26］，［X22，X24，X28］，［X22，X24，X30］，［X23，X27，X29］，［X25，X27，X29］；四階割集［X22，X24，X27，X29］等。從事故樹分析中，可以得到結(jié)構(gòu)重要度為：

通過對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重要度的定性分析可以看出，該系統(tǒng)中最脆弱的部分是化工管道模塊中的球閥、閘閥及清管系統(tǒng)模塊中的管道。

2.2 管匯系統(tǒng)定量分析

概率重要度分析作為定量分析的方法，是為了進(jìn)一步分析基礎(chǔ)事件的概率變化對頂層事件的影響。本研究假設(shè)海底管匯系統(tǒng)的使用壽命為20 年。其計(jì)算公式為：

式中：IQ（i）為概率重要系數(shù)；q為基本事件發(fā)生概率；i為第i個基本事件（i＝1，2，…，n）；j為第j個最小割集；s為最小割集組合順序；Q為頂事件發(fā)生概率；k為最小割集。

一般情況下，Q值近似等于，因此，通過計(jì)算，可獲得以下結(jié)果：

通過計(jì)算獲得的具體數(shù)值如圖5 所示。同時可以得到基本事件的概率重要系數(shù)排序，其重要度排序結(jié)果為：

圖5 各基本事件的概率重要系數(shù)

3 管匯系統(tǒng)可靠性分析

管匯系統(tǒng)各模塊間的邏輯關(guān)系為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。假設(shè)事件的可靠性服從指數(shù)分布失效模型Ri（t），其中t代表操作時間（單位：h）。則可得到如下公式：

根據(jù)管匯系統(tǒng)故障樹中底部事件的邏輯關(guān)系，求得系統(tǒng)的可靠性為：

式中：RS為頂事件的可靠性，RM1表示清管回路模塊的可靠性，RM2表示生產(chǎn)支管模塊的可靠性，RM3表示化學(xué)管道模塊（乙二醇管線）的可靠性。其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 水下管匯系統(tǒng)的可靠性

結(jié)果表明，頂事件T 和子事件Mi的可靠性隨著時間的推移呈穩(wěn)定下降趨勢。在該系統(tǒng)運(yùn)行約20年的時間里，RS，RM1，RM2和RM3的事件可靠性分別約為17.0%，57.9%，42.9%和33.2%。特別是事件可靠性RM2隨著時間的推移迅速下降，例如其可靠性值由20 年時的42.9%下降到40 年時的10.8%，這與頂事件可靠性RS的變化趨勢大致一致。因此，RM2在很大程度上影響整個系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

通過對管匯系統(tǒng)的定性分析、定量分析和可靠性分析，可以得出以下結(jié)論：較為復(fù)雜的系統(tǒng)其可靠性下降較快。管匯系統(tǒng)中，生產(chǎn)系統(tǒng)模塊對整個系統(tǒng)的可靠性影響最大，該模塊中球閥是最為薄弱的環(huán)節(jié)，對頂事件的可靠性影響最大，是管匯系統(tǒng)中的風(fēng)險點(diǎn)。具體表現(xiàn)為：系統(tǒng)越復(fù)雜，可靠性下降越快；化學(xué)模塊（乙二醇管線）作為一種通用組件，其可靠性隨專用組件的設(shè)計(jì)變化而變化；生產(chǎn)系統(tǒng)模塊對整個系統(tǒng)的可靠性影響最大；生產(chǎn)模塊上的球閥是生產(chǎn)系統(tǒng)模塊的薄弱環(huán)節(jié)和風(fēng)險點(diǎn)。

通過系統(tǒng)多方面的風(fēng)險評估可知，對于復(fù)雜管匯結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，尤其是含有大量的各種閥門部件，閥門的可靠性非常重要，將決定整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、操作性及使用壽命，這就需要閥門必須具有高可靠性，因此，有必要進(jìn)一步分析閥門的可靠性。