JC型鉆機絞車的故障樹分析

張 毅, 翟應虎,孫騰飛,夏環宇

JC型鉆機絞車的故障樹分析

張 毅1, 翟應虎1,孫騰飛2,夏環宇1

（1.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京，102249；2.中海油研究總院，北京，100027）

絞車是鉆機中主要的工作機之一，目前對絞車系統的研究已經基本成熟，但是對其可靠性的研究還不夠完善。本文利用故障樹分析方法分析建立了JC型絞車故障樹，計算出最小割集和結構函數，通過對其結構重要度大小排序，找出其工作中的薄弱環節，為絞車故障分析系統的設計和應用提供參考依據。

絞車；故障樹；結構函數；最小割集

0 引言

絞車是鉆機中主要工作機之一，是起升系統的主要設備。它的主要任務是：用來起、下鉆具；下套管；懸持靜止的鉆具；在鉆進時，控制鉆壓、送進鉆具；下套管；上、卸鉆具絲扣；起吊重物以及進行井場的其他輔助工作。有的絞車也是轉盤中間傳動機構。在有些鉆機中，井架的起放也由絞車來完成。可見，絞車在整個鉆井中起著重要的作用。考慮到絞車工作條件惡劣，發生故障的可能性較大，一旦發生故障，就會對鉆井設備及人身安全造成重大威脅，為了最大程度的減少絞車故障帶來的巨大經濟損失，有必要對其進行可靠性分析，找出其薄弱的工作環節，以便查出故障隱患，采取措施；一旦發生了故障，能盡快的查明故障原因，盡早恢復生產。本文針對JC型絞車的故障數據進行分析研究，并繪制出故障樹，找出故障原因，發現絞車在運行中潛在的問題，有利于絞車系統故障的預防、預測與控制。

1 故障樹分析方法概述

故障樹分析法，簡稱FAT法(Fault Tree Analysis)，它是1961年由貝爾電話試驗室的H.A.Watson提出的一種用于可靠性、安全性分析的相對簡單、有效的演繹方法。它以一套取自概率論與布爾代數的簡單規則，以一些邏輯符號為基礎，使用一種從上至下的方法，生成一個能夠進行系統可靠性定性與定量評估的邏輯模型。

2 絞車故障的建立及分析

2.1 故障樹的建立

(1)在本文中用的事件有頂事件、中間事件(用G表示)和底事件(用X表示)。

a. 頂事件：指被分析的系統不希望發生的事件，它位于故障樹的頂端。

b. 中間事件：又稱故障事件，它位于頂事件和底事件之間，以矩形符號“”表示。

c. 底事件： 位于故障樹底部的事件，在已建成的故障樹中，不必再要求分解了。故障樹的底事件又分為基本事件和未探明事件用圓圈“”表示。

(2) 在本文中故障樹中常用的邏輯門為與門和或門。

a. 與門：表示事件關系的一種邏輯門，僅當所有輸入與門的所有輸入事件同時發生時，門的輸出事件才發生。用符號“”表示

b. 或門：表示至少一個輸入事件發生時，輸出事件才發生，用符號“”表示。

依據故障樹的建樹步驟，建立了絞車系統失效故障樹，如圖1所示。

圖1 絞車故障樹Fig 1 Winch fault tree

2.2 故障樹的定性分析

定性分析的目的是為了找出系統的薄弱環節，而其任務就是找出最小割集。目前對于最小割集的研究較多，常用的兩種方法，即富賽爾算法（(下行法)和塞邁特里算法(上行法)。

通過分析可得，故障樹中的大多數基本事件都是最小割集，因此給分析帶來不便，因此結合故障樹的定量分析進一步研究絞車故障樹。

2.3 故障樹的定量分析

故障樹定量分析是在求得最小割集后，給每個底事件賦予一概率值來表示其發生故障的頻繁程度(即底事件發生概率)，在概率論的基礎上，求解頂事件發生概率以及各底事件的重要度，為有效地控制故障和降低故障率提供重要依據。常用的重要度有概率重要度、結構重要度、關鍵重要度、相關割集重要度等。

通過以上分析，由（3）式計算整個絞車系統的結構重要度為：

由此看見，在絞車系統失效故障中，銷軸的過度磨損、軸承的腐蝕等17個基本事件的結構重要度較大。可見，由于絞車故障形式的多樣性，應嚴格執行日常維護制度，預防頂事件的發生。

3 結論

(1).通過對絞車故障樹分析，可以得到絞車系統中銷軸的過度磨損以及自身材料的失效、軸承的腐蝕以及自身材料質量原因、剎車盤的熱疲勞龜裂、銷軸的潤滑不良、軸承缺油、剎車盤的磨損失效、剎車盤的有油漬等原因是絞車發生故障最常見的原因。從這些原因中可以看出，其中最常出現故障的零部件為軸承、銷軸、剎車盤。因此在日常維護和故障預防中要多加重視。

(2).本文通過對絞車進行故障樹分析，得出絞車有不正常噪音、主剎車失靈、結構件失效、防碰天車裝置失效四個二級事件，通過各級事件與頂事件間的邏輯關系，可以建立絞車智能診斷系統，從而能實現對絞車系統實時監測和在線診斷軟件的開發。

(3).本文首次采用故障樹的方法來研究絞車，并得到絞車的故障結構重要度，分析結果與現場中絞車常出現的故障來比較，基本一致。

(4).由于現場資料取得有限，對絞車故障分析可能還不夠充分，絞車故障樹還需要進一步豐富和完善。

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JC type winch fault tree analysis

Zhang Yi1,Zhai Yinghu1,Sun Tengfei2,Xia Huanyu1
(1.Petroleum Engineering Laboratory of the Ministry of education,China University of Petroleum, Beijing,102249;2.CNOOC Research Institute,Beijing,100027)

Winch is a main working machine of drilling rig.Currently,the research of winch system has been matured,but the study of its reliability is also not perfect.Using the fault tree analysis method, the fault of JC winch system as analyzed and fault tree was drawn.The minimum cut sets and the structure function were obtained and according to the importance of structure function，the relative weak parts of the system were found out．It could be used as reference for the designing and application of the winch system.

winch; flaut tree;the structure function;the minimum cut sets

TE242

A

資助信息：獲得國家科技重大專項課題子課題“深水鉆井工程設計關鍵技術研究”（編號：2008ZX05026-001-01）資助