深水防噴器系統FMECA分析

侯國慶，許宏奇，粟 京，劉 健，王 蓓，王衛華

（1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘062552；2.中國海洋石油總公司深水鉆井船項目組，北京100016；3.中海石油研究總院，北京100027）①

深水防噴器系統FMECA分析

侯國慶1，許宏奇1，粟 京2，劉 健3，王 蓓1，王衛華1

（1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘062552；2.中國海洋石油總公司深水鉆井船項目組，北京100016；3.中海石油研究總院，北京100027）①

為確定深水防噴器系統中影響可靠性較大的關鍵單元設備及故障模式，采用F M E C A方法對系統進行了分析。定義了系統基本情況、邊界條件、故障模式和判斷依據等F M E C A分析的基本要素。分析結果表明，對深水防噴器系統可靠性危害性較大的單元設備為閘板防噴器、控制箱、液壓連接器；危害性較大的故障模式有閘板封井不嚴、節流壓井管線外漏、黃箱與藍箱中有1個所有功能同時不能激活、黃箱或藍箱中有1箱有1個功能不能激活、黃箱與藍箱同時有1個功能不能激活。對深水防噴器系統設計、應用及日常維護提出了改進建議。

深水；防噴器；故障分析；F M E C A

深水防噴器系統是保證深水鉆井作業安全的關鍵設備，如果失效將帶來嚴重的后果［1］。2010-04-20，發生在墨西哥灣的井噴事故中，由于深水防噴器系統未能及時有效地控制井噴事故的發生，導致鉆井平臺沉沒、人員傷亡，大量油氣噴入海中，引起附近海域嚴重的生態災難和環境污染，并且造成巨大的經濟損失和資源浪費［2］。可見，為保障鉆井作業安全及保護海洋環境，深水防噴器系統應具有極高的可靠性。

F M E C A（Failure M ode，Effects and Criticality A nalysis）［3］——故障模式、影響及危害性分析，作為1種評估系統可靠性的分析方法，已被廣泛應用于產品的研發、改進及可靠性研究［4～5］。對深水防噴器系統采用F M E C A分析方法進行可靠性研究，將有助于查找出深水防噴器系統中對可靠性危害較大的單元設備及故障模式，為系統的部件設計、集成與優化、現場應用與維護提供理論依據。

1 F M EC A分析基礎

1.1 系統基本情況和系統邊界

深水防噴器系統至今無統一的配置技術規范和標準［6］。A PI Standard 53要求水下防噴器系統最少為class 5級并至少配置一個環形防噴器；無論采用何種控制系統，均要求在防噴器系統上配置互為冗余的控制箱（control pods）［7］，也就是俗稱的“黃箱”和“藍箱”。最初的水下防噴器系統由4個閘板防噴器、1～2個環形防噴器組成，隨著鉆井水深不斷增加及對可靠性的要求，近幾年海上新增鉆井平臺深水防噴器系統基本上由6個閘板防噴器和2個環形防噴器組成，通徑為476.3 m m（183/4in），大部分系統工作壓力為103.5 M Pa（15 000 psi），少部分系統工作壓力為69 M Pa（10 000 psi）［8］。依據可靠性研究的目的和F M E C A分析的數據來源，從7個方面定義深水防噴器系統的邊界。

1） 深水防噴器系統最上到連接隔水管的撓性接頭，最下到連接井口的井口連接器（如圖1）。從上到下單元設備配置依次為：撓性接頭、環形防噴器、下隔水管連接器、環形防噴器、6個閘板防噴器、井口連接器。節流壓井管線及閥門配置在深水防噴器組兩側。其中，2臺環形防噴器也可以連接在一起，再連接下隔水管連接器，系統配置順序對分析結果無影響。深水防噴器系統上還安裝有控制箱，用于應急控制的蓄能器組、R O V操作面板等。本文主要分析防噴器系統可靠性，只考慮深水防噴器基本的控制功能，故僅取控制箱進行分析。

2） 撓性接頭 位于深水防噴器系統頂部，用于連接隔水管及其附屬的節流壓井和控制管線并補償鉆井平臺的運動。

3） 環形防噴器 連接在撓性接頭下端，一般2臺連接在一起或通過隔水管連接器連接在一起。用于初始關井和帶壓起下鉆作業，可密封各種鉆具；在無鉆具情況下，可密封空井。

4） 連接器 包括連接下隔水管總成（Lower M arine Riser Package，L M R P）與下防噴器組的下隔水管連接器和水下防噴器組與井口連接的井口連接器。

5） 閘板防噴器 位于下防噴器組上，可分別安裝鉆桿剪切閘板總成、套管剪切閘板總成、變徑閘板總成、管柱閘板總成、測試閘板總成等。本文僅考慮閘板總成的開關及密封性能，不考慮具體的管柱密封性能及剪切性能。

6） 控制箱 2臺，互為冗余，控制防噴器系統各項功能及連接器的解鎖與鎖緊。深水鉆井作業與淺水鉆井作業所用控制系統有所不同，本文著重分析深水防噴器系統的故障模式，所取數據均來自于深水鉆井的多路電液控制系統（M ultiplex control system）的控制箱。

7） 節流壓井管線及閥門。節流壓井管線下端通過節流壓井閥門與各個防噴器側出口相連，上端通過撓性接頭上的節流壓井管線分支與隔水管上的相應管線連接，與鉆井平臺上的管匯形成節流壓井通道，在鉆井作業時進行節流和壓井作業。

圖1 深水防噴器系統配置

1.2 故障模式判據

對于深水防噴器系統，故障模式判據的制定依據是：

1） 只有在運行前的防噴器組測試期間、防噴器運行期間、防噴器安裝在井口時發現的與系統有關的失效才算作故障。

2） 可能導致防噴器系統功能全部、部分喪失，帶來停機時間損失、經濟損失以及正常作業延遲的故障模式。

3） 只考慮故障發生原因明確的故障模式。為計算故障模式的危害度，對發生原因不明確的、小概率的故障不做分析。

依據以上判據及分析資料來源，深水防噴器系統定義了21種故障模式（如表1）。

2 F M EC A分析

2.1 表格制定

依據故障模式對鉆井作業、系統功能、平臺及人員安全、環境、停機時間所產生的最終影響的嚴重程度，將深水防噴器系統故障嚴酷度分為4個等級：Ⅳ類災難性故障，Ⅲ類致命性故障，Ⅱ類嚴重性故障，Ⅰ類輕度故障。

以定義的深水防噴器系統為邊界，在F M E C A表中列出各設備的故障模式，分析故障模式對系統的影響并計算出每種故障模式的危害度和每一種嚴酷度下的設備危害度，依據《GJB／Z 1391—2006故障模式、影響及危害性分析指南》［8］完成的深水防噴器系統F M E C A分析，如表1所示。

表1中：α為發生故障的百分比，按文獻［9］中統計的每種設備的故障模式發生次數進行計算出每種故障模式發生的百分比；β為發生故障而導致任務失敗的條件概率，依據故障模式對目標任務的影響程度在0～1之間取值；λ為設備故障率，d-1，根據計算結果數量級取10-5，依據在鉆井作業有效工作時間內每種故障模式實際影響時間計算；t為工作時間，d，依據文獻［9］統計的平均每口深水鉆井作業時間（58 d）進行分析計算；Cmj為故障模式危害度，根據計算結果數量級取10-5，Cmj＝αβλt；Cr為設備危害度，Cr＝∑Cmj＝∑αβλt，設備給定嚴酷度下的故障模式危害度之和，根據計算結果數量級取10-5。

表1 深水防噴器系統F M EC A分析數據

續表1

續表1

2.2 分析結論

從表1中可以看出在嚴酷度Ⅳ類災難性故障下，深水防噴器系統中危害性影響比較大的3類單元設備依次是閘板防噴器、控制箱、液壓連接器。

21種故障模式危害度排序為X13，X15，X18，X20，X19，X5，X1，X6，X3，X16，X8，X17，X14，X7，X9，X4，X2，X21，X10，X11，X12。其中對系統危害性影響比較大的故障模式為：X13、X15、X18、X20、X19，即閘板封井不嚴、節流壓井管線外漏、黃箱與藍箱中有1個所有功能同時不能激活、黃箱或藍箱中有1箱有1個功能不能激活、黃箱與藍箱同時有1個功能不能激活。

2.3 改進建議

2.3.1 閘板防噴器

從分析中可以看出，對系統危害性影響最大的故障模式就是閘板防噴器封井不嚴。閘板防噴器在發生井涌時，不能有效的封閉井口，為壓井作業爭取時間，將會導致井噴事故發生。應加強閘板防噴器膠芯密封性能試驗，提高閘板防噴器封井作業的可靠性，特別要研究在高溫環境下膠芯的密封可靠性，研制耐高溫膠芯。在深水防噴器總體設計中，注重閘板防噴器閘板配置的冗余設計，采用大范圍變徑閘板替代單一的固定閘板或小變徑閘板，增加防噴器冗余密封，提高深水防噴器組密封井口的可靠性。

對系統影響較大的另外1個閘板防噴器故障模式是關井失敗（危害度雖不高，但后果嚴重，嚴酷度達到Ⅳ類）。引起關井失敗的原因除了控制系統原因外，主要是由閘板運動部件卡阻引起的。閘板運動部件要有良好的耐腐蝕性，特別是零部件的表面處理措施應符合海洋環境使用條件；閘板軸密封材料既要有良好的密封性能，也要有良好的自潤滑性；閘板腔涂覆耐蝕涂層，避免閘板體卡阻在閘板腔內影響閘板關閉。

2.3.2 控制箱

控制箱一般均采用了藍箱與黃箱冗余設計，但由于各種不可預知的原因，可能導致黃箱與藍箱中1個或多個功能，甚至全部的功能不能同時激活，無法實現防噴器既定動作，嚴重時引起井噴甚至導致鉆井平臺火災。從F M E C A中分析可以看出，最嚴重的是黃箱與藍箱中有1個所有功能同時不能激活。控制箱中所有組件應選用可靠性高的零件，對日常易出現問題的部件進行可靠性試驗并進行改進。加強日常控制箱檢修與測試，及時更換有故障的部件，避免設備帶病工作。當2個控制箱同時發生故障時（黃箱與藍箱所有功能同時不能激活及黃箱與藍箱同時有1個功能不能激活），雖說發生故障的幾率相對較低，但其后果嚴重，一旦發生此類故障，應及時啟動水下應急控制系統，關閉井口，起出設備進行檢修。

2.3.3 液壓連接器

液壓連接器是在緊急情況下，鉆井平臺脫離井口時的關鍵設備。如果液壓連接器不能及時解鎖或解鎖發生故障，鉆井平臺將處于危險之中。因此，應加強液壓連接器解鎖系統可靠性試驗，確保解鎖系統有可靠的解鎖性能。對液壓連接器結構進行研究及改進，在液壓解鎖失效時，可借助R O V或其他輔助手段進行解鎖。

2.3.4 節流壓井管線

從分析中可以看出雖然節流壓井管線外漏嚴酷度僅為Ⅲ類，但對系統的危害性影響還是較大的。因為節流壓井管線連接閥門多、接口多，所以泄漏點也較多，因此日常應加強維護，檢修后應及時對管路進行試驗檢漏，發現泄露及時處理，日常檢修時應特別注意密封墊環槽的清理。

3 結論

1） 通過對深水防噴器系統進行F M E C A分析，確定閘板防噴器、控制箱、液壓連接器是對系統可靠性危害較大的3類單元設備，在深水防噴器系統集成設計、關鍵單元設備設計及選購、日常使用及維護應作為重點關注對象。應重點加強這幾種設備可靠性試驗研究，減少使用過程中的故障發生率，以提高整個深水防噴器系統的可靠性。

2） 閘板防噴器封井不嚴、防噴器組節流壓井管線外漏、黃箱與藍箱中有1個所有功能同時不能激活、黃箱或藍箱中有1箱有1個功能不能激活、黃箱與藍箱同時有1個功能不能激活是深水防噴器系統中5個危害性較大的故障模式，在產品設計、現場應用、維護保養中應重點預防該類事故的發生，其中控制箱發生的故障更應該加以重視。

3） 應用F M E C A分析方法查找出了影響系統可靠性比較大的關鍵單元設備和故障模式，在此基礎上借助故障樹、質量功能展開等其他研究方法進行深入研究，分析出故障模式發生的具體原因并對產品進行改進，進一步提高深水防噴器系統的可靠性。

［1］ 顧和元，侯國慶，郭雪，等.水下防噴器組控制系統深水模擬試驗裝置研制［J］.石油礦場機械，2013，42（4）：1-5.

［2］ 段明星，李明亮，陳瑞峰，等.深水防噴器系統可靠性探討［J］.中國造船，2012，51（增刊2）：297-302.

［3］ 張增照.以可靠性為中心的質量設計、分析和控制［M］.北京：電子工業出版社，2011.

［4］ 任榮權，于博生，趙眾.鏈條抽油機F M E C A分析及改進建議［J］.石油礦場機械，1995，24（2）：2-5.

［5］ 侯明偉.F M E C A在雙吸泵研制過程的應用探索［J］.機械，2010，36（4）：71-73.

［6］ 曹式敬.超深水防噴器組及其控制系統配置探討［J］.石油鉆探技術，2012，40（5）：115-118.

［7］ A PI ST A N D A R D 53 Blowout Prevention Equip ment Systems for Drilling W ells［S］.Fourth Edition.2012.

［8］ GJB／Z 1391-2006，故障模式、影響及危害性分析指南［S］.

［9］ Per H oload，H am mad A wan.Reliability of Deep water Subsea B O P Systems andW ell Kicks［R］.ExproSoft Report，2012.

F M EC A Analysis of Deepwater Subsea B O P System

H O U G uo-qing1，X U H ong-qi1，S U Jing2，LIU Jian3，W A N G Bei1，W A N GW ei-hua1
（1．Rongsheng M achinery M anufacture Ltd．，of H uabei Oilfield，Renqiu062552，China；2．Deep w ater Drilling Unit Project Group，C N O O C，Beijing100016，China；3．C N O O C Research Institute，Beijing100027，China）

F M E C A analysis method was applied to deep water subsea B O P system in order to investigate key unit equip ment and fault m ode in the system for m ore endangered system reliability. F M E C A key element such as system essence thing，boundary condition，determinant criterion of failure m ode was defined.A nalysis resultindicates that key unit equip ments of m ore affecting reliability of deep water subsea B O P severity are ra m B O P，control pods，hydraulic connector.Sim ultaneity，that fault m odes of m ore severity are leakage through a closed ra m，external leakage of choke and killline，loss of all functions one pod，loss of one function one pod，loss of one function both pods.Im proving advice on deep water subsea B O P system，application，and daily maintenance is put forward according to analysis result.

deep water；B O P；fault analysis；F M E C A

1001-3482（2014）08-0052-06

T E951

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.011

2014-01-26

國家高技術研究發展計劃（863計劃）“深水防噴器組及控制系統工程化研制”（2013 A A09 A220）；國家科技重大

專項“深水半潛式鉆井平臺及配套技術”（2011Z X05027-001）

侯國慶（1972-），男，河南安陽人，高級工程師，碩士，2008年畢業于河北工業大學機械設計及理論專業，現從事海洋井控裝備技術研究工作，E-mail：hou_y0503＠126.co m。