基于故障樹的水下連接器可靠性分析

中國船級社 萬 波 孫政策 海洋石油工程股份有限公司 姜瑛 曹永 北京石油化工學(xué)院 陳景皓

隨著深海石油的開發(fā)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)（包括水下采油樹、水下管匯、水下連接器等生產(chǎn)工具）在海洋石油開發(fā)中將得到越來越廣泛的應(yīng)用。水下連接器作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要設(shè)備，其功能為實(shí)現(xiàn)水下生產(chǎn)設(shè)施之間的安全、可靠連接。如水下采油樹與跨接管，水下管匯與跨接管，跨接管與PLET之間的連接。水下連接器長期置于海底，受到各種載荷和環(huán)境因素的作用。由于水下連接器的更換需要專門的船只，更換費(fèi)用非常昂貴，應(yīng)盡量避免在工作壽命內(nèi)出現(xiàn)置換。因?yàn)槠溟L期受海底環(huán)境及載荷作用，因此對水下連接器的可靠性分析是一個(gè)必須的過程。

常用的可靠性分析方法有FMEA、故障樹法、馬爾可夫法等。國內(nèi)外學(xué)者利用這些方法對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性及故障分析開展了很多研究工作。史建東和弓大為以H-4型水下連接器現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象為例，通過對H-4型水下連接器的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，尋找連接器在現(xiàn)場使用時(shí)發(fā)生脫不開的故障的原因，并提出了預(yù)防的措施。趙紅等人采用FMEA法分析了影響深水防噴器控制系統(tǒng)可靠性的潛在危險(xiǎn)因素以及薄弱環(huán)節(jié)。Frank利用可靠性分析工具來提高水下系統(tǒng)的可靠性，采用FMECA法分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用故障樹法分析控制閥，采用可靠性框圖法分析液壓動力單元。Lee等人采用可靠性框圖的方法對水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行定量分析。薛魯寧等人采用馬爾可夫法對水下防噴器的可靠性進(jìn)行研究。Caroline等人基于API RP 17N分析水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性和可用性來改善項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)。

本文在分析水下連接器失效模式及失效原因的基礎(chǔ)上采用故障樹法對水下連接器驅(qū)動環(huán)的可靠性進(jìn)行定性分析。尋找影響水下連接器驅(qū)動環(huán)可靠性的關(guān)鍵因素，為其設(shè)計(jì)和使用提供參考依據(jù)。

水下連接器驅(qū)動環(huán)故障樹模型的建立

在事故定性與定量分析方法方面，故障樹分析（FTA），是一種公認(rèn)的推導(dǎo)事故與引導(dǎo)因素間關(guān)系，同時(shí)能進(jìn)行定性與定量分析的評估技術(shù)。FTA具有可在事故未發(fā)生前加以評量事故發(fā)生的可能性，以改善和提高安全性的優(yōu)點(diǎn)。過去30年來，F(xiàn)TA在國外經(jīng)歷廣泛的應(yīng)用而證明其實(shí)用性甚高。根據(jù)以下步驟建立水下連接器驅(qū)動環(huán)的故障樹模型：

1）廣泛收集并分析系統(tǒng)及其故障的有關(guān)資料。包括系統(tǒng)的設(shè)計(jì)資料、試驗(yàn)資料、使用維護(hù)資料、用戶信息等。深入了解、熟悉，同時(shí)調(diào)查分析對象以往發(fā)生過的事故及事故類型。水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)，可通過查閱相關(guān)的數(shù)據(jù)庫和手冊得到，如OREDA。

2）選擇頂事件。頂事件的選取，根據(jù)分析目的的不同，分別選取對系統(tǒng)技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性影響顯著的故障事件。本文選擇驅(qū)動環(huán)失效為頂事件。

3）建造故障樹。故障樹是一種特殊的倒立樹狀因果關(guān)系邏輯圖。用事件符號、邏輯門符號和轉(zhuǎn)移符號描述系統(tǒng)中各事件之間的因果關(guān)系。對于復(fù)雜系統(tǒng)，建樹時(shí)應(yīng)按照系統(tǒng)層次逐級展開，利用故障樹專用的事件和邏輯門符號將故障樹事件之間邏輯推理關(guān)系表達(dá)出來。邏輯門的輸入事件是輸出事件的“因”，邏輯門的輸出事件是輸入事件的“果”。因此，建立水下連接器驅(qū)動環(huán)的故障樹模型如圖1所示。

圖1 水下連接器驅(qū)動環(huán)故障樹模型

水下連接器驅(qū)動環(huán)可靠性定性分析

故障樹定性分析的目的在于尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因事件及原因事件的組合，即識別導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有故障模式集合，幫助分析人員發(fā)現(xiàn)潛在的故障，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，以便改進(jìn)設(shè)計(jì)，還可用于指導(dǎo)故障診斷，改進(jìn)使用和維修方案。即尋找圖1所示的水下連接器驅(qū)動環(huán)故障樹模型的最小割集，求最小割集的方法常用的有上行法和下行法。

本文采用下行法進(jìn)行求解。下行法是根據(jù)故障樹的實(shí)際結(jié)構(gòu)，從頂層事件開始，逐層向下尋查，找出割集。規(guī)則就是遇到“與門”增加割集階數(shù)（割集所含底事件數(shù)目），遇到“或門”增加割集個(gè)數(shù)。具體做法就是把從頂事件開始，逐層在向下尋查的過程橫向列表，遇到“與門”就將其輸入事件取代輸出事件排在表格的同一行下一列內(nèi)，遇到“或門”就將其輸入事件在下一列縱向依次展開，直到到達(dá)故障樹的最底層。依據(jù)上述原則，對第2節(jié)所建立的水下連接器驅(qū)動環(huán)故障樹模型進(jìn)行定性分析，尋找割集。見表1，共得到21個(gè)割集，均為最小割集：

｛X1，X4，X2，X3｝，｛X1，X5，X2，X3｝，｛X1，X6，X2，X3｝，｛X1，X7，X2，X3｝，｛X1，X8，X2，X3｝，｛X9｝，｛X10｝，｛X11｝，｛X12｝，｛X13｝，｛X14｝，｛X15｝，｛X16｝，｛X17｝，｛X18｝，｛X22，X19｝，｛X22，X20｝，｛X22，X21｝，｛X23，X19｝，｛X23，X20｝，｛X23，X21｝，

表1 下行法求水下連接器驅(qū)動環(huán)故障樹割集

步驟 1 2 3 4 M10 X16 X17 X13 X18 X14 X22,M12 X17 X23,M12 X18 X22,X19 X22,X20 X22,X21 X23,X19 X23,X20 X23,X21

結(jié)構(gòu)重要度分析

故障樹是由眾多基本事件構(gòu)成的，這些基本事件對頂事件均產(chǎn)生影響，但影響程度不同。在制定安全防范措施時(shí)，必須有個(gè)先后次序、輕重緩急，以便使系統(tǒng)達(dá)到經(jīng)濟(jì)、有效、安全的目的。結(jié)構(gòu)重要度分析在缺乏定量分析數(shù)據(jù)的情況下，不考慮基本事件發(fā)生的概率是多少，僅從故障樹結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的發(fā)生對頂事件發(fā)生的影響程度，用重要度系數(shù)表示：

式中，Ik(i)為重要度系數(shù)，Xi為第i個(gè)基本事件，k為最小割集的個(gè)數(shù)，n為基本事件的個(gè)數(shù)，mr為Er最小割集中基本事件的個(gè)數(shù)。

根據(jù)公式（1）計(jì)算出各個(gè)基本事件的重要度系數(shù)為：

從上述計(jì)算可知事件的結(jié)構(gòu)重要度關(guān)系為：

結(jié)論

1. 本文對水下連接器驅(qū)動環(huán)失效模式及失效原因進(jìn)行分析，建立了故障樹模型。采用下行法對水下連接器故障樹模型進(jìn)行求解，得到21個(gè)最小割集。通過對結(jié)構(gòu)重要度分析得到X22，X23，X1，X2，X3結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)較大。由此可見，二次鎖緊失效和腐蝕失效對水下連接器驅(qū)動環(huán)的影響程度較大。通過對導(dǎo)致驅(qū)動環(huán)失效的主要影響因素進(jìn)行控制和重點(diǎn)預(yù)防，可將事故發(fā)生的可能性降到最低，并針對失效事故提前制定處理方案。

2. CCS可提供的服務(wù)：

（1） 水下生產(chǎn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)審查；

（2） 產(chǎn)品的原型試驗(yàn)鑒定；

（3）水下生產(chǎn)設(shè)備、控制設(shè)備、分離設(shè)備、增壓設(shè)備鑒證檢驗(yàn)：

制造過程檢驗(yàn)；

工廠/出廠試驗(yàn)（FAT）；

延伸工廠試驗(yàn)（EFAT）；

系統(tǒng)完整性試驗(yàn)（SIT）；

場地接收試驗(yàn)（SAT）；

安裝與回收等。

3. 客戶獲益：

（1）水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)與設(shè)備符合我國主管機(jī)關(guān)（國家安監(jiān)生產(chǎn)監(jiān)督總局）的相應(yīng)要求；整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)獲得CCS簽發(fā)的符合證書。

（2）水下生產(chǎn)設(shè)備、控制設(shè)備、分離設(shè)備、增壓設(shè)備等產(chǎn)品獲得CCS簽發(fā)的“海上固定設(shè)施產(chǎn)品檢驗(yàn)證書”。

（3）新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)獲得CCS的認(rèn)可。