水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜故障樹分析

許文虎，郭 宏

(中海油研究總院，北京 100028)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜故障樹分析

許文虎，郭 宏

(中海油研究總院，北京 100028)

基于故障樹分析(FTA)方法，以南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜為研究目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行可靠性定性、定量分析。建立了目標(biāo)臍帶纜的故障樹模型，通過對(duì)臍帶纜故障樹模型的最小割集定性分析，確定臍帶纜的關(guān)鍵單元為電纜單元、護(hù)套及鎧裝；通過對(duì)臍帶纜故障樹模型的定量分析，判斷出關(guān)鍵單元中電纜單元的重要度最大，識(shí)別出臍帶纜的薄弱環(huán)節(jié)為電纜單元。從臍帶纜設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行監(jiān)測(cè)的角度提出針對(duì)電纜單元的改進(jìn)措施，可為水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供參考和借鑒。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；臍帶纜；故障樹；定性分析；定量分析；電纜

0 引 言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于海洋油氣資源開發(fā)工程中。水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括水下采油樹系統(tǒng)、井口系統(tǒng)、管匯系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、海底管道、臍帶纜、立管以及其他組成部分。水下生產(chǎn)系統(tǒng)可以控制單口生產(chǎn)井或若干口井，將油氣傳輸?shù)焦潭ㄆ脚_(tái)、浮式結(jié)構(gòu)或直接上岸。臍帶纜是一束鎧裝的管線、電纜，作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，它從上部設(shè)施向水下設(shè)備傳輸液壓油、化學(xué)藥劑和電力，并在它們之間傳遞控制信號(hào)及溫度、壓力等數(shù)據(jù)[1-2]。關(guān)于水下臍帶纜的力學(xué)性能分析已有很多研究工作，涉及臍帶纜的柔性結(jié)構(gòu)行為、疲勞壽命估計(jì)、靜態(tài)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等[3-10]。但是關(guān)于水下臍帶纜可靠性分析的研究很少見到，而水下臍帶纜的可靠性對(duì)海洋石油開發(fā)非常重要，因?yàn)樗苯佑绊戦_發(fā)的安全和收益。海洋環(huán)境非常惡劣且臍帶纜一旦發(fā)生故障，很難進(jìn)行修復(fù)，維護(hù)成本也非常高。而且，當(dāng)有油氣泄漏發(fā)生時(shí)，如果臍帶纜不能及時(shí)輸送液壓動(dòng)力及電力以關(guān)閉水下安全閥，將可能造成海洋環(huán)境污染。因此，非常有必要分析水下臍帶纜的可靠性以保證水下生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。故障樹分析(FTA)方法是一種廣泛應(yīng)用的可靠性分析方法[11-12]。本文以南海某油氣田所使用的水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜為研究對(duì)象，使用FTA對(duì)其進(jìn)行可靠性分析，識(shí)別臍帶纜可能的系統(tǒng)故障模式，找出臍帶纜的薄弱環(huán)節(jié)，并提出一些改進(jìn)措施，有利于保證海洋油氣開發(fā)的安全進(jìn)行。

1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜故障樹建模

1.1 目標(biāo)臍帶纜

本文的研究對(duì)象為我國(guó)南海某氣田所使用的臍帶纜。該氣田采用固定平臺(tái)加水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)模式，從水下井口采出的油氣輸送到固定平臺(tái)進(jìn)行處理。在水下生產(chǎn)系統(tǒng)與固定平臺(tái)之間約有20 km長(zhǎng)的臍帶纜。圖1為該氣田開發(fā)示意圖。

圖1 南海某氣田開發(fā)示意圖Fig.1 Development schematic diagram of a gas field in South China Sea

該臍帶纜主要功能單元包括鋼管和電纜：鋼管用來傳輸液壓油及甲醇、防垢劑等化學(xué)藥劑，還用來作為放空管線；電纜單元主要用來傳輸電力。此外還包括內(nèi)外護(hù)套、鎧裝等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)以保護(hù)臍帶纜、增強(qiáng)臍帶纜穩(wěn)定性。

1.2 臍帶纜故障樹建模

FTA是一種演繹式的可靠性分析方法，它由上而下假設(shè)臍帶纜系統(tǒng)失效，分析其可能的原因，以臍帶纜失效(頂事件)作為分析的目標(biāo)，通過逐層向下推溯所有可能造成頂事件發(fā)生的原因，找出臍帶纜單元失效等各種底事件與臍帶纜失效(頂事件)之間的邏輯關(guān)系，并用倒立樹狀圖形表示出來。建立故障樹后，可定性分析各底事件對(duì)頂事件產(chǎn)生影響的組合方式和傳播途徑，識(shí)別可能的臍帶纜故障模式，也可定量計(jì)算底事件的重要程度，找出臍帶纜的薄弱環(huán)節(jié)，從而提出一些改進(jìn)措施。

對(duì)目標(biāo)水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜進(jìn)行故障樹建模時(shí)，首先要確定頂事件，頂事件為臍帶纜系統(tǒng)無法正常工作；確定頂事件的直接原因并將直接原因和頂事件之間的關(guān)系通過邏輯門表示；確定的直接原因視為次級(jí)頂事件，再為次級(jí)頂事件確定直接原因并將直接原因和次頂事件之間的關(guān)系通過邏輯門表示；重復(fù)以上步驟，直至確定底事件。底事件是系統(tǒng)分析無法繼續(xù)細(xì)分的點(diǎn)。目標(biāo)水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜的故障樹模型如圖2所示，故障樹中的事件描述如表1所示。

圖2 目標(biāo)水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜的故障樹模型Fig.1 Fault tree model of subsea umbilical of subsea production system

表1 目標(biāo)水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜故障樹中事件描述Table 1 Fault events of subsea umbilical of subsea production system

2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜故障樹模型的定性分析

目標(biāo)水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜故障樹定性分析的目的就是找出導(dǎo)致頂事件即臍帶纜發(fā)生故障時(shí)所有可能的故障模式(即事件集合)，通過邏輯運(yùn)算推導(dǎo)得到臍帶纜故障樹的最小割集，如此在不清楚各底事件發(fā)生概率數(shù)據(jù)的情況下也可以定性識(shí)別臍帶纜的關(guān)鍵單元。若一組事件發(fā)生而必然導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，則該組事件定義為一個(gè)割集；當(dāng)割集中的每一個(gè)底事件都同時(shí)存在時(shí)，頂事件才能發(fā)生，則該割集叫最小割集。通過邏輯運(yùn)算可得目標(biāo)水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜的最小割集為：[X1，X6]，[X2，X6]，[X3，X6]，[X4，X6]，[X5，X6]，[X7]，[X8]，[X9]，[X10]，最小割集中各底事件的描述見表1。

最小割集所含底事件的數(shù)目為該最小割集的階數(shù)，最小割集的階數(shù)越小，引起系統(tǒng)失效的概率越高，其包含的底事件重要性越大；在最小割集階數(shù)相同的情況下，底事件出現(xiàn)的次數(shù)越多，該底事件的重要性越大。由此可得目標(biāo)水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜故障樹模型中各底事件的重要性排序，如表2所示。

表2 目標(biāo)臍帶纜各底事件的重要性順序Table 2 Importance order of basic events of subsea umbilical

由表1及表2可知：電纜單元、護(hù)套及鎧裝的重要性最大，備用鋼管單元次之，輸送液壓及化學(xué)藥劑的鋼管單元重要性最小。

3 水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜故障樹模型的定量分析

若已知目標(biāo)臍帶纜故障樹模型中各底事件發(fā)生故障的概率，可求得臍帶纜各底事件的關(guān)鍵重要度，該指標(biāo)可反映底事件對(duì)目標(biāo)臍帶纜失效概率影響的重要程度。關(guān)鍵重要度最大的底事件即為臍帶纜的薄弱環(huán)節(jié)。可根據(jù)關(guān)鍵重要度來識(shí)別臍帶纜的薄弱環(huán)節(jié)，，從而為改善薄弱環(huán)節(jié)提供依據(jù)。

目標(biāo)臍帶纜各底事件的關(guān)鍵重要度可由下式求得[13]：

(1)

式中：Ic(n)代表目標(biāo)臍帶纜第n個(gè)底事件的關(guān)鍵重要度；Q代表目標(biāo)臍帶纜頂事件T的失效概率；qn代表第n個(gè)底事件的失效概率；n為底事件編號(hào)，n=1，2，…，10。

假定目標(biāo)臍帶纜的最小割集用E1，E2，…，E10來表示，則目標(biāo)臍帶纜頂事件T的失效概率Q為[13]

(2)

根據(jù)目標(biāo)臍帶纜各底事件的失效概率[14]，由式(1)和式(2)可得目標(biāo)臍帶纜各底事件的關(guān)鍵重要度，如表3所示。

表3 目標(biāo)臍帶纜各底事件的關(guān)鍵重要度Table 3 Critical importance of basic events of the subsea umbilical

由表3可知，目標(biāo)臍帶纜電纜單元出現(xiàn)故障的關(guān)鍵重要度最大，說明電纜單元對(duì)目標(biāo)臍帶纜可靠性影響最大，是臍帶纜的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)給與足夠的關(guān)注。

4 FTA分析結(jié)果及改進(jìn)措施

由目標(biāo)臍帶纜FTA定性分析可知，電纜單元、護(hù)套及鎧裝的重要性最大，備用鋼管單元次之，輸送液壓及化學(xué)藥劑的鋼管單元重要性最小；由目標(biāo)臍帶纜FTA定量分析可知，在電纜單元、護(hù)套及鎧裝中，電纜單元出現(xiàn)故障的關(guān)鍵重要度最大，是臍帶纜的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)針對(duì)電纜單元提出改進(jìn)措施以提高目標(biāo)臍帶纜的可靠性。

從臍帶纜設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行監(jiān)測(cè)的角度給出針對(duì)電纜單元的改進(jìn)措施：

(1) 臍帶纜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)備用電纜單元，這樣萬一電纜單元出現(xiàn)故障時(shí)，可以使用備用電纜進(jìn)行電力傳輸，大大提高電纜單元及臍帶纜的可靠性。

(2) 臍帶纜截面布局設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意電纜單元的擺放位置，可使用有限元溫度場(chǎng)分析的方法確定電纜單元散熱效果最好的布局。

(3) 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，臍帶纜電纜單元發(fā)生故障的主要形式為絕緣層失效[14]，因此在臍帶纜成纜制造時(shí)，應(yīng)設(shè)置合適的牽引力、成纜半徑和成纜角度，以避免電纜單元的絕緣層受損，降低臍帶纜使用時(shí)電纜發(fā)生故障的概率。

(4) 臍帶纜運(yùn)行時(shí)，應(yīng)對(duì)電纜單元進(jìn)行在線溫度、局部放電等檢測(cè)，盡早發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)進(jìn)行處理，降低故障風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié) 語

本文使用FTA方法對(duì)目標(biāo)臍帶纜進(jìn)行可靠性研究，建立了目標(biāo)臍帶纜的故障樹模型，通過定性和定量的分析，識(shí)別出目標(biāo)臍帶纜的薄弱環(huán)節(jié)為電纜單元，并從臍帶纜設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行監(jiān)測(cè)的角度提出針對(duì)電纜單元的改進(jìn)措施。這對(duì)提高臍帶纜的可靠性，保證水下生產(chǎn)系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行及海洋油氣資源的正常開發(fā)具有積極的意義。

[1] Bai Y,Bai Q.Subsea Engineering Handbook [M].Burlington:Elsevier,2010.

[2] International Organization for Standardization.Petroleum and natural gas industries.Design and operation of subsea production systems.Part 5:Subsea umbilicals [S].2009.

[3] Witz J A,Tan Z.On the flexural structural behaviour of flexible pipes,umbilicals and marine cables [J].Marine Structures,1992,5(2-3):229.

[4] S?vik S,Bruaseth S.Theoretical and experimental studies of the axisymmetric behaviour of complex umbilical cross-sections [J].Applied Ocean Research,2005,27(2):97.

[5] Steinkjer O,Sodahl N,Grytoyr G.Methodology for time domain fatigue life assessment of risers and umbilicals [C].ASME 2010 29th International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering,2010:177.

[6] Ruan W,Bai Y,Peng C.Static analysis of deepwater lazy-wave umbilical on elastic seabed [J].Ocean Engineering,2014,25:73.

[7] Custódio A B,Vaz M A.A nonlinear formulation for the axisymmetric response of umbilical cables and flexible pipes [J].Applied Ocean Research,2002,24(1):21.

[8] Parsinejad F,Kassner C,Kurtz M,et al.Friction,contact pressure and non-linear behavior of steel tubes in subsea umbilicals [C].ASME 2013 32nd International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering,2013.

[9] Zerbst U,Stadie-Frohb?s G,Plonski T,et al.The problem of adequate yield load solutions in the context of proof tests on a damaged subsea umbilical [J].Engineering Failure Analysis,2009,16(4):1062.

[10] Trarieuxa F,Lyonsb G J,Patel M H.Investigations with a bandwidth measure for fatigue assessment of the Foinaven dynamic umbilical including VIV [J].Engineering Structures,2006,28(12):1671.

[11] Collong S,Kouta R.Fault tree analysis of proton exchange membrane fuel cell system safety[J].International Journal of Hydrogen Energy,2015,40(25):8248.

[12] Chi C-F,Lin S-Z,Dewi R S.Graphical fault tree analysis for fatal falls in the construction industry[J].Accident Analysis & Prevention,2014,72:359.

[13] 維齊利.故障樹手冊(cè)[M].疏松桂，唐信青,譯.北京：原子能出版社，1987.

[14] Det Norske Veritas.Offshore Reliability Data Handbook [M].Trondheim:OREDA Participants,2009.

FaultTreeAnalysisoftheUmbilicalofSubseaProductionSystem

XU Wen-hu,GUO Hong

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Fault tree analysis (FTA) is applied to analyze the reliability of the subsea umbilical of a gas field in South China Sea both qualitatively and quantitively.The fault tree model of the subsea umbilical is built.The key components of the subsea umbilical are cable,sheath and armour according to the qualitative analysis result and the weakest link,also the most important component,is the cable based on the quantitive analysis result.Based on the analysis results,improvement measures focusing on the cable are put forward in terms of design,manufacturing and operation of the umbilical to reduce the risk of failure and improve the reliability of the umbilical,which is beneficial to the design and safe operation of the subsea umbilical.

subsea production system; umbilical; fault tree; qualitative analysis; quantitive analysis; cable

2015-12-23

國(guó)家863計(jì)劃(2014AA09A224-2)

許文虎(1981—)，男，工程師，主要從事水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)工作。

TE952

A

2095-7297(2016)01-0008-04