深水防噴器控制系統換向閥可靠性試驗研究

張東平(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

深水防噴器控制系統換向閥可靠性試驗研究

張東平
(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

研究深水防噴器控制系統換向閥的可靠性對海洋鉆井安全具有十分重要的意義。通常，一個閥件的失效可能會導致系統故障，帶來無法估量的損失。參照相關標準制訂了可靠性試驗方案、故障判定和統計原則，對隨機抽取的12臺換向閥進行了模擬真實工作環境的試驗。對換向閥失效模式及壽命次數進行了統計分析，得出了換向閥可以達到預期平均無故障工作時間的結論。為深水防噴器控制系統的國產化和工程應用奠定基礎。

防噴器；控制系統；換向閥；可靠性

深水防噴器及控制系統是保證深水鉆井作業安全的關鍵設備，其作用是控制井口壓力，保證人員、設備安全，避免海洋環境污染和油氣資源破壞[1]。深水防噴器及控制系統在鉆井工作過程中的主要故障模式包括：防噴器故障、換向閥故障、梭閥故障、節流壓井閘閥故障、電磁閥故障、調壓閥故障、管線泄露，這些故障占到防噴器系統故障模式總數的25%[2]。深水防噴器及控制系統一旦出現故障，需要將隔水管總成和防噴器完全起出進行維修，至少造成14 d停機時間，這將會給鉆井承包商造成巨大的經濟損失[3-4]。因此對深水防噴器組及控制系統的可靠性要求非常高。

換向閥是深水防噴器控制系統的關鍵部件，對換向閥進行可靠性試驗研究非常必要。換向閥按照換向方式的不同，可以分為電磁換向閥、電液動換向閥、液動換向閥和手動換向閥。本文所研究的換向閥需要工作在3 000 m的深水區，且操作壓力比較高[5]，要求換向平穩、開關迅速、安全可靠，所以選擇液壓先導控制的液動換向閥。

1 技術分析

1.1 主要結構

深水防噴器控制系統換向閥是一種板式安裝的插裝閥，其結構組成主要包括閥體、閥罩、閥芯、彈簧、密封板、閥蓋等，如圖1所示。此換向閥為液壓先導控制的兩位三通閥，設計有4個工作口，分別為供給口、功能口、泄荷口和先導口，換向閥各部件均由高強度不銹鋼材料制造，滿足換向閥工作壓力高、耐海水外壓、耐海水腐蝕的特殊要求。

1—閥蓋；2—活塞；3—壓板；4—彈簧；5—閥桿；6—墊板；7—上密封板；8—閥罩；9—閥芯；10—下密封板；11—閥體。圖1 換向閥結構示意

1.2 主要技術參數

供給口工作壓力(差壓)

35 MPa

功能口工作壓力(差壓)

35 MPa

先導口工作壓力(差壓)

21 MPa

最小開啟壓力(差壓)

13.6 MPa

開啟液量

9.9 cm3

工作溫度

-29～65 ℃

2 試驗方案及要求

深水防噴器系統換向閥的可靠性試驗方案，參考GJB 899A—2009[6]標準制定。為保證試驗具有代表性，要求受試產品樣本必須采用相同方法、穩定工藝裝配完成的合格產品，并且采用隨機抽樣方式取得試驗樣本。試驗樣本量原則上越多越好，綜合考慮成本、時間等因素，選取12臺換向閥進行試驗。試驗前，對試驗樣本進行編號并做好清晰的標記，按要求安裝到試驗臺上，對試驗設備和檢測儀器按規定進行檢查。試驗模擬實際工況，以保證試驗結果的真實性。試驗期間要做好產品監測和記錄，發現故障時要停機仔細檢查、分析，并按規定措施處理故障后方可繼續試驗。換向閥每完成一次動作循環，記為一次。試驗采用定時截尾試驗，截至時間為5 000次/臺，分析換向閥能否達到平均無故障工作時間5 a目標。

3 故障記錄處理

3.1 故障判定

按照GJB 451A—2005標準[7]的定義，故障是指產品不能執行規定功能的狀態。在規定條件下工作的深水防噴器控制系統換向閥，其故障的表現形式有：

1) 產品的一個或多個性能參數超出規定范圍。

2) 產品的結構、組件、元件等發生破裂、斷裂或損壞。

3) 產品不能工作或喪失部分規定的功能。

故障判據是判定產品是否發生故障的標準和依據，試驗過程中必須嚴格按照故障判據判定產品所處的狀態。經故障判據判定的故障信息應詳細記錄，內容包括故障時間、故障模式、故障機理和故障影響等。在試驗過程中，故障產品的撤出、重新投入試驗不能影響其他在試產品，并且應連續記錄試驗數據。

3.2 故障統計原則

產品的故障統計應遵循下列原則：

1) 產品獨立故障引起的從屬故障，不計入故障次數。

2) 經證實由同一原因引起的多種故障模式，只記一次故障；不能證實由同一原因引起的多個故障，視為獨立故障單獨記錄。

3) 產品零部件的輕微缺陷，若不影響產品的功能和使用要求，并且不需要停機就能夠輕易排除的故障，不計入故障次數。

4) 按計劃實施的產品清潔、易損件更換等預防性維護措施，不計入故障次數。

5) 試驗數據信息的收集，要滿足真實性、連續性和完整性的基本要求。

4 試驗過程

4.1 試驗設備

深水防噴器控制系統換向閥的可靠性試驗設備，如圖2所示，主要由操作臺、液壓站、高壓艙、司鉆面板、絞車等組成[8]，可以模擬換向閥的真實工作環境。高壓艙試驗裝置具備模擬3 000 m深水條件下對控制系統換向閥進行測試的能力，為深水防噴器控制系統換向閥的試驗提供了測試平臺，試驗能力在國內外同行業中居領先水平。

1—操作臺；2—液壓站；3—高壓艙；4—司鉆面板；5—絞車。圖2 可靠性試驗設備

4.2 試驗步驟

1) 從采用相同方法、穩定工藝裝配完成的合格產品中，應用隨機抽樣方法抽取換向閥12臺。

2) 將試驗樣本編號并做好清晰的標記，并按要求安裝到試驗臺上，試驗設備、檢測儀器應符合相關規定。

3) 試驗過程中應做好產品的故障監測和記錄，發現故障時要仔細檢查、分析，按規定處理后方可繼續試驗。

4) 換向閥循環動作，累計動作次數達到5 000次/臺時停止試驗。

5) 按要求對故障信息進行分類和統計，為試驗數據分析奠定基礎。

5 換向閥的試驗數據分析

根據試驗方案的要求，按照制定的試驗大綱進行試驗，并按規定對受試產品的失效信息進行記錄和統計，得到換向閥的可靠性試驗數據，如表1所示。

表1 換向閥可靠性試驗失效信息統計

表1(續)

威布爾分布是可靠性分析中常用的壽命分布，大量試驗數據證明許多元件與設備的壽命分布都是威布爾分布，因此，選擇威布爾分布模型作為應用模型進行分析[9-11]。

威布爾分布的故障分布函數與故障概率密度函數分別為：

F(t)=1-e-(λt)m

(1)

f(t)=λm(λt)m-1e-(λt)m

(2)

式中：m為形狀參數；λ為尺度參數。

從一批產品中隨機抽取n個樣品進行定時截尾壽命試驗，其截尾時間為τ，在截尾時間之前有r個樣品失效，其試驗數據為：

t1≤t2≤…≤tr≤τ

若產品壽命分布為W(m，λ)，則試驗數據的對數似然函數為：

(3)

對對數似然函數求導，可得到似然方程為：

(4)

其威布爾分布的平均壽命為：

(5)

其威布爾分布的可靠度估計為：

(6)

當t=5 000時，通過式(6)計算得換向閥的可靠度為R(t)=97.35。

從以上試驗數據和計算結果分析，當威布爾分布的形狀參數m>1時，換向閥的壽命分布為耗損型威布爾分布，換向閥的平均壽命達到4 860次，按照換向閥每年動作次數700次計算，其足以達到平均無故障工作時間5 a目標。

6 結論

1) 試驗結果表明，換向閥的換向過程平穩可靠，執行機構能夠實現相應動作，能夠達到預定的平均無故障工作時間5 a的目標，對于保證深水防噴器控制系統可靠性及海洋鉆井安全具有重要意義。

2) 通過此次試驗，可以對換向閥失效原因進行分析，從產品設計和加工制造兩個方面入手，優化結構尺寸，提高加工制造水平，進一步提高換向閥的可靠性。

3) 通過對換向閥可靠性試驗方案和數據分析方法的研究，為分析深水防噴器控制系統中其他液壓元件的可靠性提供借鑒。

[1] 吳國輝，許宏奇，陳艷東，等.國內外深水防噴器控制系統的發展[J].石油礦場機械，2015，44(9)：1-4.

[2] BOP FAILURE MODE EFFET CRITICALITY ANALYSIS (FMECA)-3 FOR THE BSEE[R].BSEE，2013.

[3] McKay，Jim.Blowout Prevent(BOP) Health Monitoring[C]//IADC/SPE Drilling Conferene.2012.

[4] Faller，Karl.Condition based maintenance holds potential for improving equipment reliability，performance[J].Drilling Contrator，2009(10)：50-52.

[5] 李博.深水海底防噴器組液壓控制系統設計研究[D].東營：中國石油大學( 華東)，2009.

[6] GJB 899A—2009，可靠性鑒定和驗收試驗[S].

[7] GJB 451A—2005，可靠性維修性保障性術語[S].

[8] 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.

[9] 郭永基.可靠性工程原理[M].北京：清華大學出版社，2002.

[10] 丁湛，黃雙華.基于威布爾分布的可靠性壽命分布模型的建立[J].電子測量技術，2007，30(3)：34-35.

[11] 黃官升，吳緯.高速響應電磁閥可靠性試驗研究[J].北京理工大學學報，1998，18(3)：311-315.

Experimental Research on Reliability of Directional Control Valve Deepwater BOP Controlled System

ZHANG Dongping
(HebeiRongshengManufactureLtd.ofHuabeiOilfield，Renqiu062552，China)

It has great significance to research the reliability of directional control valve deepwater bop control system.Usually the valve failure will cause system fault and bring immeasurable loss.According to the relevant standards，the reliability test plan，fault judgment and statistical principle are developed to lay twelve random selected valves in real working environment to test.The failure modes and life times of valve are counted and analyzed.It is concluded that the directional valve can achieve expected mean time between failures.It can lay the foundation for engineering application and localization of deepwater bop control system.

BOP；control system；directional control valve；reliability

2016-11-24

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”(2013AA09A220)

張東平(1984-)，男，內蒙古赤峰人，工程師，現主要從事深水防噴器控制系統方面的研究工作，E-mail：13931761845@163.com。

1001-3482(2017)03-0033-04

TE921.507

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.007