深水防噴器系統可靠性分析

曹樹杰， 王冬石， 溫紀宏， 金學義， 宋林松

(中海油田服務股份有限公司，河北 三河 065201)

深水防噴器系統可靠性分析

曹樹杰， 王冬石， 溫紀宏， 金學義， 宋林松

(中海油田服務股份有限公司，河北 三河 065201)

深水防噴器(BOP)作為深水井控關鍵部件，其可靠性對于保證深水鉆井安全高效進行極為重要。通過分析墨西哥灣及中國海域深水防噴器失效事故案例、廠家安全公告并結合現場故障及維保經驗，分析了“海洋石油981”平臺(HYSY981)防噴器組失效故障模式。以井口連接器為例，進行失效模式及后果分析(FMEA)，并通過基于信息公理(AD)與風險優先數(RPN)集結合的評估方法對風險因素科學排序。實例分析結果表明，通過FMEA分析，可以找出影響防噴器系統可靠性的潛在危險因素與薄弱環節，可從風險防控措施、風險處理方案、優化配件庫存等方面為操作人員提供依據，實現提高深水防噴器系統可靠性的同時，也能為其他鉆井相關設備系統提供支持。

深水；防噴器；失效模式及后果分析(FMEA)；井口連接器；可靠性

0 引 言

深水防噴器(BOP)組安裝于水下井口頭上使用，是保證深水鉆井作業安全的關鍵設備。目前，國內外學者均對防噴器系統可靠性有了一定的研究。曹式敬[1]利用冗余方法從防噴器系統配置與測試方面對“海洋石油981”防噴器系統進行了可靠性分析。趙紅等[2]提出深水防噴器控制系統的失效模式及后果分析(FMEA)方法，并完成了防噴器控制系統FMEA分析。段明星等[3]從深水防噴器系統的設計、試驗和法規要求分析了深水防噴器可靠性。國外Holand等[4]搜集了深水防噴器故障數據，建立了水下防噴器發生井噴或泄漏的故障樹。雖然國內外學者對深水防噴器系統進行了局部或整體可靠性分析，但是，基于信息公理的FMEA分析方法，以深水防噴器系統為研究對象，對其進行失效模式分析，并能真正從風險防控措施、風險處理方案、優化配件庫存等方面為操作人員提供依據的分析在國內鮮有報道。

本文擬以“海洋石油981”防噴器組為研究對象，結合現場實際，分析防噴器組的失效模式，并以井口連接器為例進行FMEA分析，旨在找出影響防噴器系統可靠性的潛在危險因素與薄弱環節，并從風險防控措施、風險處理方案、優化配件庫存等方面為現場人員提供依據的同時，達到提高深水防噴器組可靠性的目的。

1 “海洋石油981”防噴器故障模式分析

1.1 “海洋石油981”防噴器系統簡介

“海洋石油981”防噴器的主體結構包括2個萬能防噴器和6個閘板防噴器，控制系統主要包括1套電液復合控制系統、聲吶應急控制系統、ROV操作系統、應急液壓備用控制系統(EHBS)及應急解脫系統(EDS)[5]。防噴器組詳細配置如圖1所示。

1.2 故障模式分析

通過分析國外墨西哥灣相關防噴器故障模式與數據[4]、統計中海油服鉆井平臺近年的共計381例故障與維保實例，針對防噴器不同組件(萬能防噴器、閘板防噴器、隔水管連接器、井口連接器、控制系統等)的故障模式進行了分析，編制了故障模式分析表(見表1)。

圖1 “海洋石油981”防噴器結構圖Fig.1 HYSY981 BOP stack

部件名稱故障模式萬能防噴器井眼壓力泄漏,膠芯無法正常打開,膠芯無法正常關閉,內部液路泄漏閘板防噴器閘板關閉后外部泄漏,閘板關閉后內部泄漏,芯子無法正常打開,芯子無法正常關閉,芯子無法保持正常關閉狀態,上下連接承載能力不足,鎖緊失效,剪切失效隔水管連接器井眼壓力泄漏,鎖緊功能失效,解鎖功能失效井口連接器壓力漏失,鎖不到位,無法解鎖,鋼圈機構損壞,連接螺栓斷裂,連接螺栓滑扣下部隔水管總成(LMRP)阻流壓井插入頭堵塞,阻流壓井插入密封失效,藍黃盒無法連接,溫度壓力組件無法連接,聲吶插入頭密封失效撓性接頭泥漿泄漏,承載力不足,彈性體失效水下機器人(ROV)面板操作壓力泄漏,儲能瓶壓力泄漏,壓力表指示不準,閥門無法打開控制系統壓力泄漏,功能無法操作,非正常激活,無法補壓,儲能能力不足,報警檢測功能失效,操作相應時間不達標,控制液不達標事故安全閥閥門不動作,井眼壓力泄漏,操作壓力泄漏,井眼截止進入液缸,自動非正常打開

2 “海洋石油981”防噴器系統FMEA分析

2.1 FMEA分析簡介

2.1.1FMEA分析流程

FMEA是從實踐中發展起來的一種可靠性分析技術[6]。該技術既可以用在事先預防階段，分析潛在的故障模式及其原因，采取預防措施防止故障發生，也可以用在事后改進階段，分析已經發生的故障模式及其原因，采取改進措施，并防止故障再次發生[7]。其分析流程如圖2所示。

圖2 FMEA分析流程圖Fig.2 Flow chart of FMEA analysis

2.1.2計算風險優先數

風險優先數(RPN)是針對失效模式對系統所產生的綜合影響的評價方法。RPN值由失效模式的嚴重程度(S)、發生的概率的等級(O)以及可檢測難易程度(D)的乘積確定。為了明確防噴器組的潛在故障的風險程度，對S、O、D具體劃分標準如表2～4所示。

對于一個系統或組件來講，RPN值越大，表示防噴器組失效及帶來的后果越大，但是，RPN作為S、O、D的乘積，未能反映S、O、D每個因素的影響大小，例如某失效模式A的S、O、D分別為9、 1、 1， RPN值為9，而失效模式B的S、O、D分別為6、 3、 3， RPN值為54，按照傳統RPN結果分析，失效模式B風險等級大，但是由于失效模式A的嚴重度S為9，也足以引起我們關注，即需將某些單個因素作為關鍵因素考慮。

表2 嚴重程度S (severity level)評分標準表

表3 發生概率等級O評分標準表

表4 可檢測難易程度D評分標準表

2.1.3公理設計

公理設計(AD)核心理論是獨立公理和信息公理，獨立公理是將產品分解為獨立的功能需求，以消除設計參數之間的耦合關系；信息公理是評價設計結果的信息含量，它規定信息含量最小的設計為最優設計。利用AD中的信息公理提供了產品設計信息量的度量方法，能夠針對RPN的不足進行補充和改進。

RPN中的S、O、D取值都代表著可靠性各方面的設計概率，因此可以轉換為信息含量中的概率事件，即RPN的信息量(I)可以通過下式計算：

I=IS+IO+ID
=-log2[(10-S)(10-O)(10-D)/1000]，

(1)

式中：IS為嚴重程度指標；IO為發生頻度指標；ID為可檢測程度指標。根據式(1)計算出RPN的信息量后，通過信息量的比較，對可靠性參數進行評估。

2.2 防噴器組FMEA分析

由于防噴器系統復雜，部件較多，鑒于近年我來國南海半潛平臺井口連接器失效所引起的停工期較大，下文以井口連接器為例，進行FMEA分析。

2.2.1井口連接器FMEA分析表

以井口連接器為分析對象，將其分為液壓驅動機構、鎖緊機構、鋼圈機構及本體四部分，找出各部分可能出現的故障模式，并對每一故障模式S、O、D進行評分。FMEA分析表內容包括子系統名稱、故障模式、故障原因、故障的影響以及防控措施和S、O、D打分，如表5所示。

表5 井口連接器FMEA分析表

(續表)

2.2.2井口連接器故障模式綜合風險評估

提取井口連接器單項故障模式的S、O、D分值，對各故障模式計算其相應的RPN值與信息量I值進行綜合風險評估，計算結果如表6所示。

表6 井口連接器故障模式綜合風險評估表

由表6可得出： RPN最高的故障模式為無法解鎖，在I中也排第2位，因此需要重點關注此故障模式，在防噴器出水后，按照操作規程對連接器進行保養，對鎖塊與耐磨環間隙進行測量，此外，關鍵配件須有一定的庫存。分析無法解鎖故障風險評估值高的原因有： 井口連接器長期處于水下并受拉力作用，環境惡劣；無法解鎖故障模式影響因素較多，如操作壓力、驅動環等失效均影響解鎖。對于螺栓斷裂、滑扣此種故障模式，雖然RPN值排在后列，但是由于其嚴重度分值較高，I值排在第1位，也需要引起現場工作人員的重視，定期對螺栓扭矩進行檢查，對螺栓本體進行探傷，此外，平臺也需要配備一定的庫存。

3 結 語

通過調研國內外相關研究報告、事故案例，結合我國南海半潛平臺防噴器故障及維保情況，分析總結了“海洋石油981”防噴器組可能存在的故障模式，編制了故障模式分析表。基于防噴器組信息公理RPN的FMEA分析方法，通過井口連接器分析，得到需要重點關注的故障模式為無法解鎖與螺栓斷裂、滑扣，因此在平臺員工加強維保的同時，應有一定相應配件的庫存。

通過井口連接器分析實例可以看出，基于信息公理RPN的FMEA分析能夠很好地應用于防噴器組可靠性分析，為現場工作人員從風險防控措施、風險處理方案、優化配件庫存等方面提供指導的同時，也可為其他相應鉆井設備可靠性分析提供參考。

[1] 曹式敬.“海洋石油981”超深水鉆井裝置防噴器系統可靠性分析[J].中國海上油氣,2013,25(1)： 46.

[2] 趙紅,樊建春,張來斌.深水防噴器控制系統的FMEA分析研究及應用[J].中國安全生產科學技術,2012,8(11)： 107.

[3] 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,2010,51(a02)： 297.

[4] Holand P, Awan H. Realiability of deepwater subsea BOP systems and well kicks [R]. Exprosoft, 2012.

[5] National Oilwell Varco. User’s manual： Shaffer blowout preventer stack [S]. 2011.

[6] 劉正高,李福秋.工藝FMEA技術應用研究[J].質量與可靠性,2005,20(1)： 42.

[7] 崔文彬,吳桂濤,孫培廷,等.基于FMEA和模糊綜合評判的船舶安全評估[J].哈爾濱工程大學學報,2007,28(3)： 263.

ReliabilityAnalysisforDeepwaterBOPSystem

CAO Shu-jie， WANG Dong-shi， WEN Ji-hong， JIN Xue-yi， SONG Lin-song

(ChinaOilfieldServicesLimited,Sanhe,Hebei065201,China)

As key component of well control system, the reliability of deepwater blowout preventer (BOP) is extremely important to guarantee the safety and high efficiency of deepwater drilling. By analyzing failure accident cases in Gulf of Mexico and the South China Sea, combining security bulletins and maintenance experience of field failures, we analyze the failure mode of HYSY981 BOP system, perform failure mode and effect analysis (FMEA) of wellhead and sorted risk factors scientifically based on information evaluation model combined with risk priority number (RPN). Analysis results show that with the proposed method, we can find out the potential risk factors affecting the reliability of BOP system, and provide basis for operators to achieve the goal of deepwater BOP system reliability from risk prevention and control measures, risk treatment scheme, optimization of parts inventory, etc.

deep water; blowout preventer (BOP); failure mode and effect analysis (FMEA); wellhead connector; reliability

TE921+.5

A

2095-7297(2017)01-0001-06

2017-01-06

國家重點基礎研究發展計劃(2015CB251200)

曹樹杰(1964—)，男，高級工程師，從事海洋工程發展、海洋石油鉆井技術、海洋工程裝備技術的研究和管理工作。《海洋工程裝備與技術》編委。