水下連接器結構可靠性分析

龐楠， 賈鵬， 王立權， 運飛宏， 張寧， 劉璞

(哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著深水油氣田的發展，水下生產系統的開發模式日益普及，水下生產系統的長期可靠運行逐漸成為人們關注的焦點[1]。水下連接器作為連接水下結構物的核心裝備，一旦被破壞，將導致密封失效，引起泄漏事故，因此，水下連接器必須具有一定的抗損傷能力，保證其可靠性能。目前，國內外對水下連接器的研究較多，Zhang等[2]對水下連接器的安裝過程進行了風險分析，通過模糊理論法得到了水下連接器安裝失敗的綜合風險評價值。Zhuang等[3]通過理論分析與試驗結合，研究了連接器在循環載荷作用下的變形性能。Yun等[4]、Gatherer等[5]、Gill等[6]以及Wei等[7]通過理論與試驗結合的方法對連接器接觸性能進行評估，并開發了理論模型，得到了連接器變形和密封失效的失效機理。劉永紅等[8]通過分析深水防噴器組位于井口時井口連接器的工作狀態和重要失效模式，建立水下井口連接器的Markov模型，得到了系統瞬態和穩態可靠性指標的公式。Zhang等[9]提出了一種計算海底連接器密封結構壓縮極限的理論方法，為連接器結構設計提供了理論指導。目前，國內外學者[10]針對水下連接器的研究焦點多在安裝技術、密封技術、接觸疲勞損傷以及泄露機理等方面，但針對水下連接器結構可靠性方面的研究較少。水下連接器長期處于海洋環境中，面對復雜環境載荷、第三方破壞等風險，會造成水下連接器結構的故障和失效，因此，對水下連接器結構可靠性的研究是必要的。

為了彌補水下連接器研究的不足，本文針對深水卡爪式連接器結構進行可靠性研究，建立了水下連接器結構失效的故障樹模型，并對水下連接器結構的可靠性指標進行深入分析，為水下連接器的維護和長期運行的可靠性保障提供理論依據。

1 水下連接器結構簡介

水下連接器固定在水下生產系統的設備上，以實現不同水下結構物之間的連接。本文水下連接器結構的可靠性分析程序如圖1所示。

圖1 水下連接器結構可靠性分析程序

水下連接器結構系統由3部分組成，即底座下接頭、卡爪上接頭和防松結構。對接時，通過驅動結構帶動鎖緊結構對上下法蘭及密封圈施加預緊力，實現連接器密封，形成完整的密閉空腔。水下連接器結構系統如圖2所示，底座下接頭主要包括下法蘭、上下壁筒以及卡板結構等；卡爪上接頭主要由上法蘭、卡爪、驅動環(壓力環)以及密封圈等組成。防松結構如圖3所示，主要包括防松箱體、防松柱、鎖緊/解鎖塊、鏈條以及鏈條固定軸等[11]。本文對水下連接器結構系統建立故障樹模型。

圖3 水下連接器防松結構

2 水下連接器結構故障樹分析

2.1 失效模式分析

針對水下連接器的上法蘭結構，在對接鎖緊和運行過程中可能因外載作用，與其他結構接觸的配合面產生壓潰現象；而密封圈表面可能受意外擠壓發生磨損或變形；連接器的焊縫缺陷和初始缺陷在制造過程中是固有的，當存在外部載荷時，連接器壓力環可能發生變形甚至斷裂，卡爪也會發生變形甚至出現斷裂的現象。由于腐蝕、磨損和動態載荷導致的累積疲勞，它們的斷裂失效概率會增加。

針對水下連接器的下法蘭結構，事故的可能原因是在對接鎖緊和運行過程中，由于外載作用而導致與其他結構接觸的接觸面產生壓潰的現象。然而，取決于水下連接器的最弱點，在實際的對接鎖緊和運行過程期間，故障可能發生在水下連接器的任何位置。在檢測過程中，不專業的檢測設備和人為錯誤可能會導致結果不準確，從而可能找不到連接器潛在的缺陷。當受到意外載荷時，連接器支撐卡板會發生彎曲變形，壁筒也會發生變形、開焊，甚至出現斷裂的現象。

針對水下連接器的防松結構，可能因外載作用導致防松箱體、防松柱以及鏈條支撐軸彎曲變形。而防松本體可能受意外擠壓發生磨損，主要體現在鎖緊塊、解鎖塊和三角塊的工作斜面磨損。

2.2 建立水下連接器結構故障樹

結合水下連接器結構對象，考慮外載荷中第三方載荷情況，總結水下連接器結構系統常見的失效模式包括：底座下接頭失效(包括下法蘭失效、上下壁筒失效、卡板彎曲)、防松結構失效(包括防松箱體變形、防松柱彎曲變形、鎖緊/解鎖塊失效)以及卡爪上接頭失效(包括上法蘭失效、壓力環失效、卡爪失效、透鏡式密封圈失效)。

以“水下連接器結構失效”為故障樹的頂事件，建立水下連接器結構故障樹，如圖4所示。

圖4 水下連接器結構失效故障樹

3 水下連接器結構可靠性評估

3.1 模型假設

首先針對故障樹模型作以下假設：

1)故障樹中的底事件之間相互獨立；

2)故障樹中事件(部件和系統)只存在2種狀態：發生和不發生(正常和故障)；

3)底事件服從指數分布。

3.2 參數說明

水下結構物結構的失效目前國內外還沒有相關的數據統計，一些學者通過數學方法進行量級的確定。 Purba[12]通過定性數據處理對故障樹基本事件進行了模糊可靠性評估，得到了故障樹事件的模糊失效概率。Zhang等[2]通過對故障樹的模糊定量分析，得到水下連接器安裝失效概率量級為10-3～10-2。本文根據OREDA(offshore reliability data handbook)中水下連接器失效數據量級確定運行過程中水下連接器失效量級為10-7。由于本文考慮外載荷中第三方載荷情況，所以定義結構變形、彎曲相關失效量級為10-7，磨損、斷裂以及壓潰等相關失效量級為10-8。

3.3 可靠度及可靠壽命分析

根據故障樹分析指南，求解頂事件失效概率即在底事相互獨立和已知其發生概率的條件下進行，本文應用容斥定理計算公式計算頂事件概率。

設底事件數目為n的故障樹有k個最小割集Ki(1≤i≤k)，則故障樹的結構函數可表示為：

T=Φ(X)=K1+K2+…+Kk

(1)

式中每個最小割集Ki(1≤i≤k)表示相應底事件Xj(1≤j≤n)的積事件。

通常情況下，最小割集彼此相交，利用相容事件的概率計算公式可以求得頂事件發生概率P(T)為：

P(T)=P(K1+K2+…+Kk)=

…+(-1)k-1P(K1K2…Kk)

(2)

經計算頂事件及二級事件失效概率分別為：

PM1=0.25×10-6

(3)

PM2=0.65×10-6

(4)

PM3=0.33×10-6

(5)

PTOP=1.14×10-6

(6)

式中：PM1表示“底座下接頭失效”；PM2表示“卡爪上接頭失效”；PM3表示“防松結構失效”；PTOP表示“水下連接器結構失效”，則水下連接器結構失效函數為：

F(t)=1-e-λt=1-e-0.000 001 14 t

(7)

水下連接器結構可靠度為：

R(t)=1-F(t)=e-λt=e-0.000 001 14 t

(8)

水下連接器結構系統、水下連接器底座下接頭、水下連接器卡爪上接頭以及水下連接器防松結構可靠度隨時間關系如圖5所示。

由圖5可知，水下連接器結構隨著工作時間的增加，其可靠度逐漸減小。對于水下連接器結構，卡爪上接頭失效最快，其次是防松結構，最后是底座下接頭部分。

圖5 水下連接器結構可靠度隨時間變化曲線

水下連接器結構平均無故障時間為：

(9)

水下連接器結構系統及組成部件可靠壽命隨可靠度變化如圖6所示。

圖6 水下連接器結構可靠壽命曲線

由圖6可知對應任意可靠度值時，水下連接器結構系統以及各部件的可靠壽命，例如當水下連接器結構可靠度為0.90時，水下連接器結構的可靠壽命為9.24×104h；水下連接器底座下接頭結構的可靠壽命為4.21×105h；水下連接器卡爪上接頭結構的可靠壽命為1.62×105h；水下連接器防松結構的可靠壽命為3.19×105h。通過水下連接器結構及各部件可靠壽命曲線，可以對水下連接器進行可靠時間的預測，根據預測結果進行監測和診斷，發現結構可能性失效事件，并及時采取維護措施。

4 水下連接器結構重要度分析

故障樹模型中各個底事件作為水下連接器結構失效的原因，“水下連接器結構失效”的概率取決于各個底事件的失效概率，每一個底事件都可能導致水下連接器結構失效，為了更加明確水下連接器結構失效的原因，需要對水下連接器結構失效故障樹模型的其他事件做重要度分析。

1)概率重要度。

(10)

針對水下連接器結構失效故障樹，計算事件M1、M2以及M3概率重要度為：

(11)

(12)

(13)

通過以上分析可知，M2事件(卡爪上接頭失效)的概率重要度最大，是結構系統的相對薄弱環節，在制造和使用中應該重點關注。

2)結構重要度。

結構重要度主要用于可靠度分配，其大小與元件在結構中的地位有關，而與元件失效概率無關。其計算公式為：

(14)

式中：Kj為第j個最小割集；Nj為基本事件Xi所在最小割集Kj的底事件數。本文所建立的故障樹最小割集為底事件本身。因此，Nj值為1，所有底事件結構重要度相同,則底座下接頭失效、卡爪上接頭失效以及防松結構失效結構重要度關系可以表示為：

I(M1)=I(M2)=I(M3)=1

(15)

3)關鍵重要度。

關鍵重要度指底事件失效概率變化率引起的頂事件失效概率變化率，也稱臨界重要度，能反映出事件經過改善，提高其可靠性能對于系統的影響，其計算公式為：

(16)

經計算，分別解得底座下接頭失效、卡爪上接頭失效以及防松結構失效的關鍵重要度分別為：

(17)

(18)

(19)

由計算結果可知，水下結構連接器卡爪上接頭結構的關鍵重要度最高。因此，在水下連接器生產和制造過程中應注意卡爪上接頭的可靠性，提高加工質量，可以更有效地改善水下連接器結構系統的可靠性。

5 結論

1)通過水下連接器結構故障樹的定量分析，得到了水下連接器結構可靠度隨時間變化曲線及水下連接器長期運行的可靠壽命曲線，可以推測水下連接器可能發生結構失效的時間，對實際作業有一定的指導意義。

2)求解了水下連接器平均無故障時間為8.77×105h，同時，求解了任意時刻的結構可靠度以及已知可靠度時的可靠壽命等可靠性指標，為水下連接器的可靠運行提供了理論依據。

3)通過水下連接器結構重要度分析，得到了卡爪上接頭部分的關鍵重要度為0.528，是水下連接器結構較薄弱的環節。為進一步開展水下連接器結構的診斷分析和維修性分析奠定了理論基礎。