基于FFTA 和FMEA 的水下采油樹系統(tǒng)可靠性分析*

劉 超 劉 健 肖文生 胡忠前 李 中

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院 2.海洋物探及勘探設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 3.中海油研究總院有限責(zé)任公司)

0 引言

隨著陸上油氣資源的不斷消耗，世界各大石油公司開始轉(zhuǎn)向?qū)Ｑ笥蜌赓Y源進(jìn)行開發(fā)，對(duì)海洋石油水下裝備的需求迅速上升[1]。水下采油樹作為油氣開發(fā)的重要設(shè)備，所處工作環(huán)境復(fù)雜，不僅受到水下低溫、高壓及腐蝕等因素的影響，而且還會(huì)面臨海上物體墜落及漁網(wǎng)撞擊等風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)出現(xiàn)泄漏及腐蝕等故障模式。21 世紀(jì)以來(lái)，海上事故呈現(xiàn)多發(fā)態(tài)勢(shì)，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和對(duì)環(huán)境的破壞，裝備的安全性和可靠性問(wèn)題更加引起關(guān)注[2]。因此，有必要開展水下采油樹系統(tǒng)可靠性分析，為防止海上事故的發(fā)生提供有效措施和可靠性技術(shù)指導(dǎo)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水下采油樹系統(tǒng)可靠性分析已經(jīng)進(jìn)行了許多基礎(chǔ)理論研究。劉健等[3－4]采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法，進(jìn)行了水下采油樹泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析和油管掛下放安裝風(fēng)險(xiǎn)分析；劉超等[5]考慮時(shí)間狀態(tài)下的失效概率轉(zhuǎn)移情況，采用Markov 方法進(jìn)行了水下采油樹系統(tǒng)可靠性定量評(píng)估；林秀娟等[6]采用灰色系統(tǒng)模型，進(jìn)行了采油樹系統(tǒng)可靠性腐蝕分析；GUAN Y.H.等[7]采用故障樹法(FTA) 對(duì)水下采油樹泄漏故障進(jìn)行了可靠性定量分析；羅建梅等[8]和DUAN M.L.等[9]在故障樹基礎(chǔ)上引入模糊數(shù)學(xué)函數(shù)，采用模糊FTA 進(jìn)行了水下采油樹部件的風(fēng)險(xiǎn)分析，將專家自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)，再將去模糊化轉(zhuǎn)化成失效概率，其研究成果對(duì)本文研究具有重要的借鑒作用；P.G.WANVIK[10]利用可靠性框圖法(RBD) 進(jìn)行了采油樹系統(tǒng)可靠性定量分析。

總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水下采油樹系統(tǒng)進(jìn)行的可靠性分析大多只考慮了部分典型故障模式對(duì)系統(tǒng)的影響，涉及的可靠性分析方法較為單一，且應(yīng)用的傳統(tǒng)故障樹分析法一般均假設(shè)事件失效概率為精確值，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有較大偏差。因此，本文采用模糊故障樹FFTA 和失效模式及影響分析FMEA 相結(jié)合的分析方法，從失效模式、失效原因和失效部件等方面進(jìn)行可靠性分析，并參考國(guó)外權(quán)威的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)OREDA，采用定性和定量相結(jié)合的方法分析了水下采油樹系統(tǒng)故障模式發(fā)生的嚴(yán)重程度，以期為國(guó)產(chǎn)化水下采油樹可靠性設(shè)計(jì)提供參考。

1 水下采油樹系統(tǒng)

水下采油樹是連接井口頭部各類閥門的組合體，可對(duì)井下產(chǎn)出的氣液進(jìn)行測(cè)試、操作、關(guān)斷和節(jié)流，且能保證井下修井作業(yè)的實(shí)施。按照油管掛布置方式，一般分為水下臥式采油樹和水下立式采油樹[11－12]。

將水下采油樹進(jìn)行系統(tǒng)約定層次劃分，主要分為4 個(gè)子系統(tǒng):采油樹本體模塊、節(jié)流模塊、油管懸掛器模塊及流動(dòng)基座模塊，其所含的設(shè)備為部件層。根據(jù)水下采油樹系統(tǒng)基本組成和作用，構(gòu)建功能結(jié)構(gòu)框圖，如圖1 所示。

圖1 采油樹系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Functional structure diagram of Christmas tree system

2 水下采油樹失效模式及影響分析

失效模式及影響分析(FMEA) 是一種可靠性定性分析法，主要用于系統(tǒng)多因素失效模式分析。該方法通過(guò)系統(tǒng)潛在的故障模式和故障原因，以及采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖確定不同故障模式對(duì)系統(tǒng)功能的危害程度等分析，可識(shí)別故障發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)程度，從而方便工作人員采取相應(yīng)的措施來(lái)進(jìn)行預(yù)防。

2.1 系統(tǒng)失效模式統(tǒng)計(jì)

綜合考慮水深、溫度、壓力、環(huán)境和技術(shù)等因素的影響，從外部環(huán)境和內(nèi)部介質(zhì)兩方面進(jìn)行失效因素構(gòu)建。外部受環(huán)境破壞、拖網(wǎng)、碰撞及第三方人員破壞等影響，造成系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性等失效。內(nèi)部受啟停工況、水合物、電力/信號(hào)傳遞中斷及多相流等影響，造成設(shè)備出現(xiàn)堵塞、泄漏、疲勞和控制等失效。綜合考慮外部環(huán)境和內(nèi)部介質(zhì)多因素耦合影響，對(duì)水下采油樹系統(tǒng)進(jìn)行失效模式及原因分析，確定影響設(shè)備的安全因素[13－17]，結(jié)果如表1 所示。

表1 水下采油樹失效模式統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics for failure modes of subsea Christmas tree

2.2 系統(tǒng)FMEA 分析表

運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法綜合辨識(shí)失效模式，在系統(tǒng)分析前首先制定故障嚴(yán)酷度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、發(fā)生度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和風(fēng)險(xiǎn)矩陣表，分別如表2、表3 和表4 所示。其中發(fā)生度表示故障模式的發(fā)生頻度，嚴(yán)酷度表示故障影響的嚴(yán)重程度。基于API IP17N 和GB 7 826評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將系統(tǒng)故障模式的嚴(yán)酷度分為5 個(gè)等級(jí)(C1～C5)，以風(fēng)險(xiǎn)矩陣表的行顯示，將系統(tǒng)故障發(fā)生頻度亦分為5 個(gè)等級(jí)(F1～F5)，以風(fēng)險(xiǎn)矩陣表的列顯示。

表2 故障嚴(yán)酷度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[14]Table 2 Fault severity evaluation criteria[14]

表3 故障發(fā)生度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[18]Table 3 Fault occurrence evaluation criteria[18]

表4 風(fēng)險(xiǎn)矩陣表Table 4 Risk matrix

按照FMEA 分析步驟對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了多因素失效模式分析，運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法綜合分析辨識(shí)故障模式的危害度，將失效模式劃分為高風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、中低風(fēng)險(xiǎn)及低風(fēng)險(xiǎn)5 個(gè)等級(jí)，完成系統(tǒng)的FMEA 分析，如表5 所示。

表5 水下采油樹系統(tǒng)FMEATable 5 FMEA of subsea Christmas tree system

通過(guò)FMEA 分析出水下采油樹系統(tǒng)共有20 個(gè)失效模式，其中堵塞屬于高風(fēng)險(xiǎn)失效模式，不能關(guān)閉/鎖緊、關(guān)鍵位置泄漏及外部泄漏(工作介質(zhì)) 屬于中高風(fēng)險(xiǎn)失效模式，不能打開/解鎖、結(jié)構(gòu)失效、線路短路及控制/信號(hào)失效屬于中等風(fēng)險(xiǎn)失效模式。運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法辨識(shí)故障模式危害度，對(duì)中風(fēng)險(xiǎn)以上的失效模式應(yīng)該采取相應(yīng)的措施進(jìn)行重點(diǎn)防范。

3 采油樹系統(tǒng)故障樹分析

3.1 模糊故障樹分析方法

模糊集合理論處理不確定性問(wèn)題[19]的基本思想是通過(guò)模糊化元素x對(duì)集合A的隸屬關(guān)系(可取0～1 范圍任意值)，反映出x對(duì)A的隸屬程度。

若L滿足:①L(x)＝L(－ x)；②L(0)＝1；③L(x) 在[0，＋∞] 上逐段連續(xù)且非增，則稱L為模糊數(shù)參照函數(shù)。

設(shè)L、R為模糊數(shù)參照函數(shù)，若滿足:

L-R型模糊函數(shù)的基本形式主要包括正態(tài)型和三角型[10[，本文采用三角型模型函數(shù)來(lái)描述事故發(fā)生的概率，可以克服傳統(tǒng)分析法存在的因故障概率數(shù)據(jù)少及不精確性所導(dǎo)致的缺點(diǎn)，具有較大適應(yīng)性和靈活性，其參照函數(shù)如式(6) 所示。

其對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)如圖2 所示。

圖2 三角型隸屬函數(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram for triangular membership function

在傳統(tǒng)FTA 中，頂事件故障概率“T”通過(guò)邏輯門算子對(duì)基本事件求解得出[20]。在模糊FTA中，采用模糊門算子代替?zhèn)鹘y(tǒng)算子，采用模糊數(shù)來(lái)描述基本事件概率，以此計(jì)算頂事件模糊失效概率區(qū)間值。故障樹中基本邏輯符號(hào)包括與門和或門，表示各事件之間關(guān)系。

與門模糊算子為:

或門模糊算子為:

式(10) 也可以表示為:

式(11) 中mY、αY、βY的遞推公式為:

由可靠性基本理論得出可靠度R(t) 與失效率P(t) 的函數(shù)關(guān)系:

當(dāng)P(t) 為一恒定值，且t→1 時(shí)，式(13) 可近似為R ＝e－P。

3.2 基本事件概率重要度

基本事件概率重要度表示事件失效率變化改變頂事件失效率變化的大小程度，通俗來(lái)說(shuō)，其代表事件在系統(tǒng)中的重要性，函數(shù)表達(dá)式為:

式中:h(p)＝h(p1，p2，……，pn) 為頂事件模糊函數(shù)，?pj為第j個(gè)事件失效率。

系統(tǒng)故障樹邏輯門均是或門，則基本事件概率重要度通過(guò)式(15)、式(16) 及式(17) 求解。

3.3 水下采油樹系統(tǒng)故障樹建立

針對(duì)水下采油樹系統(tǒng)故障事件建立故障樹，選擇“水下采油樹系統(tǒng)失效”為頂事件，向下可以從4 個(gè)方面(節(jié)流模塊故障、采油樹本體故障、油管懸掛器故障以及流動(dòng)基座模塊故障) 進(jìn)行分析。基本事件編碼和系統(tǒng)故障樹模型如圖3 和圖4 所示。

圖3 水下采油樹系統(tǒng)故障樹Fig.3 Fault tree of subsea Christmas tree system

圖4 采油樹系統(tǒng)故障分支Fig.4 Fault branch of Christmas tree system

建立故障樹模型主要是找出導(dǎo)致水下采油樹失效的所有可能因素，求出最小割集。根據(jù)FTA 運(yùn)算法則得出T ＝X1＋X2＋X3＋X4＋X5＋X6＋X7＋X8，……，＋X34＋X35＋X36，系統(tǒng)失效模式的最小割集為T ＝{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，……，{X34}，{X35}，{X36}，從而判斷出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。

3.4 模糊故障樹的定量分析

國(guó)內(nèi)對(duì)于水下采油樹的研究起步比較晚，在石油天然氣系統(tǒng)可靠性工程方面仍處于借鑒學(xué)習(xí)階段，但由于數(shù)據(jù)采集耗時(shí)比較長(zhǎng)，尚未建立一套完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)。而國(guó)外已建立起完善的水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)并制定了相關(guān)規(guī)范，本文參考國(guó)外OREDA[21]可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)以及國(guó)內(nèi)中海油公司失效數(shù)據(jù)調(diào)研情況，列出各基本事件概率，如表6 所示。

表6 基本事件概率Table 6 Basic event probability

由PT＝OR(PX1，PX2，PX3，PX4，PX5，……，PX35，PX36)LR，運(yùn)用MATLAB 對(duì)式(12) 結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行編程，可得頂事件T關(guān)于λ截集的失效概率區(qū)間值計(jì)算式:

由式(18) 可知，當(dāng)?shù)资录Ц怕蕿榇_定數(shù)值，即λ ＝1 時(shí)，得到頂事件發(fā)生故障概率PT＝0.261 5×10－3，則系統(tǒng)可靠度RT＝0.999 738 5；當(dāng)?shù)资录Ц怕蕿槟：齾^(qū)間值，即λ ＝0 時(shí)，得到頂事件發(fā)生故障概率:PT＝[0.748 0×10－4，0.424 9×10－3]，即系統(tǒng)最小失效概率為0.748 0×10－4，最大失效概率為0.424 9×10－3，系統(tǒng)可靠度區(qū)間RT＝[0.999 575 2，0.999 925 2] 。

3.5 基本事件概率重要度計(jì)算

計(jì)算水下采油樹系統(tǒng)的基本事件概率重要度，并通過(guò)MATLAB 計(jì)算制作折線圖，如圖5 所示。

從圖5 可以得出，在水下采油樹系統(tǒng)中，油管懸掛器化學(xué)試劑注入耦合器、節(jié)流模塊硬管、節(jié)流模塊控制閥、絕緣裝置、采油樹控制閥、節(jié)流閥、基座工作介質(zhì)隔離閥、節(jié)流模塊單向閥及油管懸掛器電源/信號(hào)耦合器等部件故障相對(duì)來(lái)說(shuō)是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)該對(duì)其采取措施重點(diǎn)防范保護(hù)和定時(shí)檢測(cè)，以防止或減少生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。

圖5 水下采油樹系統(tǒng)基本事件概率重要度Fig.5 Basic event probability importance of subsea Christmas tree system

本文研究主要以O(shè)REDA 可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)為參考，該數(shù)據(jù)庫(kù)包含對(duì)各石油公司在役海上油氣生產(chǎn)設(shè)施運(yùn)行失效情況的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，對(duì)國(guó)內(nèi)水下采油樹系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析僅能提供一定的借鑒作用。因此，在后期對(duì)項(xiàng)目涉及到的南海國(guó)產(chǎn)化水下采油樹系統(tǒng)，應(yīng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果驗(yàn)證和失效數(shù)據(jù)追蹤，并嘗試建立國(guó)內(nèi)水下采油樹系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)和制定相關(guān)規(guī)范。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1) 通過(guò)FMEA 法進(jìn)行采油樹系統(tǒng)可靠性定性分析，找出了系統(tǒng)潛在的故障模式和故障原因，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行失效模式危害等級(jí)劃分，將失效模式劃分為高風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、中低風(fēng)險(xiǎn)及低風(fēng)險(xiǎn)5 個(gè)等級(jí)。通過(guò)FMEA 分析出水下采油樹系統(tǒng)共有20 種失效模式，其中，堵塞屬于高風(fēng)險(xiǎn)失效模式，不能關(guān)閉/鎖緊、關(guān)鍵位置泄漏和外部泄漏屬于中高風(fēng)險(xiǎn)失效模式，不能打開/解鎖、結(jié)構(gòu)失效、線路短路及控制/信號(hào)失效屬于中等風(fēng)險(xiǎn)失效模式，對(duì)中等風(fēng)險(xiǎn)以上的失效模式應(yīng)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行重點(diǎn)防范。

(2) 建立了水下采油樹系統(tǒng)故障樹模型，引入三角模糊函數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)可靠性定量分析，求解最小割集，計(jì)算了系統(tǒng)失效概率和模糊概率重要度，找出了系統(tǒng)相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。分析結(jié)果表明，油管懸掛器化學(xué)試劑注入耦合器、節(jié)流模塊硬管、節(jié)流模塊控制閥、絕緣裝置、采油樹控制閥、節(jié)流閥、基座工作介質(zhì)隔離閥、節(jié)流模塊單向閥及油管懸掛器電源/信號(hào)耦合器等部件屬于水下采油樹系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)對(duì)其采取措施重點(diǎn)防范保護(hù)和定時(shí)檢測(cè)。