頂驅導軌故障樹分析

張軍巧，張一帆，王冬

北京石油機械有限公司（北京 102206）

0 引言

頂驅是當今石油鉆井的前沿技術和裝備，在深井、水平井、特殊工藝井等作業難度高的復雜井中作業能力表現突出，作業效率提高顯著，已在陸地和海洋鉆井中廣泛應用，成為石油鉆井作業的標配產品。

導軌是頂驅的重要組成部分之一，按結構分為單導軌和雙導軌，按安裝方式分為分體式和折疊式，按摩擦方式分為滾動式和滑動式。作業過程中，導軌為頂驅提供上下移動的通道，使頂驅可從井架空間上部直接驅動鉆柱完成鉆井作業，同時將頂驅承受的反扭矩傳遞到井架上，由于導軌上反扭矩梁的存在，還可使頂驅在鉆井作業中與井架保持相對正確的位置[1-5]。如果導軌發生故障，頂驅將無法進行鉆井作業，輕則影響作業進度，增加鉆井作業費用，重則造成井下事故。因此，導軌的故障原因分析對設計、制造和使用有重要意義。鑒于此，以最常用的分體滾動式單導軌故障為例進行分析研究，建立故障樹模型，找出故障主要原因，提出改進措施，達到減少故障發生的目的。

1 故障樹

1.1 故障樹的定義

故障樹分析方法是安全系統工程中的重要分析方法之一，用它描繪故障發生的有向邏輯樹，分析故障的現象、原因及結果。該方法既可定性分析，又可定量分析。通過定性分析，得到導致頂驅事件發生故障的直接原因或潛在原因；通過定量分析，求出頂事件的發生概率和底事件的結構重要度，從而提出改進措施和對策[6-8]。

故障樹由頂事件（用T表示）、中間事件（用M表示）和基本事件（用X表示），通過特定連接符號連接而成。如圖1所示，頂事件T代表事件發生，其包括兩個中間事件M1和M2，M1和M2為邏輯或關系，即只要其中一個發生，則T事件發生。M1包括兩個基本事件X1和X2，X1和X2為邏輯或關系。M2事件包括兩個基本事件X3和X4，X3和X4為邏輯與關系，即只有X3和X4兩個事件都發生M2才發生。

圖1 故障樹示意圖

1.2 最小割集及結構重要度

割集是導致頂事件發生的基本事件的集合，最小割集是引起頂事件發生所必須的最低限度的基本事件的集合。以圖1故障樹為例，最小割集求取如下。

由上得出，故障樹有三個最小割集{X1}、{X2}、{X3，X4}

最小割集的結構重要度計算公式為[9]：

式中：k為最小割集數；I?(i)為第i個基本事件的結構重要度系數；kj為j個最小割集；nj為第i個基本事件所在的第Kj最小割集中的基本事件總數；K為最小割集的數量。

2 分體滾動式單導軌故障樹分析

2.1 分體滾動式單導軌結構

分體滾動式單導軌一般由吊耳、調節板、導軌主體、反扭矩梁等組成，如圖2所示。吊耳通過焊接和緊固件與天車底部連接。調節板上端與吊耳通過緊固件連接，調節板上有適應不同高度井架的調節孔，調節范圍可達4 m。調節板與導軌主體上部采用緊固連接。導軌主體一般由包含導軌上部、導軌中部、導軌短節和導軌下部在內的多節組成，具體節數根據井架高度確定，每節由型鋼和板材焊接而成，各節之間通過上、下接頭連接后，使用專用緊固件緊固防松，如圖3所示。反扭矩梁將導軌主體下部與井架連接在一起。由于導軌為細長結構，當承受扭矩較大時，有發生扭轉變形的傾向，針對這種井位通常在導軌主體下部的上端和下端各安裝一套反扭矩梁。

圖2 分體滾動式單導軌結構

圖3 導軌主體各節連接接頭

2.2 導軌故障樹模型

針對鉆井現場工況的復雜性、多樣性和不確定性等因素，根據導軌故障的產生機理不同，對可能產生的原因進行分析，建立導軌故障樹模型，如圖4所示，各事件描述見表1。

圖4 導軌故障樹模型

表1 各代碼對應的事件

2.3 故障樹定性分析

故障樹定性分析的任務是找出故障樹的全部最小割集，從而得到影響頂事件的關鍵基本事件。

采用下行法求最小割集，就是從頂事件開始，由上向下逐個對結果事件進行處理，最后所得每一行的基本事件集合都是故障樹的一個割集，將這些割集進行比較，即得出所有的最小割集[10]。導軌故障樹最小割集見表2。

表2 導軌故障樹最小割集

由表2得出：T=M1+M2=X1+X2+M3+M4+M5=X1+X2+X3+X4+X5X6+X7X8X9

可見，導軌故障樹有6個最小割集：{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5X6}、{X7X8X9}

采用公式（1），計算各基本事件的結構重要度：

根據計算結果，各基本事件結構重要度順序為：X1=X2=X3=X4＞X5=X6＞X7=X8=X9。

結構重要度反映了基本事件對頂事件發生的影響程度，結構重要度越大，對頂事件的影響越大。由以上分析可知，反扭矩梁螺栓松動（X1）、連接件損壞（X2）、焊工技能和責任心不足（X3）、焊接坡口尺寸超差（X4）這4個事件是引發導軌發生故障的主要原因，應重點對這4個方面進行改進，以減少導軌故障，促進頂驅更加安全穩定的作業。

3 改進措施及應用效果

3.1 改進措施

1）提高螺栓連接的可靠性、防松能力和抗疲勞強度。針對反扭矩梁螺栓松動問題，每天檢查緊固反扭矩梁的螺栓、螺母、開口銷，如有損壞或缺失應補齊。每周用力矩扳手檢查螺栓的預緊力，如有松動應按規定的力矩擰緊，提高螺栓連接的可靠性、防松能力和抗疲勞強度。

2）防止連接件損壞。每天檢查連接件，如有變形、磨損或損壞應更換。每天檢查導軌與井口中心的距離，如偏差超過規定值，應按頂驅維護保養手冊要求調整反扭矩梁與導軌之間連接件到適當位置，避免反扭矩梁因承受額外的扭矩和振動，對連接件造成損害。

3）強化焊工技能和責任心。①加強培訓。通過對焊工進行頂驅結構、導軌結構和焊接理論的培訓，提高綜合素質。通過導軌故障危害性教育，提高思想意識。通過焊接技能比賽，提高其自主學習的積極性和工作熱情，進而提高焊接技能和責任心。②合理規范焊接操作。進一步規范焊接操作規程，除了焊接工藝規程中的內容外，增加焊前檢查待焊金屬表面和鄰近焊縫表面質量的要求，確保影響焊接質量的毛刺、氧化皮、鐵銹、油污等污物已清除干凈。③加強工藝紀律檢查。每季度對焊接過程中的焊材、焊接參數、焊接設備和監測儀器儀表等情況進行檢查，促使焊工形成自覺、按規定焊接的習慣，有效避免工作中的隨意性和人為失誤，達到穩定焊接質量、符合圖紙要求的目的。

4）加強培訓和檢驗審批制度。①對相關人員講解坡口尺寸的重要性。焊縫接頭類型和尺寸是根據承載能力計算得出的，通過焊接工藝評定進行驗證的，不符合設計尺寸的焊接，不但會影響焊縫成形、承載能力和使用壽命，還會導致產品出現故障甚至過早失效。②嚴格加工檢驗制度。切實實行首件檢驗、互檢、專檢相結合的“三檢制”，把好工序質量關，確保符合圖紙要求。③嚴格審批流程。當尺寸不合格時，填寫評審單進行評審，依據評審意見進行處置，避免潛在風險造成導軌故障。

3.2 應用效果

收集了2019—2021年在用導軌故障信息并進行統計，結果顯示采取改進措施后，2020年和2021年的反扭矩梁故障和焊縫裂紋故障次數比改進前2019年對應的故障次數大幅度降低。改進前與改進后故障數據對比見表3。

表3 改進前和改進后故障數據對比

4 結論

1）應用故障樹分析方法，建立了頂驅導軌故障樹模型，找出最小割集，對其結構重要度進行了計算。結果表明，反扭矩梁螺栓松動、連接件損壞、焊工技能和責任心不足、焊接坡口尺寸超差這4個基本事件結構重要度最大，是導軌故障的主要原因。

2）針對主要原因，給出了改進措施。通過改進措施的實施，使導軌故障次數明顯降低，證明構建的事故樹結構合理，提出的基于事故樹的導軌故障分析方法切實可行。

3）對導軌故障進行了初步分析，但由于現場使用環境和工況的復雜多變性，以及導軌結構的改進，需要在以后的研究中繼續挖掘影響導軌故障的原因，進一步豐富和完善導軌故障樹分析。