水下生產控制緊急關斷系統的可靠性分配方法

尹豐　文雨欣　余曦冉　岳元龍　左信

摘 要 為進一步從水下生產控制緊急關斷系統的整體到局部開展可靠性研究，提高系統及設備的可靠性，采用層次分析法對水下生產控制緊急關斷系統開展可靠性分配研究，將給定的可靠性指標合理分配至水下緊急關斷系統的各設備單元，通過實例驗證了可靠性分配方法的有效性。為水下緊急關斷系統可靠性設計提供合理化的指導，進而優化設計并提高產品選型質量。

關鍵詞 層次分析法 緊急關斷系統 水下生產控制 可靠性分配

中圖分類號 TP202+.1? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 1000-3932（2023）04-0507-07

目前，水下油氣生產設備國產化進程緩慢，多數設備仍處于設計階段，尚未成功投產。由于國外技術封鎖，國內仍需大量采購水下生產系統的相關產品，進行組裝后再投產。

在水下生產控制緊急關斷系統的設計階段，通常需要綜合考慮相關標準要求、功能需求分析、產品調研后，才能進行產品選型和系統設計，這與設備產品的可靠性指標密不可分［1］。因此，對水下緊急關斷（Emergency Shutdown，ESD）系統進行可靠性分配，可為相關設備的產品選型及結構設計與優化提供一定的參考［2］。

1 可靠性分配原則

可靠性分配是在給定系統可靠性指標的前提下，將指標綜合權衡后分配給系統中的各設備單元，以提供設計指導的過程。在該過程中，需充分考慮經濟成本、維修成本、設備工作環境等因素，在設計要求和眾多影響因素的約束下靈活制定分配原則，各設備單元的分配值在相互補償后應使系統的可靠性水平達到設計要求［3］。如果分配過程中出現不符合成本約束或實際技術水平發展的情況，需針對該問題進行調整，完成二次重新分配，直至分配合理［4，5］。

可靠性分配原則的常見影響因素有：復雜度、技術工藝水平、工作環境、故障概率、故障后果嚴重程度、維修性等，各因素有對應的分配原則。

2 基于層次分析法的可靠性分配

3 可靠性分配步驟

進行可靠性分配，首先需要確定可靠性分配指標和評價因素集合；然后建立系統層次分析模型，在此基礎上構建判斷矩陣、計算權重向量后，進一步完成一致性檢驗；最后計算組合權重向量并完成分配計算。具體分配分7個步驟完成。

a. 確定可靠性分配指標。可靠性分配指標的選取要針對具體的研究對象合理判斷。在可靠性分配中，通常選取的指標有可靠度、失效率、平均無故障工作時間等，根據設計要求給定具體數值作為后續分配制定的總體目標值。

b. 確定評價因素集合。系統可靠性分配的評價因素是根據系統特點所選取的，例如設備所處工作環境、技術水平、故障影響等。這些評價因素從實際出發，決定了各設備單元的分配原則及分配結果的合理性，是開展后續可靠性分配工作的關鍵。

c. 系統層次分析模型的建立。選取系統的評價因素集合后，設計的系統層次分析模型如圖1所示。層次分析模型的最高層為目標層A，內容為系統應實現的可靠性指標；中間層為準則層C，內容為影響系統可靠性分配的各種評價因素，當其數量越多時可靠性和精確度越高；最底層為對象層P，內容為待分配系統的各個子系統單元及其指標。該模型的復雜程度與系統影響因素及設備數量相關，當過于復雜時，需要簡化模型并再次進行層次劃分。

d. 構建判斷矩陣。步驟a～c是為了定性梳理層次與各評價因素之間的關系。在層次分析模型的基礎上，為了化抽象的專家決策為具體客觀的數值，需要計算對象與評價因素的相對權重，即構建判斷矩陣。由于各評價因素性質不同，放在同一尺度下比較存在困難，所以AHP利用對不同層次指標間的兩兩重要性對比構建判斷矩陣，以此解決指標性質不同的問題。所用尺度是通過標度轉化而來的，標度量化了評價因素之間的相對重要度。常用的標度見表1。

4 水下緊急關斷系統可靠性分配

4.1 可靠性分配指標選擇

在選取可靠性分配指標時需要綜合考慮系統中設備單元的復雜度、產品的技術水平、故障特點等因素。對于實際工程而言，可靠度可以最直接反映設備的壽命及運行階段。為了使設計人員更直觀地獲得可靠性分配結果，從而更好地理解設計需求，選擇可靠度作為可靠性分配指標。

根據水下生產及控制系統設計的相關標準可知，水下ESD系統在國產化設計時，其系統可靠度應不低于99.0%。由于可靠性分配過程中可能會出現對評價因素選取考慮得不夠全面細致等問題，有時會出現部分設備可靠性指標不達標的狀況。因此，為了減少過度分配的問題，在實際可靠性分配過程中，預先保留5%～10%的余量。綜上，筆者研究的系統的可靠度設定為99.5%。

4.2 可靠性分配模型

對水下ESD系統進行可靠性分配的步驟為：建立系統的可靠性框圖［7］、等效簡化該模型中的單元、確定評價因素集合及準則。

4.2.1 建立系統可靠性框圖

在正常生產時，水下ESD系統執行基本過程控制系統（Basic Process Control System，BPCS）功能，在出現緊急事故時執行安全儀表系統（Safety Instrumented System，SIS）功能。從水下ESD系統所執行的SIS功能角度出發，將系統劃分為子系統級和設備級，建立的系統可靠性框圖模型如圖2所示。

4.2.2 可靠性模型簡化

水下ESD系統的設備單元所處位置、布局、結構復雜度、承擔功能存在一定程度的差異，因此每個設備單元的可靠性分配需求也不相同。由于該系統的結構組成既有串聯結構也有并聯結構，所以一次分配不能一步到位地滿足整個系統的可靠性分配。為此，筆者采取多次分配的方法。等效簡化系統的可靠性框圖模型后，在一次分配時把系統可靠性指標分配至簡化后的等效單元。在此基礎上再展開二次分配，將可靠度逐級分配直至每個設備底層。簡化后的水下ESD系統可靠性框圖模型如圖3所示。

4.2.3 確定評價因素集合及準則

水下ESD系統的設備單元長期在海洋環境或海上平臺運行，在選取評價因素時，需要結合鶯歌海海域的具體情況。此外，各設備單元常用產品多為國外品牌，目前也有部分自主研發產品，因此技術工藝水平、故障概率及維修性也是重要的影響因素。明確評價因素集合的組成部分有：復雜度、技術工藝水平、工作環境、故障概率、故障后果嚴重程度、維修性。

4.3 構建判斷矩陣

4.4 可靠性分配計算及分析

該系統中各設備在執行SIS功能時，存在先后響應順序，該順序決定了在進行系統設計時各設備可靠度要求的高低水平，表3中的分配結果與之相符。

5 結束語

分析水下ESD系統可靠性分配的目的及原則，通過層次分析分配法進行可靠性分配。首先，建立系統的可靠性分配模型，在水下ESD系統可靠性框圖模型的基礎上對其進行簡化。其次，結合該系統特點及實際工程情況選擇合理的評價因素，建立系統的層次分析模型。利用該領域專家知識量化各個評價因素對于整體系統及設備單元的相對重要度，在科學構建判斷矩陣的基礎上，計算得到可靠性分配系數。考慮系統的復雜程度，采取多次分配法，最終實現了從系統整體可靠性到局部設備單元的可靠性分配。研究結果可以指導水下ESD系統國產化自主設計過程，具有一定的工程參考價值。

參 考 文 獻

［1］ ISMAGILOV F，VAVILOV V，KARIMOV R，et al.Combined Method of Technical Analysis to Optimize the Aviation Electromechanical Systems Reliability Indicators［C］//2021 28th International Workshop on Electric Drives：Improving Reliability of Electric Drives（IWED）.Piscataway，NJ：IEEE，2021：27-29.

［2］? ?Modibbo Umar Muhammad，Arshad Mohd，Abdalghani Omer，et al.Optimization and estimation in system reliability allocation problem［J］.Reliability Engineering & System Safety，2021，212：107620.1-107620.9.

［3］ 張瑞鴿.系統可靠性分配方法及其應用研究［J］.電子世界，2017，39（13）：89.

［4］ 劉超，胡忠前，劉健，等.國產化水下油氣生產系統可靠性分配研究［J］.石油機械，2022，50（1）：66-74.

［5］ 柳夢雪，劉健，胡忠前，等.基于故障樹的水下生產系統可靠性分配［J］.石油礦場機械，2022，51（1）：37-44.

［6］ 程強，孫東洋，劉志峰，等.基于模糊數和AHP的數控機床可靠性分配方法［J］.組合機床與自動化加工技術，2020，62（2）：34-37；42.

［7］ VANDERLEY D V，WELLINGTON A S，ANT？魺NIO C L D C，et al.Use of Reliability Block Diagram and Fault Tree Techniques in Reliability Analysis of Emergency Diesel Generators of Nuclear Power Plants［J］.International Journal of Mathematical：Engineering and Management Sciences，2019（4）：814-823.

（收稿日期：2022-10-18，修回日期：2023-02-22）

Reliability Allocation Method for Emergency Shutdown

System of Subsea Production Control

YIN Feng WEN Yu-xin YU Xi-ran YUE Yuan-long ZUO Xin

（1. CNOOC Research Institute Co.， Ltd.； 2. College of Information Science and Engineering，

China University of Petroleum （Beijing））

Abstract? ?For purpose of investigating the emergency shutdown systems reliability from the whole to the

part in the control of subsea production， and improving the reliability of both the system and equipment， the analytic hierarchy process was employed for the reliability allocation research and having the given reliability index reasonably allocated to each equipment unit of the subsea emergency shutdown system. Some examples verified effectiveness of the reliability allocation method and it would provide rational guidance for the reliability design to improve the quality of product selection.

Key words? ?analytic hierarchy process， emergency shutdown system， subsea production control， reliability allocation