深水防噴器系統(tǒng)FMECA分析

侯國慶，許宏奇，粟 京，劉 健，王 蓓，王衛(wèi)華

（1.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘062552；2.中國海洋石油總公司深水鉆井船項(xiàng)目組，北京100016；3.中海石油研究總院，北京100027）①

深水防噴器系統(tǒng)FMECA分析

侯國慶1，許宏奇1，粟 京2，劉 健3，王 蓓1，王衛(wèi)華1

（1.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘062552；2.中國海洋石油總公司深水鉆井船項(xiàng)目組，北京100016；3.中海石油研究總院，北京100027）①

為確定深水防噴器系統(tǒng)中影響可靠性較大的關(guān)鍵單元設(shè)備及故障模式，采用F M E C A方法對系統(tǒng)進(jìn)行了分析。定義了系統(tǒng)基本情況、邊界條件、故障模式和判斷依據(jù)等F M E C A分析的基本要素。分析結(jié)果表明，對深水防噴器系統(tǒng)可靠性危害性較大的單元設(shè)備為閘板防噴器、控制箱、液壓連接器；危害性較大的故障模式有閘板封井不嚴(yán)、節(jié)流壓井管線外漏、黃箱與藍(lán)箱中有1個(gè)所有功能同時(shí)不能激活、黃箱或藍(lán)箱中有1箱有1個(gè)功能不能激活、黃箱與藍(lán)箱同時(shí)有1個(gè)功能不能激活。對深水防噴器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用及日常維護(hù)提出了改進(jìn)建議。

深水；防噴器；故障分析；F M E C A

深水防噴器系統(tǒng)是保證深水鉆井作業(yè)安全的關(guān)鍵設(shè)備，如果失效將帶來嚴(yán)重的后果［1］。2010-04-20，發(fā)生在墨西哥灣的井噴事故中，由于深水防噴器系統(tǒng)未能及時(shí)有效地控制井噴事故的發(fā)生，導(dǎo)致鉆井平臺沉沒、人員傷亡，大量油氣噴入海中，引起附近海域嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)難和環(huán)境污染，并且造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)［2］。可見，為保障鉆井作業(yè)安全及保護(hù)海洋環(huán)境，深水防噴器系統(tǒng)應(yīng)具有極高的可靠性。

F M E C A（Failure M ode，Effects and Criticality A nalysis）［3］——故障模式、影響及危害性分析，作為1種評估系統(tǒng)可靠性的分析方法，已被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的研發(fā)、改進(jìn)及可靠性研究［4～5］。對深水防噴器系統(tǒng)采用F M E C A分析方法進(jìn)行可靠性研究，將有助于查找出深水防噴器系統(tǒng)中對可靠性危害較大的單元設(shè)備及故障模式，為系統(tǒng)的部件設(shè)計(jì)、集成與優(yōu)化、現(xiàn)場應(yīng)用與維護(hù)提供理論依據(jù)。

1 F M EC A分析基礎(chǔ)

1.1 系統(tǒng)基本情況和系統(tǒng)邊界

深水防噴器系統(tǒng)至今無統(tǒng)一的配置技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)［6］。A PI Standard 53要求水下防噴器系統(tǒng)最少為class 5級并至少配置一個(gè)環(huán)形防噴器；無論采用何種控制系統(tǒng)，均要求在防噴器系統(tǒng)上配置互為冗余的控制箱（control pods）［7］，也就是俗稱的“黃箱”和“藍(lán)箱”。最初的水下防噴器系統(tǒng)由4個(gè)閘板防噴器、1～2個(gè)環(huán)形防噴器組成，隨著鉆井水深不斷增加及對可靠性的要求，近幾年海上新增鉆井平臺深水防噴器系統(tǒng)基本上由6個(gè)閘板防噴器和2個(gè)環(huán)形防噴器組成，通徑為476.3 m m（183/4in），大部分系統(tǒng)工作壓力為103.5 M Pa（15 000 psi），少部分系統(tǒng)工作壓力為69 M Pa（10 000 psi）［8］。依據(jù)可靠性研究的目的和F M E C A分析的數(shù)據(jù)來源，從7個(gè)方面定義深水防噴器系統(tǒng)的邊界。

1） 深水防噴器系統(tǒng)最上到連接隔水管的撓性接頭，最下到連接井口的井口連接器（如圖1）。從上到下單元設(shè)備配置依次為：撓性接頭、環(huán)形防噴器、下隔水管連接器、環(huán)形防噴器、6個(gè)閘板防噴器、井口連接器。節(jié)流壓井管線及閥門配置在深水防噴器組兩側(cè)。其中，2臺環(huán)形防噴器也可以連接在一起，再連接下隔水管連接器，系統(tǒng)配置順序?qū)Ψ治鼋Y(jié)果無影響。深水防噴器系統(tǒng)上還安裝有控制箱，用于應(yīng)急控制的蓄能器組、R O V操作面板等。本文主要分析防噴器系統(tǒng)可靠性，只考慮深水防噴器基本的控制功能，故僅取控制箱進(jìn)行分析。

2） 撓性接頭 位于深水防噴器系統(tǒng)頂部，用于連接隔水管及其附屬的節(jié)流壓井和控制管線并補(bǔ)償鉆井平臺的運(yùn)動(dòng)。

3） 環(huán)形防噴器 連接在撓性接頭下端，一般2臺連接在一起或通過隔水管連接器連接在一起。用于初始關(guān)井和帶壓起下鉆作業(yè)，可密封各種鉆具；在無鉆具情況下，可密封空井。

4） 連接器 包括連接下隔水管總成（Lower M arine Riser Package，L M R P）與下防噴器組的下隔水管連接器和水下防噴器組與井口連接的井口連接器。

5） 閘板防噴器 位于下防噴器組上，可分別安裝鉆桿剪切閘板總成、套管剪切閘板總成、變徑閘板總成、管柱閘板總成、測試閘板總成等。本文僅考慮閘板總成的開關(guān)及密封性能，不考慮具體的管柱密封性能及剪切性能。

6） 控制箱 2臺，互為冗余，控制防噴器系統(tǒng)各項(xiàng)功能及連接器的解鎖與鎖緊。深水鉆井作業(yè)與淺水鉆井作業(yè)所用控制系統(tǒng)有所不同，本文著重分析深水防噴器系統(tǒng)的故障模式，所取數(shù)據(jù)均來自于深水鉆井的多路電液控制系統(tǒng)（M ultiplex control system）的控制箱。

7） 節(jié)流壓井管線及閥門。節(jié)流壓井管線下端通過節(jié)流壓井閥門與各個(gè)防噴器側(cè)出口相連，上端通過撓性接頭上的節(jié)流壓井管線分支與隔水管上的相應(yīng)管線連接，與鉆井平臺上的管匯形成節(jié)流壓井通道，在鉆井作業(yè)時(shí)進(jìn)行節(jié)流和壓井作業(yè)。

圖1 深水防噴器系統(tǒng)配置

1.2 故障模式判據(jù)

對于深水防噴器系統(tǒng)，故障模式判據(jù)的制定依據(jù)是：

1） 只有在運(yùn)行前的防噴器組測試期間、防噴器運(yùn)行期間、防噴器安裝在井口時(shí)發(fā)現(xiàn)的與系統(tǒng)有關(guān)的失效才算作故障。

2） 可能導(dǎo)致防噴器系統(tǒng)功能全部、部分喪失，帶來停機(jī)時(shí)間損失、經(jīng)濟(jì)損失以及正常作業(yè)延遲的故障模式。

3） 只考慮故障發(fā)生原因明確的故障模式。為計(jì)算故障模式的危害度，對發(fā)生原因不明確的、小概率的故障不做分析。

依據(jù)以上判據(jù)及分析資料來源，深水防噴器系統(tǒng)定義了21種故障模式（如表1）。

2 F M EC A分析

2.1 表格制定

依據(jù)故障模式對鉆井作業(yè)、系統(tǒng)功能、平臺及人員安全、環(huán)境、停機(jī)時(shí)間所產(chǎn)生的最終影響的嚴(yán)重程度，將深水防噴器系統(tǒng)故障嚴(yán)酷度分為4個(gè)等級：Ⅳ類災(zāi)難性故障，Ⅲ類致命性故障，Ⅱ類嚴(yán)重性故障，Ⅰ類輕度故障。

以定義的深水防噴器系統(tǒng)為邊界，在F M E C A表中列出各設(shè)備的故障模式，分析故障模式對系統(tǒng)的影響并計(jì)算出每種故障模式的危害度和每一種嚴(yán)酷度下的設(shè)備危害度，依據(jù)《GJB／Z 1391—2006故障模式、影響及危害性分析指南》［8］完成的深水防噴器系統(tǒng)F M E C A分析，如表1所示。

表1中：α為發(fā)生故障的百分比，按文獻(xiàn)［9］中統(tǒng)計(jì)的每種設(shè)備的故障模式發(fā)生次數(shù)進(jìn)行計(jì)算出每種故障模式發(fā)生的百分比；β為發(fā)生故障而導(dǎo)致任務(wù)失敗的條件概率，依據(jù)故障模式對目標(biāo)任務(wù)的影響程度在0～1之間取值；λ為設(shè)備故障率，d-1，根據(jù)計(jì)算結(jié)果數(shù)量級取10-5，依據(jù)在鉆井作業(yè)有效工作時(shí)間內(nèi)每種故障模式實(shí)際影響時(shí)間計(jì)算；t為工作時(shí)間，d，依據(jù)文獻(xiàn)［9］統(tǒng)計(jì)的平均每口深水鉆井作業(yè)時(shí)間（58 d）進(jìn)行分析計(jì)算；Cmj為故障模式危害度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果數(shù)量級取10-5，Cmj＝αβλt；Cr為設(shè)備危害度，Cr＝∑Cmj＝∑αβλt，設(shè)備給定嚴(yán)酷度下的故障模式危害度之和，根據(jù)計(jì)算結(jié)果數(shù)量級取10-5。

表1 深水防噴器系統(tǒng)F M EC A分析數(shù)據(jù)

續(xù)表1

續(xù)表1

2.2 分析結(jié)論

從表1中可以看出在嚴(yán)酷度Ⅳ類災(zāi)難性故障下，深水防噴器系統(tǒng)中危害性影響比較大的3類單元設(shè)備依次是閘板防噴器、控制箱、液壓連接器。

21種故障模式危害度排序?yàn)閄13，X15，X18，X20，X19，X5，X1，X6，X3，X16，X8，X17，X14，X7，X9，X4，X2，X21，X10，X11，X12。其中對系統(tǒng)危害性影響比較大的故障模式為：X13、X15、X18、X20、X19，即閘板封井不嚴(yán)、節(jié)流壓井管線外漏、黃箱與藍(lán)箱中有1個(gè)所有功能同時(shí)不能激活、黃箱或藍(lán)箱中有1箱有1個(gè)功能不能激活、黃箱與藍(lán)箱同時(shí)有1個(gè)功能不能激活。

2.3 改進(jìn)建議

2.3.1 閘板防噴器

從分析中可以看出，對系統(tǒng)危害性影響最大的故障模式就是閘板防噴器封井不嚴(yán)。閘板防噴器在發(fā)生井涌時(shí)，不能有效的封閉井口，為壓井作業(yè)爭取時(shí)間，將會導(dǎo)致井噴事故發(fā)生。應(yīng)加強(qiáng)閘板防噴器膠芯密封性能試驗(yàn)，提高閘板防噴器封井作業(yè)的可靠性，特別要研究在高溫環(huán)境下膠芯的密封可靠性，研制耐高溫膠芯。在深水防噴器總體設(shè)計(jì)中，注重閘板防噴器閘板配置的冗余設(shè)計(jì)，采用大范圍變徑閘板替代單一的固定閘板或小變徑閘板，增加防噴器冗余密封，提高深水防噴器組密封井口的可靠性。

對系統(tǒng)影響較大的另外1個(gè)閘板防噴器故障模式是關(guān)井失?。ㄎ：Χ入m不高，但后果嚴(yán)重，嚴(yán)酷度達(dá)到Ⅳ類）。引起關(guān)井失敗的原因除了控制系統(tǒng)原因外，主要是由閘板運(yùn)動(dòng)部件卡阻引起的。閘板運(yùn)動(dòng)部件要有良好的耐腐蝕性，特別是零部件的表面處理措施應(yīng)符合海洋環(huán)境使用條件；閘板軸密封材料既要有良好的密封性能，也要有良好的自潤滑性；閘板腔涂覆耐蝕涂層，避免閘板體卡阻在閘板腔內(nèi)影響閘板關(guān)閉。

2.3.2 控制箱

控制箱一般均采用了藍(lán)箱與黃箱冗余設(shè)計(jì)，但由于各種不可預(yù)知的原因，可能導(dǎo)致黃箱與藍(lán)箱中1個(gè)或多個(gè)功能，甚至全部的功能不能同時(shí)激活，無法實(shí)現(xiàn)防噴器既定動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)引起井噴甚至導(dǎo)致鉆井平臺火災(zāi)。從F M E C A中分析可以看出，最嚴(yán)重的是黃箱與藍(lán)箱中有1個(gè)所有功能同時(shí)不能激活。控制箱中所有組件應(yīng)選用可靠性高的零件，對日常易出現(xiàn)問題的部件進(jìn)行可靠性試驗(yàn)并進(jìn)行改進(jìn)。加強(qiáng)日?？刂葡錂z修與測試，及時(shí)更換有故障的部件，避免設(shè)備帶病工作。當(dāng)2個(gè)控制箱同時(shí)發(fā)生故障時(shí)（黃箱與藍(lán)箱所有功能同時(shí)不能激活及黃箱與藍(lán)箱同時(shí)有1個(gè)功能不能激活），雖說發(fā)生故障的幾率相對較低，但其后果嚴(yán)重，一旦發(fā)生此類故障，應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)水下應(yīng)急控制系統(tǒng)，關(guān)閉井口，起出設(shè)備進(jìn)行檢修。

2.3.3 液壓連接器

液壓連接器是在緊急情況下，鉆井平臺脫離井口時(shí)的關(guān)鍵設(shè)備。如果液壓連接器不能及時(shí)解鎖或解鎖發(fā)生故障，鉆井平臺將處于危險(xiǎn)之中。因此，應(yīng)加強(qiáng)液壓連接器解鎖系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)，確保解鎖系統(tǒng)有可靠的解鎖性能。對液壓連接器結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究及改進(jìn)，在液壓解鎖失效時(shí)，可借助R O V或其他輔助手段進(jìn)行解鎖。

2.3.4 節(jié)流壓井管線

從分析中可以看出雖然節(jié)流壓井管線外漏嚴(yán)酷度僅為Ⅲ類，但對系統(tǒng)的危害性影響還是較大的。因?yàn)楣?jié)流壓井管線連接閥門多、接口多，所以泄漏點(diǎn)也較多，因此日常應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)，檢修后應(yīng)及時(shí)對管路進(jìn)行試驗(yàn)檢漏，發(fā)現(xiàn)泄露及時(shí)處理，日常檢修時(shí)應(yīng)特別注意密封墊環(huán)槽的清理。

3 結(jié)論

1） 通過對深水防噴器系統(tǒng)進(jìn)行F M E C A分析，確定閘板防噴器、控制箱、液壓連接器是對系統(tǒng)可靠性危害較大的3類單元設(shè)備，在深水防噴器系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、關(guān)鍵單元設(shè)備設(shè)計(jì)及選購、日常使用及維護(hù)應(yīng)作為重點(diǎn)關(guān)注對象。應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)這幾種設(shè)備可靠性試驗(yàn)研究，減少使用過程中的故障發(fā)生率，以提高整個(gè)深水防噴器系統(tǒng)的可靠性。

2） 閘板防噴器封井不嚴(yán)、防噴器組節(jié)流壓井管線外漏、黃箱與藍(lán)箱中有1個(gè)所有功能同時(shí)不能激活、黃箱或藍(lán)箱中有1箱有1個(gè)功能不能激活、黃箱與藍(lán)箱同時(shí)有1個(gè)功能不能激活是深水防噴器系統(tǒng)中5個(gè)危害性較大的故障模式，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、現(xiàn)場應(yīng)用、維護(hù)保養(yǎng)中應(yīng)重點(diǎn)預(yù)防該類事故的發(fā)生，其中控制箱發(fā)生的故障更應(yīng)該加以重視。

3） 應(yīng)用F M E C A分析方法查找出了影響系統(tǒng)可靠性比較大的關(guān)鍵單元設(shè)備和故障模式，在此基礎(chǔ)上借助故障樹、質(zhì)量功能展開等其他研究方法進(jìn)行深入研究，分析出故障模式發(fā)生的具體原因并對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提高深水防噴器系統(tǒng)的可靠性。

［1］ 顧和元，侯國慶，郭雪，等.水下防噴器組控制系統(tǒng)深水模擬試驗(yàn)裝置研制［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（4）：1-5.

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F M EC A Analysis of Deepwater Subsea B O P System

H O U G uo-qing1，X U H ong-qi1，S U Jing2，LIU Jian3，W A N G Bei1，W A N GW ei-hua1
（1．Rongsheng M achinery M anufacture Ltd．，of H uabei Oilfield，Renqiu062552，China；2．Deep w ater Drilling Unit Project Group，C N O O C，Beijing100016，China；3．C N O O C Research Institute，Beijing100027，China）

F M E C A analysis method was applied to deep water subsea B O P system in order to investigate key unit equip ment and fault m ode in the system for m ore endangered system reliability. F M E C A key element such as system essence thing，boundary condition，determinant criterion of failure m ode was defined.A nalysis resultindicates that key unit equip ments of m ore affecting reliability of deep water subsea B O P severity are ra m B O P，control pods，hydraulic connector.Sim ultaneity，that fault m odes of m ore severity are leakage through a closed ra m，external leakage of choke and killline，loss of all functions one pod，loss of one function one pod，loss of one function both pods.Im proving advice on deep water subsea B O P system，application，and daily maintenance is put forward according to analysis result.

deep water；B O P；fault analysis；F M E C A

1001-3482（2014）08-0052-06

T E951

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.011

2014-01-26

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“深水防噴器組及控制系統(tǒng)工程化研制”（2013 A A09 A220）；國家科技重大

專項(xiàng)“深水半潛式鉆井平臺及配套技術(shù)”（2011Z X05027-001）

侯國慶（1972-），男，河南安陽人，高級工程師，碩士，2008年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，現(xiàn)從事海洋井控裝備技術(shù)研究工作，E-mail：hou_y0503＠126.co m。