水下生產系統(tǒng)管匯的故障樹分析

陳衛(wèi)東, 張昌衛(wèi)， 琚選擇， 張飛， 石磊， 李江龍

(1.哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.海洋石油股份有限公司 設計公司，天津 300451)

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水下生產系統(tǒng)管匯的故障樹分析

陳衛(wèi)東1, 張昌衛(wèi)1， 琚選擇2， 張飛2， 石磊2， 李江龍1

(1.哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.海洋石油股份有限公司 設計公司，天津 300451)

水下生產系統(tǒng)管匯一旦發(fā)生故障，將導致嚴重后果。針對這個問題開展了水下生產系統(tǒng)管匯的故障樹研究，進行故障樹定性與定量分析。首先，通過定性分析，得到水下生產系統(tǒng)管匯故障的最小割集，明確該系統(tǒng)的主要故障模式；然后，通過定量分析，得到水下管匯的故障概率隨時間變化關系，在給定可靠度下，確定維修時間間隔。最后，求得管匯各部件重要度。支持性結構和進程隔離閥2部件重要度較高，是系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，因此在制造生產和使用中應該重點關注。

水下生產系統(tǒng)；管匯；故障樹；割集；故障概率；重要度

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160624.1127.020.html

2010年4月20日，英國石油公司在墨西哥灣的漏油事件，是石油與天然氣史上最嚴重的災難之一，造成了重大的財產損失，導致大量的人員受傷以及11名人員死亡，給人們留下苦難的回憶[1]。目前，人類正面臨著能源危機，開采深海資源勢在必行，因此，只能增加水下生產系統(tǒng)的安全性與可靠性，盡量減少發(fā)生事故的可能性。20世紀80年代，部分科研人員開始了水下生產系統(tǒng)的可靠性研究[2-3]。進入21世紀以后，隨著水下生產系統(tǒng)的大量使用，人們越來越關注它的可靠性問題[4-8]。而水下管匯是水下生產系統(tǒng)的重要組成部分[9-10]，擔負著流體、化學藥劑的分配，一旦發(fā)生故障，將嚴重影響油氣開采進度，甚至可能會造成油氣的大量泄漏，造成災難性的后果。因此，研究水下生產系統(tǒng)管匯的可靠性問題具有實際的現實意義，不但可以給水下生產系統(tǒng)其他子系統(tǒng)的可靠性研究提供一定的參照，而且對制造生產和改進設計有一定指導和借鑒意義。另外，可靠性分析也是維修性和可用性分析的基礎。

1　故障樹分析理論方法

1961年美國貝爾實驗室在民兵導彈的發(fā)射控制系統(tǒng)可靠性研究中首次應用故障樹分析(FTA)技術，并獲得成功；1974年美國原子能委員會在核電站安全評價報告(WASH-1400)中主要應用的方法也是FTA技術[11]。隨著計算機技術的發(fā)展，FTA技術已逐漸滲入到各工程領域，并逐步形成了一套完整的理論、方法和應用分析程序，如圖1所示。另外，基于FTA技術的故障樹診斷也得到了廣泛應用[12-13]。

故障樹指用來表明產品哪些部分的故障或外界事件或它們的組合將導致產品發(fā)生一種給定故障的邏輯圖。故障樹是一種邏輯因果關系圖，構成的元素是事件和邏輯門。圖中的事件用來描述系統(tǒng)或元部件故障的狀態(tài)，邏輯門把事件聯系起來，表示事件之間的邏輯關系。

圖1　故障樹的分析程序Fig.1　Fault tree analysis procedure

2　水下生產系統(tǒng)管匯簡介

管匯是管道和閥門的排列布置，被設計用于聯合、分配、控制盒監(jiān)控流體流動[14]。以南海某水下生產系統(tǒng)的管匯為研究對象，建立管匯的可靠性模型。該管匯主要由管匯模塊和管道模塊兩部分組成，進一步的結構組成劃分見表1。

表1　水下管匯的組成

在建立管匯的故障樹之前，假設：

1) 水下管匯及其組成單元只有故障與正常兩種狀態(tài)，不存在第三種狀態(tài)；

2) 不同部件的故障概率之間是相互獨立的；

3) 所有部件的故障率均是一常數。

水下生產系統(tǒng)管匯的可靠性數據都是在以往的試驗和實際工程中測得并記錄的數據，國內目前尚無水下管匯的可靠性數據。因此，在研究南海某水下生產系統(tǒng)管匯時，引用OREDA-Offshore Reliability Data Handbook(2015版)中的數據，如表2所示。當然，這些故障數據和南海的實際情況可能會有一點誤差，因為這些數據是OREDA在其他幾個海域內的收集結果，而不同的海域間會有一些差別。

表2　水下管匯的故障率

3　水下生產系統(tǒng)管匯的故障樹分析

3.1建立管匯的故障樹

管匯可分為管匯模塊和管道模塊兩部分。管匯模塊主要由化學聯軸器、連接器、液壓插頭、管道、保護性結構、支持性結構、檢測閥、控制閥、進程隔離閥和實用隔離閥等部件組成；管道模塊主要由連接器、管道和進程隔離閥等部件組成。取“管匯失效”作為頂事件，建立的故障樹如圖2所示。

3.2管匯的故障樹分析

從管匯的故障樹中，可以知道，頂事件“管匯故障”的最小割集有13個，分別為連接器2失效、 管道1失效、…、進程隔離閥1失效，即故障樹的每個底事件。該結果與Windchill Quality Solutions軟件的計算結果一致，軟件的計算結果見圖3，Cut Sets即為最小割集。一個最小割集的發(fā)生就可以導致頂事件的發(fā)生，也可以稱為導致“管匯失效”的一個主要故障模式，因此，“管匯失效”的主要故障模式有13個。

取計算時間t=10 000h，代入表2中數據，運用Windchill Quality Solutions軟件中的故障樹模塊進行運算，可以得到管匯模塊、管道模塊以及管匯的故障概率隨時間的變化曲線，依次如圖4、5和6所示。

圖2　管匯失效的故障樹Fig.2　Fault tree of manifold fails

圖3　管匯故障的最小割集Fig.3　The minimum cut sets of manifold failure

圖4　Manifold module的故障概率隨時間的變化曲線Fig.4　The change curve of manifold module failure probability with time

圖6　管匯的故障概率隨時間的變化曲線Fig.6　The change curve of manifold failure probability with time

當軟件運行到10 000 h時，管匯的故障概率為0.049 2。通常，水下生產系統(tǒng)對水下管匯的可靠度都有一定的要求，即要求中心管匯的可靠度不低于一個值，假設該值為R0，這個值常稱為最低門限值。根據最低門限值的大小，可以得到水下管匯的最大故障概率，再根據管匯的故障概率隨時間的變化曲線，找到相對應的那個時刻t0，根據t0的值，就可以確定維修或保障的時間間隔(時間間隔小于t0)，從而為制定維修和保障計劃提供保證。

3.3重要度分析

水下管匯底事件的可靠性重要度計算結果如圖7所示。研究中用Windchill Quality Solutions軟件，計算了底事件的3種可靠性重要度：Birnbaum重要度(常稱為概率重要度)，Criticality重要度(常稱為關鍵重要度)，Fussell-Vesely重要度(常稱為割集重要度)。

Birnbaum重要度，指的是一底事件發(fā)生時的頂事件概率減去該底事件不發(fā)生時的頂事件概率，即

(1)

危害度的定義為

(2)

Fussell-Vesely重要度的定義為

(3)

圖7　底事件可靠性重要度Fig.7　Reliability importance measures of fault the basic events

根據圖7底事件可靠性重要度計算結果，底事件的排序為：

1)Birnbaum重要度順序：13個底事件的地位一致，它們的Birnbaum重要度的值均為1。但在實際應用中，這13個底事件的Birnbaum重要度值并不等于1，而是非常接近于1，因此，軟件把這些值都近似為1；

2)Criticality重要度順序：支持性結構、進程隔離閥2、…液壓插頭；

3)Fussell-Vesely重要度順序：支持性結構、進程隔離閥2、…液壓插頭；

由此可以知道，支持性結構的重要度最高，進程隔離閥2的重要度次之，這兩個底事件的重要度大大高于其他的事件。即支持性結構故障發(fā)生的概率對頂事件的影響最大，進程隔離閥2次之，因此，降低支持性結構和進程隔離閥2的故障率能大大降低水下管匯的故障概率，在水下管匯的改進設計中，應該重點考慮。

4　結論

1) 通過建立水下生產系統(tǒng)管匯的故障樹模型，對管匯的可靠性進行研究，得到水下生產系統(tǒng)管匯的失效概率隨時間的變化曲線，進而可以確定維修時間間隔t0。

2) 支持性結構和進程隔離閥2這兩個部件的重要度遠大于其他部件，在進行水下生產系統(tǒng)管匯的改進設計、維護以及保障計劃的制定時，應該側重考慮。

3) 此分析方法也可以為其他水下設備的可靠性研究提供參考。另外，可以在可靠性分析基礎上進一步開展維修性和可用性分析，得到人們更加關心的生產率，對實際生產有一定的借鑒和指導意義。

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本文引用格式：

陳衛(wèi)東, 張昌衛(wèi)， 琚選擇，等. 水下生產系統(tǒng)管匯的故障樹分析[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2016, 37(8): 1022-1026.

CHEN Weidong，ZHANG Changwei，JU Xuanze，et al. Fault tree analysis of subsea manifold system[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(8): 1022-1026.

Fault tree analysis of subsea manifold system

CHEN Weidong1，ZHANG Changwei1，JU Xuanze2，ZHANG Fei2，SHI Lei2，LI Jianglong1

(1. College of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2.Engineering Company, Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China)

When a subsea production system manifold fails, there are serious consequences. To address this problem, we developed a fault tree for a subsea production system manifold and performed qualitative and quantitative analyses to evaluate its performance. First, we obtained the minimum cut sets of the subsea production system manifold failure and determined the main failure modes via qualitative analysis. Then, we obtained the change curve of the manifold failure probability with time via quantitative analysis and determined the maintenance interval for a given reliability outcome. Lastly, we calculated the importance measures for every system component. Research results demonstrate that, the importance measures of two components, i.e., structure-support and valve-process isolation, are higher than those of the other components, which identifies them as weak links in the system. Therefore, these components should receive special focus in their manufacture and use.

subsea production system; manifold; fault tree; cut sets; failure probability; importance measures

2015-07-20.網絡出版日期：2016-06-24.

國家工業(yè)與信息化部海洋工程裝備項目(E-0813C003).

陳衛(wèi)東(1966-), 男, 教授, 博士生導師;

張昌衛(wèi)(1989-), 男, 碩士研究生.

張昌衛(wèi), E-mail：changweizhang@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201507053

TE952

A

1006-7043(2016) 08-1022-05