故障樹分析法在海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)中的應(yīng)用*

趙 奎，崔海朋

（青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東青島 266061）

0 引言

1 FTA簡(jiǎn)介

海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)，采用一體化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的集成控制系統(tǒng)，完成管柱從管區(qū)到鉆臺(tái)面的輸送、自動(dòng)送鉆和自動(dòng)甩鉆等功能，改變傳統(tǒng)的修井作業(yè)模式，減少修井平臺(tái)作業(yè)人數(shù)，提升油田的HSE管理水平。該系統(tǒng)采用機(jī)、電、液、氣一體化的設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排管系統(tǒng)中動(dòng)力貓道機(jī)、一層臺(tái)擺管機(jī)械手、二層臺(tái)智能排管系統(tǒng)、修井鐵鉆工等設(shè)備的通訊，采用多種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，包括Profibus-DP、MPI、RS485等。它的主要作用是連接自動(dòng)排管系統(tǒng)中的各種自動(dòng)化工具和司鉆集成一體化控制系統(tǒng)，建立全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。

從海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)的故障處理記錄來看，機(jī)械故障、液壓系統(tǒng)故障、電氣系統(tǒng)故障是導(dǎo)致整套系統(tǒng)不能正常工作的幾個(gè)主要原因之一，耽誤修井作業(yè)，影響生產(chǎn)進(jìn)度，間接造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，將故障樹分析技術(shù)[1]（Fault Tree Analysis，簡(jiǎn)稱FTA）引入到海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)中，有利于整套系統(tǒng)裝備的運(yùn)行和維護(hù)。

FTA是一種描述事故因果關(guān)系的有方向的樹，它通過分析事故的現(xiàn)象、原因、結(jié)果，找出預(yù)防事故的措施，是系統(tǒng)安全工程中重要的分析方法之一。

1.1 建樹步驟

故障樹建立的步驟主要包含：熟悉系統(tǒng)、確定頂事件和中間事件、調(diào)研原因事件、建立故障樹、整理和優(yōu)化故障樹等[2]。

1.2 建樹方法

建樹方法一般分為人工建樹和計(jì)算機(jī)建樹兩種。對(duì)于海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)來說，系統(tǒng)規(guī)模屬于中等，采用人工建樹計(jì)算復(fù)雜，工作量大。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和故障樹理論、采用C#語言編制特定的計(jì)算機(jī)故障樹分析軟件，建立自動(dòng)排管系統(tǒng)故障樹，既高效又方便實(shí)用。

2 建立自動(dòng)排管系統(tǒng)故障樹

通過對(duì)海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對(duì)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中出現(xiàn)的故障類型進(jìn)行分類整理，對(duì)故障引起的原因進(jìn)行深入分析，采用編制的計(jì)算機(jī)建樹軟件，按照建樹步驟畫出故障樹。

2.1 自動(dòng)排管系統(tǒng)拓?fù)鋱D及原理

海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)，由關(guān)鍵設(shè)備、司鉆房集成控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)等組成。其中關(guān)鍵設(shè)備包括一層臺(tái)擺管機(jī)械手、二層臺(tái)智能排管系統(tǒng)、動(dòng)力貓道機(jī)、修井鐵鉆工等自動(dòng)化設(shè)備，這些關(guān)鍵設(shè)備每個(gè)都包含一套獨(dú)立的以西門子S7-300PLC（CPU為315-2DP）為控制核心的控制系統(tǒng)。司鉆房控制系統(tǒng)同樣以S7-300PLC為控制核心，實(shí)現(xiàn)變頻器、氣動(dòng)卡瓦、液壓吊卡的控制，同時(shí)通過Profibus-DP總線與西門子監(jiān)控組態(tài)屏TP-1500進(jìn)行通訊。由于設(shè)備分散安裝在井架的在鉆臺(tái)面、二層臺(tái)、管區(qū)等不同位置，為走線方便，關(guān)鍵設(shè)備與司鉆房通過專用的Profibus-DP集線器進(jìn)行互聯(lián)，將這些數(shù)字化設(shè)備組成Profibus-DP星型網(wǎng)絡(luò)[3]。同時(shí)司鉆房控制系統(tǒng)通過MPI總線接口與一體化儀表系統(tǒng)、電子防碰系統(tǒng)、智能視覺監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的信息交互。海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 建立自動(dòng)排管系統(tǒng)故障樹

結(jié)合海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)拓?fù)鋱D，以海洋修井平臺(tái)“自動(dòng)排管系統(tǒng)故障”作為頂事件，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障引起原因及影響概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并結(jié)合理論公式，建立故障樹，如圖2所示。建立故障樹，可協(xié)助分析引起故障的原因，及時(shí)排除故障，有益于指導(dǎo)自動(dòng)排管系統(tǒng)的安全運(yùn)行和維修，縮短整套系統(tǒng)的故障解決時(shí)間。

圖2 自動(dòng)排管系統(tǒng)故障樹

如圖2所示，“自動(dòng)排管系統(tǒng)故障”為頂事件，包含4個(gè)主要的中間事件，分別為“機(jī)械故障”、“液壓系統(tǒng)故障”、“電氣系統(tǒng)故障”和“其他”。這4個(gè)中間事件的故障樹如圖3-6所示。

圖3 機(jī)械故障樹

圖4 液壓系統(tǒng)故障樹

圖5 電氣系統(tǒng)故障樹

圖6 其他故障樹

3 故障樹定量分析

自動(dòng)排管系統(tǒng)故障樹定量分析的目的在于計(jì)算頂事件“自動(dòng)排管系統(tǒng)故障”的發(fā)生概率，以此評(píng)價(jià)系統(tǒng)的安全可靠性。

3.1 基本事件發(fā)生概率統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)基本事件發(fā)生概率的統(tǒng)計(jì)分析，是對(duì)自動(dòng)排管系統(tǒng)故障樹定量分析的基礎(chǔ)，它表征該事件發(fā)生的可能性，是客觀論證，而非主觀驗(yàn)證。在事故樹中，根據(jù)各設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況、基本事件編號(hào)、時(shí)間名稱、同時(shí)考慮嚴(yán)重系數(shù)、統(tǒng)計(jì)出概率的大小。概率越接近1，表示該事件發(fā)生的可能性越大。該故障樹中共有35項(xiàng)基本事件，各事件的概率統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 基本事件概率統(tǒng)計(jì)表

3.2 計(jì)算頂事件概率

在海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)故障樹中，因?yàn)閄1—X35各個(gè)基本事件均是相互獨(dú)立的事件，可以按照式（1）計(jì)算頂事件“自動(dòng)排管系統(tǒng)故障”的發(fā)生概率：

式中：g為發(fā)生頂事件的概率計(jì)算函數(shù)；qi為第i個(gè)基本事件的發(fā)生概率；為求n個(gè)基本事件的概率積；Φ(X)為故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)，定義如下：

由表1各基本事件的概率以及式（1）計(jì)算可得，在海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)故障樹中，頂事件發(fā)生的概率為0.033 6。

3.3 計(jì)算概率重要度

概率重要度可以反映頂事件“自動(dòng)排管系統(tǒng)故障”概率的大小受各基本事件概率增減的影響的程度[4]，采用式（2）進(jìn)行計(jì)算：

結(jié)果如表2所示。

表2 基本事件概率重要度表

3.4 計(jì)算臨界重要度

臨界重要度表征基本事件的重要度，可以從自身概率的大小和敏感度的強(qiáng)弱兩個(gè)方面來進(jìn)行衡量。其計(jì)算公式為：

結(jié)果如表3所示。

表3 基本事件臨界重要度表

在海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)故障樹中，通過對(duì)故障樹的定量分析，可以在系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，制定合理的故障排除方案，有效地定位導(dǎo)致發(fā)生故障的原因，避免出現(xiàn)故障時(shí)無從下手，使得排除故障更有針對(duì)性、目的性和合理性。

4 故障樹定性分析

在對(duì)海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)故障樹進(jìn)行定性分析中，主要進(jìn)行最小割集、最小徑集和重要度分析。采用編制的計(jì)算機(jī)建樹軟件來進(jìn)行定性分析和計(jì)算[5]。

4.1 計(jì)算最小割集

最小割集本質(zhì)上是一種集合，表征頂事件發(fā)生的最低限度[6]。數(shù)量越多，表征系統(tǒng)相對(duì)越危險(xiǎn)。根據(jù)數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)上割集計(jì)算方法，計(jì)算得到在頂事件“自動(dòng)排管系統(tǒng)故障”中存在30個(gè)最小割集為

通過計(jì)算最小割集分析，分析出系統(tǒng)中潛在的風(fēng)險(xiǎn)源，有效地對(duì)事故進(jìn)行管控，從而提高整套系統(tǒng)的安全性和可維護(hù)性。

4.2 計(jì)算最小徑集

最小徑集質(zhì)上也是一種集合，表征頂事件不發(fā)生的最低限度。數(shù)量越多，表征系統(tǒng)相對(duì)越安全。事故樹最小徑集越多，系統(tǒng)就越安全。根據(jù)數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)上割集計(jì)算方法，計(jì)算得到在頂事件“自動(dòng)排管系統(tǒng)故障”中存在6個(gè)最小徑集，公式為

利用最小徑集、結(jié)合客觀條件和經(jīng)濟(jì)因素、可選擇控制事故的最佳方案。

4.3 計(jì)算結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度表征基本事件對(duì)頂事件的貢獻(xiàn)大小。對(duì)各基本事件進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度排序，便于按照順序安排防護(hù)措施，加強(qiáng)控制。

在對(duì)海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)故障樹中，計(jì)算的公式為

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)故障處理報(bào)告，得到該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重要度為

5 結(jié)束語

在海洋修井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)應(yīng)用故障樹分析法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定量分析和定性分析。應(yīng)用效果表明，該法可以有效幫助系統(tǒng)維護(hù)人員進(jìn)行故障定位、故障診斷和故障處理，減少海洋平臺(tái)運(yùn)維成本，縮短設(shè)備的檢修周期，提升油田HSE管理水平，具有較高的實(shí)用價(jià)值。