鐘儀華，李晴晴

(西南石油大學(xué)理學(xué)院，四川成都610500)

F1600寶石泥漿泵是目前我國石油天然氣勘探開發(fā)鉆井作業(yè)中常用的泥漿循環(huán)系統(tǒng)之一，其可靠性直接關(guān)系到鉆井過程的安全.為了確保泥漿泵系統(tǒng)的穩(wěn)定，有必要對泥漿泵進(jìn)行風(fēng)險分析的研究［1］.結(jié)合現(xiàn)場多年實踐經(jīng)驗和相關(guān)參考資料可知，導(dǎo)致泥漿泵系統(tǒng)出現(xiàn)故障風(fēng)險的大部分原因是十字頭導(dǎo)板總成、液缸、活塞缸套總成等易損件的相關(guān)故障，所以對于這些泥漿泵的重要功能部件進(jìn)行風(fēng)險分析是很有必要的.

相比國外，我國風(fēng)險研究長期以來多應(yīng)用在石化、發(fā)電、煤礦、水利等高風(fēng)險行業(yè)［2］;但目前，在這些行業(yè)中的風(fēng)險理論分析及應(yīng)用不足.如在石化設(shè)備行業(yè)，主要用RBI對特殊設(shè)備進(jìn)行了風(fēng)險檢驗［3］、研究基于解析分層法的壓力管道風(fēng)險分析技術(shù)［4］，以及利用特殊技術(shù)對液化石油氣球罐區(qū)、海底輸氣管線、鉆井泵閥等系統(tǒng)和機(jī)械進(jìn)行故障診斷及分析［5-7］，楊春燕利用可拓方法，建立了系統(tǒng)故障診斷的定性分析與定量分析相結(jié)合的方法，為利用計算機(jī)進(jìn)行故障診斷提供了可行的物元模型［8］，但是該方法是形式化的方法缺乏現(xiàn)場操作的可行性.而針對我國常用的一種泥漿循環(huán)系統(tǒng)——F1600寶石泥漿泵還缺乏有效可用的故障模式分析.迄今，在項目風(fēng)險分析中有成功應(yīng)用［9］的風(fēng)險矩陣分析方法很少應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的風(fēng)險分析中.本文將具體對F1600寶石泥漿泵系統(tǒng)的關(guān)鍵部件十字頭導(dǎo)板總成的主要故障原因進(jìn)行風(fēng)險分析，以便有針對性地采取相應(yīng)的預(yù)防性措施降低故障風(fēng)險，提高整個石油鉆井系統(tǒng)的可靠性.本文擬結(jié)合故障模式與影響分析(FMEA)［10］方法，針對其分析結(jié)果所提供的相應(yīng)信息，利用風(fēng)險矩陣分析方法對泥漿泵關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行故障原因的風(fēng)險分析;在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用Borda序值法［11］進(jìn)一步對風(fēng)險矩陣分析中產(chǎn)生的風(fēng)險結(jié)的風(fēng)險進(jìn)行排序，不僅可以減少風(fēng)險結(jié)的數(shù)量，而且可以更加直觀地識別出其最關(guān)鍵和風(fēng)險較大的故障原因，便于采取相應(yīng)措施防止故障發(fā)生.

1 風(fēng)險矩陣模型和Borda序值法介紹

風(fēng)險矩陣是識別風(fēng)險程度的一種結(jié)構(gòu)性方法［12］，將決定危險事件風(fēng)險大小的兩種因素——后果嚴(yán)重度和頻率，按其特點劃分為相應(yīng)的等級，如表1、表2所示，在表1和表2中的“定義或說明”一欄針對的都是十字頭總成的所有部件，形成風(fēng)險評價矩陣，如表3所示，并定性地衡量風(fēng)險大小.但是風(fēng)險矩陣法比較簡單且不夠精確，評估得到的風(fēng)險等級也較少，還容易形成風(fēng)險結(jié)，因此將投票理論的Borda方法引入到風(fēng)險矩陣中就形成了Borda序值法［13］.由于Borda指數(shù)的引入使得風(fēng)險矩陣分析方法的精確性得以顯著提高.

1.1 風(fēng)險矩陣模型

風(fēng)險矩陣的設(shè)計最重要的就是確定關(guān)于風(fēng)險的影響嚴(yán)重度和頻率大小的等級及其等級的定義.本文根據(jù)泥漿泵設(shè)備的故障風(fēng)險類型，分別定性把這兩個因素劃分為5個等級，相應(yīng)的風(fēng)險對照表就是一個5階矩陣，如表3所示.

表1 風(fēng)險影響等級確定Tab.1 Grades of risk effect

表2 風(fēng)險發(fā)生頻率的劃分Tab.2 Division of risk frequency

利用表3可以定性地確定每一個故障模式的風(fēng)險等級(高、中、低)，即風(fēng)險結(jié)，但不能進(jìn)一步得到其風(fēng)險排序，為此需要結(jié)合Borda序值法進(jìn)行算法改進(jìn).

表3 風(fēng)險等級對照表Tab.3 Reference table of risk grades

1.2 Borda序值法

Borda序值法是由美國空軍電子系統(tǒng)中心的研究人員提出的一種類似投票的風(fēng)險排序方法，其數(shù)學(xué)原理是基于方案進(jìn)行排序的方法.為討論方便首先引入下列記號［14-15］:

Ri:第i(i=1，2，…，N)個風(fēng)險，N即為待評估的風(fēng)險個數(shù);

k:一種評估準(zhǔn)則，k=1，2，…，M，M表示風(fēng)險準(zhǔn)則總數(shù).風(fēng)險矩陣中，k=1表示風(fēng)險影響程度;k=2表示風(fēng)險發(fā)生頻度;

Ck(Ri):在評估準(zhǔn)則k下，風(fēng)險Ri的得分，參照表1和表2;

Nk(Ri):在評估準(zhǔn)則k下比風(fēng)險Ri等級大的風(fēng)險的個數(shù)，i=1，2，…，N;k=1，2，…，M，則Nk(Ri)可表示為:

j=1，2，…，N}|，其中，||表示集合元素的個數(shù);

B(Ri):風(fēng)險Ri的Borda值，其計算公式為

O(Ri):風(fēng)險Ri的排序值，其計算公式為

由式(1)可以看出，B(Ri)是關(guān)于Nk(Ri)遞減的.因此，Borda值能夠反映出一個風(fēng)險的危險程度，也就可以根據(jù)B(Ri)值對風(fēng)險進(jìn)行排序，Borda值越高排序就越靠前［15］.

下面給出Borda序值法的步驟.

步驟1確定N，M的值.

步驟2根據(jù)表1、2，確定待評估風(fēng)險Ri在準(zhǔn)則k下的得分Ck(Ri)(i=1，2，…，N;k=1，2，…，M);

步驟3計算Nk(Ri)=|{j:Ck(Ri)＜

步驟5計算O(Ri)=N－|{j:B(Ri)＞B(Rj)，j=1，2，...，N}|;

步驟6輸出風(fēng)險Ri的排序為O(Ri).

2 基于風(fēng)險矩陣的泥漿泵關(guān)鍵部件主要故障原因風(fēng)險評估

FMEA是可靠性工程中用來確定潛在風(fēng)險及其后果的最有效的定性分析方法之一［10］.結(jié)合現(xiàn)場的多年實踐經(jīng)驗和相關(guān)參考資料對十字頭導(dǎo)板總成進(jìn)行FMEA分析可知，其主要故障原因具體如表4所示.文中采用專家調(diào)查方法，即利用各領(lǐng)域?qū)＜业膶I(yè)理論和豐富的實踐經(jīng)驗，總結(jié)得到施工中可能出現(xiàn)的故障原因.故障引起的影響程度和發(fā)生頻度是由專家組通過表1和表2的標(biāo)準(zhǔn)再結(jié)合自身的實踐經(jīng)驗和相關(guān)歷史資料進(jìn)行評估得到.

表4 十字頭導(dǎo)板總成故障原因分析——FMEA表Tab.4 Analysis of failure causes in crosshead guide assembly—FMEA table

針對表4所示的11個故障原因風(fēng)險列表和表1－表3風(fēng)險矩陣的等級定義及頻率劃分，利用Borda序值法對上述故障原因的風(fēng)險進(jìn)行評估.下面以R22為例，計算它的Borda值，步驟如下:由表4可知，共有11個故障原因和兩個準(zhǔn)則(影響程度和發(fā)生頻率)，故N=11，M=2;通過表1，2可得11個故障原因在兩準(zhǔn)則下的得分Ck(Ri)，其中C1(R22)=2，C2(R22)=3;在準(zhǔn)則1下比R22得分高的有5個，N1(R22)=5，在準(zhǔn)則2下比R22得分高的有2個，N2(R22)=2;所以B(R22)=(11－5)+(11－2)=15.其他10個故障原因的Borda值同理可得，具體的風(fēng)險等級和Borda值以及相應(yīng)的排序如表5所示.

由表5可以看出，十字頭導(dǎo)板總成的故障原因風(fēng)險等級為“中”的風(fēng)險結(jié)通過Borda序值法進(jìn)一步排出了3個等級:R11、R12、R13、R21、R23、R24的Borda值為17，具有最高風(fēng)險優(yōu)先級，排序第1;其次R22、R28的Borda值為15，具有較高風(fēng)險優(yōu)先級，排序第2;R27的Borda值為14，具有較低風(fēng)險優(yōu)先級，排序第3;在風(fēng)險等級都為“低”的情況下，R25和R26的Borda值為12，具有最低的風(fēng)險優(yōu)先級，排序第4.實例中的排序結(jié)果與現(xiàn)場運行、維修的實際情況比較吻合.

表5 十字頭導(dǎo)板總成故障原因風(fēng)險評估結(jié)果Tab.5 Risk assessment of failure causes in crosshead guide assembly

3 結(jié)論

本文以F1600寶石泥漿泵為例，建立了其關(guān)鍵部件十字頭導(dǎo)板總成的FMEA分析表;并針對表中所給出的11種故障原因的頻率和影響程度，進(jìn)行了風(fēng)險矩陣分析;再通過Borda序值法，對得到的風(fēng)險結(jié)果作進(jìn)一步的處理，最終計算出11種故障原因?qū)κ诸^導(dǎo)板總成的風(fēng)險排序結(jié)果.該方法的評估結(jié)果與實際情況比較吻合，對風(fēng)險優(yōu)先級高的故障原因及其相應(yīng)部件應(yīng)該加強(qiáng)狀態(tài)監(jiān)測和管理力度，制定有效的運行、維修策略，最終達(dá)到提高泥漿泵系統(tǒng)運行安全性和經(jīng)濟(jì)性的目的.

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