劉立兵，劉增凱，陳艷東，吳國(guó)輝，高肇凌

深水防噴器液控系統(tǒng)故障診斷研究

劉立兵1，劉增凱2，陳艷東1，吳國(guó)輝1，高肇凌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(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東東營(yíng)257061）①

采用貝葉斯方法對(duì)深水防噴器液控系統(tǒng)建立典型診斷網(wǎng)絡(luò)模塊，依據(jù)專家知識(shí)以及歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)參數(shù)，包括節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率和節(jié)點(diǎn)之間的條件概率。對(duì)防噴器關(guān)閉診斷貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了試驗(yàn)，診斷結(jié)果基本符合實(shí)際。證明了應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)深水防噴器液控系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷研究的可行性。

深水防噴器；液控系統(tǒng)；故障診斷；貝葉斯方法

深水防噴器是保證半潛式鉆井平臺(tái)鉆井作業(yè)安全最關(guān)鍵的設(shè)備之一，其作用是在發(fā)生溢流、井涌、井噴時(shí)控制井口壓力，在遇臺(tái)風(fēng)等緊急情況下鉆井裝置撤離時(shí)關(guān)閉井口，保證人員、設(shè)備安全，避免海洋環(huán)境污染和油氣資源破壞［1-3］。深海鉆井不同于陸地鉆井，若發(fā)生井噴，在人員救援及設(shè)備搶修上都異常困難，所帶來(lái)的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失更是無(wú)法估量的。因此，確保防噴器的正常運(yùn)行在石油勘探開(kāi)發(fā)的過(guò)程中顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)在防噴器系統(tǒng)故障診斷方面的研究較少。

系統(tǒng)故障診斷的理論研究是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究人員相繼提出了各種診斷算法。Hu Jianqiu等提出采用動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和蟻群算法相結(jié)合的方法建立復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷模型，該模型可用于描述故障傳播和預(yù)測(cè)系統(tǒng)將來(lái)的退化趨勢(shì)，采用蟻群算法還可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［4］；Yu Qian等開(kāi)發(fā)了一套專家系統(tǒng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷［5］；MarzioMarseguerra等采用重采樣粒子濾波算法評(píng)估系統(tǒng)過(guò)程，并將蒙特卡洛方法應(yīng)用到故障診斷中［6］。本文基于貝葉斯方法對(duì)深水防噴器液控系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷研究，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1　深水防噴器典型診斷網(wǎng)絡(luò)模塊建立

在深水防噴器組液壓控制系統(tǒng)中，防噴器在完成每個(gè)動(dòng)作時(shí)，只有完成此動(dòng)作油路中的液壓元件工作，其他油路中的液壓元件不工作，并不會(huì)對(duì)工作的液壓元件造成影響，如果有故障征兆出現(xiàn)，可以確定是完成防噴器動(dòng)作油路中出現(xiàn)的故障。因此，將整個(gè)回路按照深水防噴器組的動(dòng)作或功能分成各個(gè)模塊，獨(dú)立建立診斷貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。將整個(gè)液壓控制系統(tǒng)分成防噴器關(guān)閉診斷網(wǎng)絡(luò)模塊、防噴器打開(kāi)診斷網(wǎng)絡(luò)模塊、鎖緊裝置鎖緊診斷網(wǎng)絡(luò)模塊、鎖緊裝置打開(kāi)診斷網(wǎng)絡(luò)模塊等等。下文以深水防噴器關(guān)閉診斷網(wǎng)絡(luò)作為典型模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷研究。

深水防噴器關(guān)閉動(dòng)作診斷網(wǎng)絡(luò)模塊的液壓回路如圖1所示：圖標(biāo)表示在油路此處安裝壓力傳感器；UBOP表示上閘板防噴器；DBOP表示下閘板防噴器；S（Shut）表示此控制回路動(dòng)作是防噴器關(guān)閉；P表示液壓泵；OF表示濾油器；OV表示溢流閥；EV1表示主回路的電磁換向閥；RV1表示低壓回路減壓閥；RV2、RV3、RV4、RV5表示控制防噴器關(guān)閉的各條油路中的減壓閥；EHV1、EHV2、EHV3、EHV4表示控制防噴器關(guān)閉的各條油路中的電液換向閥；A1、A2、A3、A4表示蓄能器組；EV2、EV3、EV4、EV5表示控制蓄能器組泄壓的電磁換向閥；SV1、SV2、SV3、SV4表示實(shí)現(xiàn)蓄能器與來(lái)自液壓泵控制油液切換的換向閥；SPM1、SPM2為2套閘板防噴器關(guān)閉油路中的液壓閥，用來(lái)實(shí)現(xiàn)黃、藍(lán)箱中控制防噴器關(guān)閉功能的控制系統(tǒng)的切換。

圖1　防噴器關(guān)閉診斷網(wǎng)絡(luò)模塊液壓回路

深水防噴器液壓控制系統(tǒng)的閘板防噴器關(guān)閉動(dòng)作可以由液壓泵提供液壓動(dòng)力，也可以利用蓄能器組實(shí)現(xiàn)防噴器的快速關(guān)閉。為了模擬水下蓄能器組的功能，使防噴器實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉，在實(shí)驗(yàn)室模擬時(shí)，一般選用蓄能器組作為液壓動(dòng)力，而在防噴器打開(kāi)動(dòng)作時(shí)選用液壓泵作為液壓動(dòng)力。所有的蓄能器均由電磁閥控制蓄能器的放壓，由減壓閥控制進(jìn)入防噴器的壓力，每2組蓄能器控制1個(gè)閘板防噴器的關(guān)閉，2組蓄能器組成雙冗余的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

液壓元件包括蓄能器（A1、A2、A3、A4）、電磁閥（EV2、EV3、EV4、EV5）、換向閥（SV1、SV2、SV3、SV4）、減壓閥（RV2、RV3、RV4、RV5）。用每一個(gè)液壓元件符號(hào)代表此液壓元件故障，每一個(gè)傳感器符號(hào)代表此處的故障征兆信息：A1、A2、A3、A4代表各蓄能器壓力不足；EV2、EV3、EV4、EV5代表各電磁換向閥換向故障；SV1、SV2、SV3、SV4代表各換向閥卡住，換向失靈；RV2、RV3、RV4、RV5代表各減壓閥調(diào)壓過(guò)低故障；P4、P5、P6、P7、P8、P9代表各壓力傳感器的壓力信息。所有故障原因均有故障（Y）和無(wú)故障（N）2種狀態(tài)；故障征兆均有低（lower）、正常（normal）、高（higher）3種狀態(tài)。建立如表1所示的故障原因和故障征兆相互關(guān)系，例如當(dāng)電磁換向閥EV2發(fā)生換向故障時(shí)，導(dǎo)致壓力傳感器P4所在管束堵塞，壓力升高，同時(shí)壓力傳感器P8處管束無(wú)油液流過(guò)，壓力較低。

在深水防噴器組液壓控制系統(tǒng)的故障診斷方面，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)利用Norsys推出的Netica軟件進(jìn)行診斷網(wǎng)絡(luò)模型的建立。Netica軟件界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易方便，理論依據(jù)可靠，性能強(qiáng)大，在工程、醫(yī)學(xué)、生態(tài)等領(lǐng)域進(jìn)行不確定性知識(shí)、業(yè)務(wù)的管理研究處于領(lǐng)先地位，是目前世界上應(yīng)用最廣泛的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立的開(kāi)發(fā)軟件。

表1　防噴器關(guān)閉模塊故障原因與故障征兆關(guān)系

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)依據(jù)故障原因和故障影響順序原則建立。在深水防噴器組液壓控制系統(tǒng)中，例如防噴器關(guān)閉診斷模塊，電液換向閥EHV5換向發(fā)生故障為故障原因；傳感器P8的壓力信號(hào)會(huì)為低，為故障征兆。故障原因節(jié)點(diǎn)與故障征兆節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系用有向弧表示，方向由故障原因節(jié)點(diǎn)指向故障征兆節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)如表1所示的故障原因與故障征兆的關(guān)系，建立深水防噴器組關(guān)閉模塊的診斷貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。所建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)包括故障層和故障征兆層2層。例如，子節(jié)點(diǎn)P8有4個(gè)父節(jié)點(diǎn)A1、EV2、SV1、RV2，節(jié)點(diǎn)關(guān)系由有向箭頭表示。

圖2　深水防噴器關(guān)閉模塊診斷貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

2　深水防噴器組液控系統(tǒng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)參數(shù)確定

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)參數(shù)確定包括節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率和節(jié)點(diǎn)之間的條件概率。節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率是指在新的證據(jù)信息未發(fā)生或出現(xiàn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)事件所發(fā)生概率的估計(jì)值。各節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率是從歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)中獲得。先驗(yàn)概率值越大，事件發(fā)生的概率也越大。對(duì)深水防噴器組液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷方法研究，假設(shè)所有故障原因節(jié)點(diǎn)的故障概率均為1%，非故障概率為99%。如圖2所示的深水防噴器關(guān)閉模塊的診斷貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的故障原因節(jié)點(diǎn)A1、A2等，其無(wú)故障（N）的先驗(yàn)概率為99%，發(fā)生故障（Y）的先驗(yàn)概率為1%。

事件的條件概率表示當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，將會(huì)引起另一個(gè)事件發(fā)生的概率。類似于事件的先驗(yàn)概率一樣，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)之間的條件概率表的建立也是依據(jù)專家知識(shí)以及歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在所設(shè)計(jì)的深水防噴器組液壓控制系統(tǒng)的研究中，每一個(gè)故障原因獨(dú)立引起故障征兆發(fā)生的條件概率表的建立參考相關(guān)資料，并由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者建立。深水防噴器關(guān)閉診斷貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)的條件概率如表2所示。

表2　父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)條件概率

3　深水防噴器關(guān)閉診斷貝葉斯網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)

首先，已知深水防噴器組完成防噴器關(guān)閉動(dòng)作過(guò)程中，來(lái)自回路中的傳感器信號(hào)發(fā)生異常，調(diào)用深水防噴器關(guān)閉診斷貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)如下3種證據(jù)信息：

1）P4、P5、P7、P8、P9、P11壓力信號(hào)正常（normal），P6壓力信號(hào)較高（higher），P10壓力信號(hào)較低（lower）。

2）P5、P6、P7、P9、P10、P11壓力信號(hào)正常（normal），P4、P8壓力信號(hào)較低（lower）。

3）P4、P5、P6、P7、P9、P10、P11壓力信號(hào)正常（normal），P8壓力信號(hào)較低（lower）。

對(duì)于證據(jù)信息1），8個(gè)傳感器證據(jù)信息如圖3a所示，由所有故障原因節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率計(jì)算結(jié)果顯示來(lái)看：電液換向閥EV4發(fā)生故障的概率最大，達(dá)到了94.3%，而其他液壓元件發(fā)生故障的概率很小，幾乎為零。從經(jīng)驗(yàn)上判斷，是由于電液換向閥換向發(fā)生故障，發(fā)生堵塞，導(dǎo)致P6處壓力較高，P10處無(wú)液壓油流過(guò)，從而導(dǎo)致P10處壓力較小。因此，診斷結(jié)果符合實(shí)際情況。

對(duì)于證據(jù)信息2），8個(gè)傳感器證據(jù)信息以及所有故障原因節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率計(jì)算結(jié)果如圖3b所示，從顯示結(jié)果來(lái)看：蓄能器A1發(fā)生故障的后驗(yàn)概率最大，達(dá)到了93.4%，電液換向閥發(fā)生故障的后驗(yàn)概率為7.62%，其他液壓元件后驗(yàn)故障概率很小。從經(jīng)驗(yàn)上判斷，蓄能器A1未充壓或充壓過(guò)低，導(dǎo)致了P4和P8處壓力較低，符合實(shí)際情況。

對(duì)于證據(jù)信息3），8個(gè)傳感器證據(jù)信息以及所有故障原因節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率計(jì)算結(jié)果如圖3c所示，可以看出：梭閥SV1發(fā)生故障的概率為47%，減壓閥RV2發(fā)生故障的概率為50.9%，可能是梭閥SV1換向故障，導(dǎo)致P8處壓力過(guò)低，也有可能是減壓閥RV2調(diào)壓過(guò)低導(dǎo)致P8處壓力過(guò)低，兩者發(fā)生故障的概率近似，無(wú)法確定故障發(fā)生的準(zhǔn)確部位，需要新的證據(jù)信息的加入，或立刻更換發(fā)生故障概率最大的減壓閥RV2，再進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若非正常狀態(tài)為排除，再依據(jù)顯示的故障發(fā)生概率結(jié)果進(jìn)行檢查維修。此結(jié)果表明，試驗(yàn)基本符合實(shí)際情況，較為準(zhǔn)確。

從以上3種證據(jù)信息試驗(yàn)的分析來(lái)看，深水防噴器關(guān)閉模塊診斷貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果較為準(zhǔn)確，基本符合實(shí)際情況。

4　結(jié)論

1）按照深水防噴器組的功能、動(dòng)作對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化，對(duì)每一個(gè)功能模塊獨(dú)立進(jìn)行診斷，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立故障診斷模型進(jìn)行故障診斷分析的方法是可行的。

2）依據(jù)假設(shè)故障征兆信息對(duì)建立的故障診斷模型進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，結(jié)果較為準(zhǔn)確地反應(yīng)了故障模式，驗(yàn)證了將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的方法應(yīng)用于深水防噴器組液壓控制系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)的可行性。

3）對(duì)深水防噴器系統(tǒng)的故障診斷研究可以對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行定位，快速準(zhǔn)確地指出故障原因，減少工作人員維修的盲目性，節(jié)約維修時(shí)間。

圖3　防噴器關(guān)閉診斷貝葉斯網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果

［1］楊進(jìn)，曹式敬.深水石油鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油鉆采工藝，2008（2）：10-13.

［2］竇玉玲，管志川.徐云龍.海上鉆井發(fā)展綜述與展望［J］.海洋石油，2006（2）：64-67.

［3］李博，張作龍.深水防噴器組控制系統(tǒng)的發(fā)展［J］.流體傳動(dòng)與控制，2008（4）：39-41.

［4］Hu Jinqiu，Zhang Laibin，Ma Lin，Liang Wei.An integrated safety prognosismodel for complex system based on dynamic Bayesian network and ant colony algorithm［J］.Expert systems with applications，2011 （38）：1431-1446.

［5］Yu Qian，Xiuxi Li，Yanrong Jiang，Yanqin Wen.An expert system for real-time fault diagnosis of complex chemical processes［J］.Expert systems with applications，2003（24）：425-432.

［6］Marzio Marseguerra，Enrico Zio.Monte Carlo simulation for model-based fault diagnosis in dynamic systems［J］.Reliability engineering and systems safety，2009（94）：180-186.

Research for Fault Diagnosis of Deepwater Blowout Preventer

LIU Libing1，LIU Zengkai2，CHEN Yandong1，WU Guohui1，GAO Zhaoling1
（1．Rongsheng Machinery Manufacture LTD of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China；2．College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Dongying 257061，China）

The typical diagnosis network module for deepwater BOP hydraulic control system that base on Bayesian methods is established.On the basis of expert knowledge and historical statistics to determine the Bayesian network node parameters，including the nodes’priori probability and conditional probability between nodes.The diagnostic Bayesian network of BOP close is tested，and the results are more accurate diagnosis，in line with reality.Demonstrate the feasibility of the application of Bayesian networks for deepwater BOP hydraulic control system fault diagnosis.

deepwater BOP；hydraulic control system；fault diagnosis；Bayesian method

TE951

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.001

1001-3482（2015）10-0001-05

①2015-04-13

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目“深水防噴器組及控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化研制”（2013AA09A220）；國(guó)家

科技重大專項(xiàng)“深水鉆井防噴器及控制系統(tǒng)研制”（2011ZX05027-001-05）

劉立兵（1982-），男，河北河間人，工程師，主要從事深水防噴器控制系統(tǒng)研究，E-mail：liulibing51＠163.com。