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(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.海洋石油股份有限公司 設(shè)計(jì)公司，天津 300451)

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水下生產(chǎn)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(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.海洋石油股份有限公司 設(shè)計(jì)公司，天津 300451)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)管匯一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。針對這個(gè)問題開展了水下生產(chǎn)系統(tǒng)管匯的故障樹研究，進(jìn)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(chǎn)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(shí)間變化關(guān)系，在給定可靠度下，確定維修時(shí)間間隔。最后，求得管匯各部件重要度。支持性結(jié)構(gòu)和進(jìn)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(chǎn)和使用中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；管匯；故障樹；割集；故障概率；重要度

網(wǎng)絡(luò)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(yán)重的災(zāi)難之一，造成了重大的財(cái)產(chǎn)損失，導(dǎo)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(jī)，開采深海資源勢在必行，因此，只能增加水下生產(chǎn)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(jì)80年代，部分科研人員開始了水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性研究[2-3]。進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)的大量使用，人們越來越關(guān)注它的可靠性問題[4-8]。而水下管匯是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分[9-10]，擔(dān)負(fù)著流體、化學(xué)藥劑的分配，一旦發(fā)生故障，將嚴(yán)重影響油氣開采進(jìn)度，甚至可能會造成油氣的大量泄漏，造成災(zāi)難性的后果。因此，研究水下生產(chǎn)系統(tǒng)管匯的可靠性問題具有實(shí)際的現(xiàn)實(shí)意義，不但可以給水下生產(chǎn)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(chǎn)和改進(jìn)設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)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(chǔ)。

1　故障樹分析理論方法

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

故障樹指用來表明產(chǎn)品哪些部分的故障或外界事件或它們的組合將導(dǎo)致產(chǎn)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(guān)系圖，構(gòu)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(lián)系起來，表示事件之間的邏輯關(guān)系。

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

2　水下生產(chǎn)系統(tǒng)管匯簡介

管匯是管道和閥門的排列布置，被設(shè)計(jì)用于聯(lián)合、分配、控制盒監(jiān)控流體流動[14]。以南海某水下生產(chǎn)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(jìn)一步的結(jié)構(gòu)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(shè)：

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(dú)立的；

3) 所有部件的故障率均是一常數(shù)。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)管匯的可靠性數(shù)據(jù)都是在以往的試驗(yàn)和實(shí)際工程中測得并記錄的數(shù)據(jù)，國內(nèi)目前尚無水下管匯的可靠性數(shù)據(jù)。因此，在研究南海某水下生產(chǎn)系統(tǒng)管匯時(shí)，引用OREDA-Offshore Reliability Data Handbook(2015版)中的數(shù)據(jù)，如表2所示。當(dāng)然，這些故障數(shù)據(jù)和南海的實(shí)際情況可能會有一點(diǎn)誤差，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)是OREDA在其他幾個(gè)海域內(nèi)的收集結(jié)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(chǎn)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(xué)聯(lián)軸器、連接器、液壓插頭、管道、保護(hù)性結(jié)構(gòu)、支持性結(jié)構(gòu)、檢測閥、控制閥、進(jìn)程隔離閥和實(shí)用隔離閥等部件組成；管道模塊主要由連接器、管道和進(jìn)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(gè)，分別為連接器2失效、 管道1失效、…、進(jìn)程隔離閥1失效，即故障樹的每個(gè)底事件。該結(jié)果與Windchill Quality Solutions軟件的計(jì)算結(jié)果一致，軟件的計(jì)算結(jié)果見圖3，Cut Sets即為最小割集。一個(gè)最小割集的發(fā)生就可以導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，也可以稱為導(dǎo)致“管匯失效”的一個(gè)主要故障模式，因此，“管匯失效”的主要故障模式有13個(gè)。

取計(jì)算時(shí)間t=10 000h，代入表2中數(shù)據(jù)，運(yùn)用Windchill Quality Solutions軟件中的故障樹模塊進(jìn)行運(yùn)算，可以得到管匯模塊、管道模塊以及管匯的故障概率隨時(shí)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(shí)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(shí)間的變化曲線Fig.6　The change curve of manifold failure probability with time

當(dāng)軟件運(yùn)行到10 000 h時(shí)，管匯的故障概率為0.049 2。通常，水下生產(chǎn)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(gè)值，假設(shè)該值為R0，這個(gè)值常稱為最低門限值。根據(jù)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(jù)管匯的故障概率隨時(shí)間的變化曲線，找到相對應(yīng)的那個(gè)時(shí)刻t0，根據(jù)t0的值，就可以確定維修或保障的時(shí)間間隔(時(shí)間間隔小于t0)，從而為制定維修和保障計(jì)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(jì)算結(jié)果如圖7所示。研究中用Windchill Quality Solutions軟件，計(jì)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(guān)鍵重要度)，F(xiàn)ussell-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(shí)的頂事件概率減去該底事件不發(fā)生時(shí)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(jù)圖7底事件可靠性重要度計(jì)算結(jié)果，底事件的排序?yàn)椋?/p>

1)Birnbaum重要度順序：13個(gè)底事件的地位一致，它們的Birnbaum重要度的值均為1。但在實(shí)際應(yīng)用中，這13個(gè)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(jié)構(gòu)、進(jìn)程隔離閥2、…液壓插頭；

3)Fussell-Vesely重要度順序：支持性結(jié)構(gòu)、進(jìn)程隔離閥2、…液壓插頭；

由此可以知道，支持性結(jié)構(gòu)的重要度最高，進(jìn)程隔離閥2的重要度次之，這兩個(gè)底事件的重要度大大高于其他的事件。即支持性結(jié)構(gòu)故障發(fā)生的概率對頂事件的影響最大，進(jìn)程隔離閥2次之，因此，降低支持性結(jié)構(gòu)和進(jìn)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(jìn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該重點(diǎn)考慮。

4　結(jié)論

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

2) 支持性結(jié)構(gòu)和進(jìn)程隔離閥2這兩個(gè)部件的重要度遠(yuǎn)大于其他部件，在進(jìn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)管匯的改進(jìn)設(shè)計(jì)、維護(hù)以及保障計(jì)劃的制定時(shí)，應(yīng)該側(cè)重考慮。

3) 此分析方法也可以為其他水下設(shè)備的可靠性研究提供參考。另外，可以在可靠性分析基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展維修性和可用性分析，得到人們更加關(guān)心的生產(chǎn)率，對實(shí)際生產(chǎn)有一定的借鑒和指導(dǎo)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(chǎn)系統(tǒng)管匯的故障樹分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 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(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-06-24.

國家工業(yè)與信息化部海洋工程裝備項(xiàng)目(E-0813C003).

陳衛(wèi)東(1966-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)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