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簡介

海洋修井平臺自動排管系統(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)到鉆臺面的輸送、自動送鉆和自動甩鉆等功能，改變傳統(tǒng)的修井作業(yè)模式，減少修井平臺作業(yè)人數(shù)，提升油田的HSE管理水平。該系統(tǒng)采用機、電、液、氣一體化的設(shè)計。為實現(xiàn)自動排管系統(tǒng)中動力貓道機、一層臺擺管機械手、二層臺智能排管系統(tǒng)、修井鐵鉆工等設(shè)備的通訊，采用多種現(xiàn)場總線技術(shù)，包括Profibus-DP、MPI、RS485等。它的主要作用是連接自動排管系統(tǒng)中的各種自動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)。

從海洋修井平臺自動排管系統(tǒng)的故障處理記錄來看，機械故障、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，簡稱FTA）引入到海洋修井平臺自動排管系統(tǒng)中，有利于整套系統(tǒng)裝備的運行和維護(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算機建樹兩種。對于海洋修井平臺自動排管系統(tǒng)來說，系統(tǒng)規(guī)模屬于中等，采用人工建樹計算復(fù)雜，工作量大。因此，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和故障樹理論、采用C#語言編制特定的計算機故障樹分析軟件，建立自動排管系統(tǒng)故障樹，既高效又方便實用。

2 建立自動排管系統(tǒng)故障樹

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

2.1 自動排管系統(tǒng)拓?fù)鋱D及原理

海洋修井平臺自動排管系統(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)備包括一層臺擺管機械手、二層臺智能排管系統(tǒng)、動力貓道機、修井鐵鉆工等自動化設(shè)備，這些關(guān)鍵設(shè)備每個都包含一套獨立的以西門子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，實現(xiàn)變頻器、氣動卡瓦、液壓吊卡的控制，同時通過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面、二層臺、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)，實現(xiàn)設(shè)備間的信息交互。海洋修井平臺自動排管系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 海洋修井平臺自動排管系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 建立自動排管系統(tǒng)故障樹

結(jié)合海洋修井平臺自動排管系統(tǒng)拓?fù)鋱D，以海洋修井平臺“自動排管系統(tǒng)故障”作為頂事件，通過對現(xiàn)場故障引起原因及影響概率進(jìn)行統(tǒng)計和分析，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，及時排除故障，有益于指導(dǎo)自動排管系統(tǒng)的安全運行和維修，縮短整套系統(tǒng)的故障解決時間。

圖2 自動排管系統(tǒng)故障樹

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

圖3 機械故障樹

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

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

3.1 基本事件發(fā)生概率統(tǒng)計分析

對基本事件發(fā)生概率的統(tǒng)計分析，是對自動排管系統(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，而非主觀驗證。在事故樹中，根據(jù)各設(shè)備實際運行情況、基本事件編號、時間名稱、同時考慮嚴(yán)重系數(shù)、統(tǒng)計出概率的大小。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項基本事件，各事件的概率統(tǒng)計如表1所示。

表1 基本事件概率統(tǒng)計表

3.2 計算頂事件概率

在海洋修井平臺自動排管系統(tǒng)故障樹中，因為X1—X35各個基本事件均是相互獨立的事件，可以按照式（1）計算頂事件“自動排管系統(tǒng)故障”的發(fā)生概率：

式中：g為發(fā)生頂事件的概率計算函數(shù)；qi為第i個基本事件的發(fā)生概率；為求n個基本事件的概率積；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）計算可得，在海洋修井平臺自動排管系統(tǒng)故障樹中，頂事件發(fā)生的概率為0.033 6。

3.3 計算概率重要度

概率重要度可以反映頂事件“自動排管系統(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)行計算：

結(jié)果如表2所示。

表2 基本事件概率重要度表

3.4 計算臨界重要度

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弱兩個方面來進(jìn)行衡量。其計算公式為：

結(jié)果如表3所示。

表3 基本事件臨界重要度表

在海洋修井平臺自動排管系統(tǒng)故障樹中，通過對故障樹的定量分析，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)故障時無從下手，使得排除故障更有針對性、目的性和合理性。

4 故障樹定性分析

在對海洋修井平臺自動排管系統(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。采用編制的計算機建樹軟件來進(jìn)行定性分析和計算[5]。

4.1 計算最小割集

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)相對越危險。根據(jù)數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)上割集計算方法，計算得到在頂事件“自動排管系統(tǒng)故障”中存在30個最小割集為

通過計算最小割集分析，分析出系統(tǒng)中潛在的風(fēng)險源，有效地對事故進(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)計學(xué)上割集計算方法，計算得到在頂事件“自動排管系統(tǒng)故障”中存在6個最小徑集，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 計算結(jié)構(gòu)重要度

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

在對海洋修井平臺自動排管系統(tǒng)故障樹中，計算的公式為

根據(jù)計算結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場故障處理報告，得到該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重要度為

5 結(jié)束語

在海洋修井平臺自動排管系統(tǒng)應(yīng)用故障樹分析法對系統(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，減少海洋平臺運維成本，縮短設(shè)備的檢修周期，提升油田HSE管理水平，具有較高的實用價值。