龐楠， 賈鵬， 王立權(quán)， 運飛宏， 張寧， 劉璞

(哈爾濱工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著深水油氣田的發(fā)展，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)模式日益普及，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的長期可靠運行逐漸成為人們關(guān)注的焦點[1]。水下連接器作為連接水下結(jié)構(gòu)物的核心裝備，一旦被破壞，將導(dǎo)致密封失效，引起泄漏事故，因此，水下連接器必須具有一定的抗損傷能力，保證其可靠性能。目前，國內(nèi)外對水下連接器的研究較多，Zhang等[2]對水下連接器的安裝過程進(jìn)行了風(fēng)險分析，通過模糊理論法得到了水下連接器安裝失敗的綜合風(fēng)險評價值。Zhuang等[3]通過理論分析與試驗結(jié)合，研究了連接器在循環(huán)載荷作用下的變形性能。Yun等[4]、Gatherer等[5]、Gill等[6]以及Wei等[7]通過理論與試驗結(jié)合的方法對連接器接觸性能進(jìn)行評估，并開發(fā)了理論模型，得到了連接器變形和密封失效的失效機理。劉永紅等[8]通過分析深水防噴器組位于井口時井口連接器的工作狀態(tài)和重要失效模式，建立水下井口連接器的Markov模型，得到了系統(tǒng)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)可靠性指標(biāo)的公式。Zhang等[9]提出了一種計算海底連接器密封結(jié)構(gòu)壓縮極限的理論方法，為連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。目前，國內(nèi)外學(xué)者[10]針對水下連接器的研究焦點多在安裝技術(shù)、密封技術(shù)、接觸疲勞損傷以及泄露機理等方面，但針對水下連接器結(jié)構(gòu)可靠性方面的研究較少。水下連接器長期處于海洋環(huán)境中，面對復(fù)雜環(huán)境載荷、第三方破壞等風(fēng)險，會造成水下連接器結(jié)構(gòu)的故障和失效，因此，對水下連接器結(jié)構(gòu)可靠性的研究是必要的。

為了彌補水下連接器研究的不足，本文針對深水卡爪式連接器結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性研究，建立了水下連接器結(jié)構(gòu)失效的故障樹模型，并對水下連接器結(jié)構(gòu)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行深入分析，為水下連接器的維護和長期運行的可靠性保障提供理論依據(jù)。

1 水下連接器結(jié)構(gòu)簡介

水下連接器固定在水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備上，以實現(xiàn)不同水下結(jié)構(gòu)物之間的連接。本文水下連接器結(jié)構(gòu)的可靠性分析程序如圖1所示。

圖1 水下連接器結(jié)構(gòu)可靠性分析程序

水下連接器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由3部分組成，即底座下接頭、卡爪上接頭和防松結(jié)構(gòu)。對接時，通過驅(qū)動結(jié)構(gòu)帶動鎖緊結(jié)構(gòu)對上下法蘭及密封圈施加預(yù)緊力，實現(xiàn)連接器密封，形成完整的密閉空腔。水下連接器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖2所示，底座下接頭主要包括下法蘭、上下壁筒以及卡板結(jié)構(gòu)等；卡爪上接頭主要由上法蘭、卡爪、驅(qū)動環(huán)(壓力環(huán))以及密封圈等組成。防松結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括防松箱體、防松柱、鎖緊/解鎖塊、鏈條以及鏈條固定軸等[11]。本文對水下連接器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)建立故障樹模型。

圖3 水下連接器防松結(jié)構(gòu)

2 水下連接器結(jié)構(gòu)故障樹分析

2.1 失效模式分析

針對水下連接器的上法蘭結(jié)構(gòu)，在對接鎖緊和運行過程中可能因外載作用，與其他結(jié)構(gòu)接觸的配合面產(chǎn)生壓潰現(xiàn)象；而密封圈表面可能受意外擠壓發(fā)生磨損或變形；連接器的焊縫缺陷和初始缺陷在制造過程中是固有的，當(dāng)存在外部載荷時，連接器壓力環(huán)可能發(fā)生變形甚至斷裂，卡爪也會發(fā)生變形甚至出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。由于腐蝕、磨損和動態(tài)載荷導(dǎo)致的累積疲勞，它們的斷裂失效概率會增加。

針對水下連接器的下法蘭結(jié)構(gòu)，事故的可能原因是在對接鎖緊和運行過程中，由于外載作用而導(dǎo)致與其他結(jié)構(gòu)接觸的接觸面產(chǎn)生壓潰的現(xiàn)象。然而，取決于水下連接器的最弱點，在實際的對接鎖緊和運行過程期間，故障可能發(fā)生在水下連接器的任何位置。在檢測過程中，不專業(yè)的檢測設(shè)備和人為錯誤可能會導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確，從而可能找不到連接器潛在的缺陷。當(dāng)受到意外載荷時，連接器支撐卡板會發(fā)生彎曲變形，壁筒也會發(fā)生變形、開焊，甚至出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

針對水下連接器的防松結(jié)構(gòu)，可能因外載作用導(dǎo)致防松箱體、防松柱以及鏈條支撐軸彎曲變形。而防松本體可能受意外擠壓發(fā)生磨損，主要體現(xiàn)在鎖緊塊、解鎖塊和三角塊的工作斜面磨損。

2.2 建立水下連接器結(jié)構(gòu)故障樹

結(jié)合水下連接器結(jié)構(gòu)對象，考慮外載荷中第三方載荷情況，總結(jié)水下連接器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)常見的失效模式包括：底座下接頭失效(包括下法蘭失效、上下壁筒失效、卡板彎曲)、防松結(jié)構(gòu)失效(包括防松箱體變形、防松柱彎曲變形、鎖緊/解鎖塊失效)以及卡爪上接頭失效(包括上法蘭失效、壓力環(huán)失效、卡爪失效、透鏡式密封圈失效)。

以“水下連接器結(jié)構(gòu)失效”為故障樹的頂事件，建立水下連接器結(jié)構(gòu)故障樹，如圖4所示。

圖4 水下連接器結(jié)構(gòu)失效故障樹

3 水下連接器結(jié)構(gòu)可靠性評估

3.1 模型假設(shè)

首先針對故障樹模型作以下假設(shè)：

1)故障樹中的底事件之間相互獨立；

2)故障樹中事件(部件和系統(tǒng))只存在2種狀態(tài)：發(fā)生和不發(fā)生(正常和故障)；

3)底事件服從指數(shù)分布。

3.2 參數(shù)說明

水下結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)的失效目前國內(nèi)外還沒有相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，一些學(xué)者通過數(shù)學(xué)方法進(jìn)行量級的確定。 Purba[12]通過定性數(shù)據(jù)處理對故障樹基本事件進(jìn)行了模糊可靠性評估，得到了故障樹事件的模糊失效概率。Zhang等[2]通過對故障樹的模糊定量分析，得到水下連接器安裝失效概率量級為10-3～10-2。本文根據(jù)OREDA(offshore reliability data handbook)中水下連接器失效數(shù)據(jù)量級確定運行過程中水下連接器失效量級為10-7。由于本文考慮外載荷中第三方載荷情況，所以定義結(jié)構(gòu)變形、彎曲相關(guān)失效量級為10-7，磨損、斷裂以及壓潰等相關(guān)失效量級為10-8。

3.3 可靠度及可靠壽命分析

根據(jù)故障樹分析指南，求解頂事件失效概率即在底事相互獨立和已知其發(fā)生概率的條件下進(jìn)行，本文應(yīng)用容斥定理計算公式計算頂事件概率。

設(shè)底事件數(shù)目為n的故障樹有k個最小割集Ki(1≤i≤k)，則故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)可表示為：

T=Φ(X)=K1+K2+…+Kk

(1)

式中每個最小割集Ki(1≤i≤k)表示相應(yīng)底事件Xj(1≤j≤n)的積事件。

通常情況下，最小割集彼此相交，利用相容事件的概率計算公式可以求得頂事件發(fā)生概率P(T)為：

P(T)=P(K1+K2+…+Kk)=

…+(-1)k-1P(K1K2…Kk)

(2)

經(jīng)計算頂事件及二級事件失效概率分別為：

PM1=0.25×10-6

(3)

PM2=0.65×10-6

(4)

PM3=0.33×10-6

(5)

PTOP=1.14×10-6

(6)

式中：PM1表示“底座下接頭失效”；PM2表示“卡爪上接頭失效”；PM3表示“防松結(jié)構(gòu)失效”；PTOP表示“水下連接器結(jié)構(gòu)失效”，則水下連接器結(jié)構(gòu)失效函數(shù)為：

F(t)=1-e-λt=1-e-0.000 001 14 t

(7)

水下連接器結(jié)構(gòu)可靠度為：

R(t)=1-F(t)=e-λt=e-0.000 001 14 t

(8)

水下連接器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、水下連接器底座下接頭、水下連接器卡爪上接頭以及水下連接器防松結(jié)構(gòu)可靠度隨時間關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，水下連接器結(jié)構(gòu)隨著工作時間的增加，其可靠度逐漸減小。對于水下連接器結(jié)構(gòu)，卡爪上接頭失效最快，其次是防松結(jié)構(gòu)，最后是底座下接頭部分。

圖5 水下連接器結(jié)構(gòu)可靠度隨時間變化曲線

水下連接器結(jié)構(gòu)平均無故障時間為：

(9)

水下連接器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及組成部件可靠壽命隨可靠度變化如圖6所示。

圖6 水下連接器結(jié)構(gòu)可靠壽命曲線

由圖6可知對應(yīng)任意可靠度值時，水下連接器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以及各部件的可靠壽命，例如當(dāng)水下連接器結(jié)構(gòu)可靠度為0.90時，水下連接器結(jié)構(gòu)的可靠壽命為9.24×104h；水下連接器底座下接頭結(jié)構(gòu)的可靠壽命為4.21×105h；水下連接器卡爪上接頭結(jié)構(gòu)的可靠壽命為1.62×105h；水下連接器防松結(jié)構(gòu)的可靠壽命為3.19×105h。通過水下連接器結(jié)構(gòu)及各部件可靠壽命曲線，可以對水下連接器進(jìn)行可靠時間的預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測和診斷，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可能性失效事件，并及時采取維護措施。

4 水下連接器結(jié)構(gòu)重要度分析

故障樹模型中各個底事件作為水下連接器結(jié)構(gòu)失效的原因，“水下連接器結(jié)構(gòu)失效”的概率取決于各個底事件的失效概率，每一個底事件都可能導(dǎo)致水下連接器結(jié)構(gòu)失效，為了更加明確水下連接器結(jié)構(gòu)失效的原因，需要對水下連接器結(jié)構(gòu)失效故障樹模型的其他事件做重要度分析。

1)概率重要度。

(10)

針對水下連接器結(jié)構(gòu)失效故障樹，計算事件M1、M2以及M3概率重要度為：

(11)

(12)

(13)

通過以上分析可知，M2事件(卡爪上接頭失效)的概率重要度最大，是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的相對薄弱環(huán)節(jié)，在制造和使用中應(yīng)該重點關(guān)注。

2)結(jié)構(gòu)重要度。

結(jié)構(gòu)重要度主要用于可靠度分配，其大小與元件在結(jié)構(gòu)中的地位有關(guān)，而與元件失效概率無關(guān)。其計算公式為：

(14)

式中：Kj為第j個最小割集；Nj為基本事件Xi所在最小割集Kj的底事件數(shù)。本文所建立的故障樹最小割集為底事件本身。因此，Nj值為1，所有底事件結(jié)構(gòu)重要度相同,則底座下接頭失效、卡爪上接頭失效以及防松結(jié)構(gòu)失效結(jié)構(gòu)重要度關(guān)系可以表示為：

I(M1)=I(M2)=I(M3)=1

(15)

3)關(guān)鍵重要度。

關(guān)鍵重要度指底事件失效概率變化率引起的頂事件失效概率變化率，也稱臨界重要度，能反映出事件經(jīng)過改善，提高其可靠性能對于系統(tǒng)的影響，其計算公式為：

(16)

經(jīng)計算，分別解得底座下接頭失效、卡爪上接頭失效以及防松結(jié)構(gòu)失效的關(guān)鍵重要度分別為：

(17)

(18)

(19)

由計算結(jié)果可知，水下結(jié)構(gòu)連接器卡爪上接頭結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵重要度最高。因此，在水下連接器生產(chǎn)和制造過程中應(yīng)注意卡爪上接頭的可靠性，提高加工質(zhì)量，可以更有效地改善水下連接器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)論

1)通過水下連接器結(jié)構(gòu)故障樹的定量分析，得到了水下連接器結(jié)構(gòu)可靠度隨時間變化曲線及水下連接器長期運行的可靠壽命曲線，可以推測水下連接器可能發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的時間，對實際作業(yè)有一定的指導(dǎo)意義。

2)求解了水下連接器平均無故障時間為8.77×105h，同時，求解了任意時刻的結(jié)構(gòu)可靠度以及已知可靠度時的可靠壽命等可靠性指標(biāo)，為水下連接器的可靠運行提供了理論依據(jù)。

3)通過水下連接器結(jié)構(gòu)重要度分析，得到了卡爪上接頭部分的關(guān)鍵重要度為0.528，是水下連接器結(jié)構(gòu)較薄弱的環(huán)節(jié)。為進(jìn)一步開展水下連接器結(jié)構(gòu)的診斷分析和維修性分析奠定了理論基礎(chǔ)。