于 濤，李明智，王杰群

（大連海洋大學 船舶與海洋工程學院，遼寧 大連 116023）

0 引言

我國從2013年起在海工裝備方面出大量訂單增長，相比與上一年增長了16%，排在世界第二位[1，2]，其中自升式鉆井平臺49座[3]。頂驅裝置作為海洋鉆井平臺的核心設備，具有造價昂貴、結構復雜等特點，因此正確分析頂驅裝置發(fā)生故障的原因，有針對性地提出預防措施，減少事故的發(fā)生，及時有效的解決頂驅裝置故障，為安全生產提供保障。本文針對TDS-8SA頂驅裝置建立故障樹，分析故障的主次、因果，找出薄弱環(huán)節(jié)，為頂驅裝置的維護、保養(yǎng)、以及故障診斷提供指導性建議。

1 頂驅裝置故障診斷研究現(xiàn)狀

王勇勤[4]在《TDS-11SA頂驅裝置可靠性分析》中提出利用故障樹分析法結合計算機輔助分析，在Visual C++開發(fā)環(huán)境下開發(fā)WINDOW系統(tǒng)下頂驅裝置失效概率計算程序，為進一步實現(xiàn)頂驅裝置的故障分析系統(tǒng)的開發(fā)提供了條件。霍連才[5]在《VARCO頂驅故障診斷專家系統(tǒng)的構建》中提出對CLIPS和Visual C++的連接接口進行研究，成功實現(xiàn)了知識編碼器和推理機的功能形成了基于Visual C++的專家故障診斷系統(tǒng)，針對用戶獲知的故障現(xiàn)象，快速定位出故障原因，提出相關解決辦法。杜磊[6]在《基于VC++的TDS故障診斷專家系統(tǒng)開發(fā)》中以TDS-11SA為例，運用Visual C++編程語言程序，綜合知識庫與推理機，同時運用知識庫管理系統(tǒng)對收集到的數(shù)據(jù)進行添加，成功實現(xiàn)了TDS故障診斷專家系統(tǒng)，通過用戶提供的信息快速診斷出故障并給出相關建議。朱磊[7]在《基于故障樹技術的頂部驅動裝置故障診斷軟件開發(fā)》中以DQ70BSQQ頂部裝置模型，通過故障樹與診斷知識轉化的準則，利用C#編程語言實現(xiàn)知識庫管理模塊、診斷控制機模塊、授權登陸模塊和解釋模塊的編譯，對故障診斷軟件進行模塊和界面整合，完成原型版本開發(fā)。

2 TDS-8SA頂驅裝置事故致因分析

1）水龍頭-動力系統(tǒng)。為頂驅裝置提供鉆井動力，完成鉆桿的旋轉鉆進過程，根據(jù)水龍頭總管、鉆井馬達、剎車裝置、冷卻風機、齒輪箱、潤滑系統(tǒng)的工作特點，分析水龍頭-動力系統(tǒng)的故障。

2）鉆桿拆卸系統(tǒng)。鉆桿拆卸的執(zhí)行機構，完成鉆桿的連接、拆卸過程，根據(jù)調換傾斜裝置、扭矩鉗、內防噴器結特點，分析鉆桿拆卸系統(tǒng)故障。

3）導軌滑車系統(tǒng)。為頂驅和井架提供支撐，頂驅可以在井架上自由的移動，從結構強度，工作特點等方面分析導軌滑車系統(tǒng)的故障。

4）液壓系統(tǒng)。為通過液壓缸和液壓馬達實現(xiàn)頂驅裝置在鉆井、下鉆、提鉆過程中的機械動作，由于TDS-8SA頂驅裝置沒有自帶的液壓泵，依靠鉆臺液壓站通過液壓軟管連接至頂驅裝置提供液壓源，因此不考慮液壓站的故障因素，假定液壓動力源無故障，從液壓控制機構與執(zhí)行機構故障進行分析。

3 頂驅裝置故障樹建立與分析

3.1 頂驅裝置故障樹

采用故障樹分析法將TDS-8SA頂驅裝置故障作為頂事件，針對設備運行與維修過程中出現(xiàn)的故障進行總結，查找頂事件發(fā)生的原因，從水龍頭-動力系統(tǒng)、鉆桿拆卸系統(tǒng)、導軌滑車系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)4個方面自上而下，對整個系統(tǒng)每一級進行分析，通過分析現(xiàn)有的數(shù)據(jù)總結的故障案例，提取出引起故障發(fā)生的相關因素，去尋找類似事故發(fā)生的有關因素，建立TDS-8SA頂驅裝置故障樹如圖1所示，將系統(tǒng)的復雜關系直觀的顯示出來[8]。從而采取有效的防范措施，防止此類事故再次發(fā)生[9]。

3.2 頂驅裝置故障樹分析

H.A.Waston和D.F.Haasl在1961年首先提出了故障樹分析法這一概念[10]。隨后廣泛的應用于航空航天、機械、電子等各個領域的故障診斷中。

故障樹分析法是一種綜合性的故障診斷方法，廣泛應用于系統(tǒng)異常診斷[11]，是通過樹狀圖的形式將系統(tǒng)故障顯示出來，從開始選擇頂事件、建立頂事件故障樹、對整個故障樹進行定性和定量分析[12]。對于TDS-8SA頂驅裝置進行故障診斷，首先要熟悉頂驅裝置的系統(tǒng)構造，其次選擇頂驅裝置故障作為頂事件并對頂事件進行故障分析，建立頂驅裝置故障樹，最后對故障點進行定量和定性分析。

在長期的實踐下，每個施工單位都有自己獨特的管理規(guī)定，在社會不斷發(fā)展的現(xiàn)代，建筑企業(yè)的各項管理規(guī)定也在不斷改進當中。對管理制度的優(yōu)化可總結為以下幾點：明確劃分崗位職責，并根據(jù)崗位特點羅列出工作過程中的注意事項；管理部門內部劃分精細，確保其功能全面，將施工過程納入完整、系統(tǒng)的管理之下；根據(jù)施工特點，適當融入新型技術，進而提高建筑質量；總結以往施工的經驗，有針對性的對管理制度進行改進；將各類技術進行分類管理，并完善相應的技術規(guī)范，將技術的優(yōu)越性充分發(fā)揮出來。

通過求出最小割集的方法對頂驅裝置故障樹進行分析，故障樹的每1個最小割集，代表一種狀態(tài)的故障模式，只要有1個最小割集存在，系統(tǒng)就處于故障狀態(tài)。

文中從頂驅裝置故障樹的最下層開始分析，通過邏輯“與”門和“或”門的運算法則，從底部向上，將中間事件的邏輯關系用底事件來表示，最后將頂事件表示出來，計算出頂驅裝置全部最小割集，利用布爾代數(shù)法運算法則，進行簡化，求出全部最小割集、最小徑集。

3.3 計算頂驅裝置機構重要度

在TDS-8SA頂驅裝置的日常維護與使用中，導向滑輪磨損、液壓缸故障、油泵濾芯堵塞、電機接地故障、換閥卡住、控制空氣污染、密封損壞等81個底部事件重要度較大。由于故障的發(fā)生是不確定性的，應該嚴格按照日常的維護操作規(guī)程，對頂驅裝置故障有針對性的預防，減少故障的發(fā)生。

4 工程案例與應用

4.1 根據(jù)故障樹建立診斷分析圖

頂驅裝置系統(tǒng)復雜，其中液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、鉆桿拆卸系統(tǒng)、導軌滑車系統(tǒng)等多個部件由于工作環(huán)境惡劣，是故障診斷的重點考慮對象。文中結合頂驅裝置實際運行狀況對于剎車部件故障進行分析，發(fā)現(xiàn)其主要故障為空氣壓力低、剎車不動作、剎車不復位等癥狀。由于篇幅所限，文中以空氣濾芯堵塞為例，引起剎車剎不住，導致頂驅裝置故障，通過頂驅裝置故障樹理論，建立故障分析流程圖，如圖1所示。

圖1 故障分析流程圖

4.2 “空氣濾芯堵塞”的故障分析

“空氣濾芯堵塞”的故障現(xiàn)象：

空氣系統(tǒng)作為頂驅裝置剎車的主要控制系統(tǒng)，是保證頂驅正常工作的重要部分。在鉆井作業(yè)中，通過控制空氣的通斷來控制剎車，由于TDS-8SA頂驅采用供氣剎車的原理，空氣壓力低，導致剎車剎不住，頂驅在鉆井作業(yè)中不能正常停止。

“空氣濾芯堵塞”的原因：

1）空氣臟?？諝夤苈酚捎陂L期的使用過程中，管路內壁產生的腐蝕鐵銹、脫落的油漆等，在空氣系統(tǒng)使用過程中，隨著空氣的消耗，堵塞在濾芯當中，長時間積累，導致濾芯堵塞，空氣不能通過。

2）空氣中水含量高。冬季氣溫低，空壓機壓縮空氣，產生一定的水，通過管理運輸?shù)綖V芯，定期產生沉積，由于氣溫低，導致結冰，堵塞濾芯，導致空氣系統(tǒng)不工作。

“空氣濾芯堵塞”的故障診斷：

按照從簡單到復雜、先外部后內部、先電氣后機械、易損壞的部件優(yōu)先考慮、盡可能少拆除零部件檢查的故障診斷原則，按照定性分析的原則對頂驅裝置故障樹進行如下診斷分析。

1）用目測的方法首先檢查鉆桿拆卸系統(tǒng)、水龍頭-動力系統(tǒng)、導軌滑車系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)功能情況。發(fā)現(xiàn)頂驅裝置動力系統(tǒng)故障。

2）根據(jù)動力系統(tǒng)故障樹，逐一進行排查，發(fā)現(xiàn)剎車系統(tǒng)系統(tǒng)故障。

3）觀察到的現(xiàn)象是剎車系統(tǒng)剎不住，檢查剎車系統(tǒng)剎不住的最小割，發(fā)現(xiàn)是由于空氣壓力過低導致剎車剎不住，檢查濾芯，由于空氣濾芯堵塞，導致空氣壓力過低，導致頂驅裝置故障。

5 運用故障樹法對頂驅裝置故障原因分析的意義

1）故障樹分析法是分析故障原因的重要方法，它既能找到故障的真正原因，又能找到潛在故障原因。并且顯示出各事故原因與頂事件的邏輯關系，有些基本事件單獨發(fā)生就能導致頂事件發(fā)生，有些基本事件同時發(fā)生才能導致頂事件發(fā)生，有助于定性分析頂驅裝置故障發(fā)生的規(guī)律以及特點，從而制定出控制頂驅裝置故障的可行性方案。

2）從故障樹結構上分析出導致頂驅故障法的基本事件集合，通過求出最小割集和最小割集中基本事件的個數(shù)，判斷出基本事件的重要程度，按照重要度大小對所有底事件進行排序，以便按照輕重緩急分別采取對策，從而安全、經濟、有效的解決故障。也可以制定出TDS-8SA頂驅裝置故障預防與診斷表，完善TDS-8SA頂驅裝置在作業(yè)過程中的故障預防體系，有效的預防潛在故障的發(fā)生。

3）借助于故障樹可以定量分析事故的發(fā)生概率，基于大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得出各基本事件發(fā)生的概率，通過邏輯與門和邏輯或門，通過對基本事件的重要度進行計算，說明每個基本事件在系統(tǒng)中所占的重要程度，在頂驅裝置發(fā)生故障時，可以對故障有針對性地進行檢查，對頂驅裝置的故障診斷具有一定的指導意義。

6 結語

故障樹分析法具有邏輯表達性強、故障顯示直觀等優(yōu)點，對TDS-8SA頂驅裝置復雜的系統(tǒng)機構能夠快速判斷出可能導致頂驅裝置的原因，便于分析。對于TDS-8SA頂驅裝置系統(tǒng)零部件故障概率不好獲取，無法計算出底部事件在頂事件頂驅裝置故障中的重要度，難以進行定量分析。因此，通過TDS-8SA頂驅裝置故障樹定性分析和故障診斷基本原則相結合的方法對頂驅裝置故障原因進行分析。對TDS-8SA頂驅裝置采用故障樹分析法，維修人員需要對頂驅裝置有相應的專業(yè)知識和故障診斷實踐經驗，以及對于故障樹分析法有一定了解。