張軍巧，張一帆，王冬

北京石油機(jī)械有限公司（北京 102206）

0 引言

頂驅(qū)是當(dāng)今石油鉆井的前沿技術(shù)和裝備，在深井、水平井、特殊工藝井等作業(yè)難度高的復(fù)雜井中作業(yè)能力表現(xiàn)突出，作業(yè)效率提高顯著，已在陸地和海洋鉆井中廣泛應(yīng)用，成為石油鉆井作業(yè)的標(biāo)配產(chǎn)品。

導(dǎo)軌是頂驅(qū)的重要組成部分之一，按結(jié)構(gòu)分為單導(dǎo)軌和雙導(dǎo)軌，按安裝方式分為分體式和折疊式，按摩擦方式分為滾動(dòng)式和滑動(dòng)式。作業(yè)過(guò)程中，導(dǎo)軌為頂驅(qū)提供上下移動(dòng)的通道，使頂驅(qū)可從井架空間上部直接驅(qū)動(dòng)鉆柱完成鉆井作業(yè)，同時(shí)將頂驅(qū)承受的反扭矩傳遞到井架上，由于導(dǎo)軌上反扭矩梁的存在，還可使頂驅(qū)在鉆井作業(yè)中與井架保持相對(duì)正確的位置[1-5]。如果導(dǎo)軌發(fā)生故障，頂驅(qū)將無(wú)法進(jìn)行鉆井作業(yè)，輕則影響作業(yè)進(jìn)度，增加鉆井作業(yè)費(fèi)用，重則造成井下事故。因此，導(dǎo)軌的故障原因分析對(duì)設(shè)計(jì)、制造和使用有重要意義。鑒于此，以最常用的分體滾動(dòng)式單導(dǎo)軌故障為例進(jìn)行分析研究，建立故障樹模型，找出故障主要原因，提出改進(jìn)措施，達(dá)到減少故障發(fā)生的目的。

1 故障樹

1.1 故障樹的定義

故障樹分析方法是安全系統(tǒng)工程中的重要分析方法之一，用它描繪故障發(fā)生的有向邏輯樹，分析故障的現(xiàn)象、原因及結(jié)果。該方法既可定性分析，又可定量分析。通過(guò)定性分析，得到導(dǎo)致頂驅(qū)事件發(fā)生故障的直接原因或潛在原因；通過(guò)定量分析，求出頂事件的發(fā)生概率和底事件的結(jié)構(gòu)重要度，從而提出改進(jìn)措施和對(duì)策[6-8]。

故障樹由頂事件（用T表示）、中間事件（用M表示）和基本事件（用X表示），通過(guò)特定連接符號(hào)連接而成。如圖1所示，頂事件T代表事件發(fā)生，其包括兩個(gè)中間事件M1和M2，M1和M2為邏輯或關(guān)系，即只要其中一個(gè)發(fā)生，則T事件發(fā)生。M1包括兩個(gè)基本事件X1和X2，X1和X2為邏輯或關(guān)系。M2事件包括兩個(gè)基本事件X3和X4，X3和X4為邏輯與關(guān)系，即只有X3和X4兩個(gè)事件都發(fā)生M2才發(fā)生。

圖1 故障樹示意圖

1.2 最小割集及結(jié)構(gòu)重要度

割集是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的基本事件的集合，最小割集是引起頂事件發(fā)生所必須的最低限度的基本事件的集合。以圖1故障樹為例，最小割集求取如下。

由上得出，故障樹有三個(gè)最小割集{X1}、{X2}、{X3，X4}

最小割集的結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算公式為[9]：

式中：k為最小割集數(shù)；I?(i)為第i個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；kj為j個(gè)最小割集；nj為第i個(gè)基本事件所在的第Kj最小割集中的基本事件總數(shù)；K為最小割集的數(shù)量。

2 分體滾動(dòng)式單導(dǎo)軌故障樹分析

2.1 分體滾動(dòng)式單導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

分體滾動(dòng)式單導(dǎo)軌一般由吊耳、調(diào)節(jié)板、導(dǎo)軌主體、反扭矩梁等組成，如圖2所示。吊耳通過(guò)焊接和緊固件與天車底部連接。調(diào)節(jié)板上端與吊耳通過(guò)緊固件連接，調(diào)節(jié)板上有適應(yīng)不同高度井架的調(diào)節(jié)孔，調(diào)節(jié)范圍可達(dá)4 m。調(diào)節(jié)板與導(dǎo)軌主體上部采用緊固連接。導(dǎo)軌主體一般由包含導(dǎo)軌上部、導(dǎo)軌中部、導(dǎo)軌短節(jié)和導(dǎo)軌下部在內(nèi)的多節(jié)組成，具體節(jié)數(shù)根據(jù)井架高度確定，每節(jié)由型鋼和板材焊接而成，各節(jié)之間通過(guò)上、下接頭連接后，使用專用緊固件緊固防松，如圖3所示。反扭矩梁將導(dǎo)軌主體下部與井架連接在一起。由于導(dǎo)軌為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)承受扭矩較大時(shí)，有發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形的傾向，針對(duì)這種井位通常在導(dǎo)軌主體下部的上端和下端各安裝一套反扭矩梁。

圖2 分體滾動(dòng)式單導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

圖3 導(dǎo)軌主體各節(jié)連接接頭

2.2 導(dǎo)軌故障樹模型

針對(duì)鉆井現(xiàn)場(chǎng)工況的復(fù)雜性、多樣性和不確定性等因素，根據(jù)導(dǎo)軌故障的產(chǎn)生機(jī)理不同，對(duì)可能產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，建立導(dǎo)軌故障樹模型，如圖4所示，各事件描述見(jiàn)表1。

圖4 導(dǎo)軌故障樹模型

表1 各代碼對(duì)應(yīng)的事件

2.3 故障樹定性分析

故障樹定性分析的任務(wù)是找出故障樹的全部最小割集，從而得到影響頂事件的關(guān)鍵基本事件。

采用下行法求最小割集，就是從頂事件開始，由上向下逐個(gè)對(duì)結(jié)果事件進(jìn)行處理，最后所得每一行的基本事件集合都是故障樹的一個(gè)割集，將這些割集進(jìn)行比較，即得出所有的最小割集[10]。導(dǎo)軌故障樹最小割集見(jiàn)表2。

表2 導(dǎo)軌故障樹最小割集

由表2得出：T=M1+M2=X1+X2+M3+M4+M5=X1+X2+X3+X4+X5X6+X7X8X9

可見(jiàn)，導(dǎo)軌故障樹有6個(gè)最小割集：{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5X6}、{X7X8X9}

采用公式（1），計(jì)算各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各基本事件結(jié)構(gòu)重要度順序?yàn)椋篨1=X2=X3=X4＞X5=X6＞X7=X8=X9。

結(jié)構(gòu)重要度反映了基本事件對(duì)頂事件發(fā)生的影響程度，結(jié)構(gòu)重要度越大，對(duì)頂事件的影響越大。由以上分析可知，反扭矩梁螺栓松動(dòng)（X1）、連接件損壞（X2）、焊工技能和責(zé)任心不足（X3）、焊接坡口尺寸超差（X4）這4個(gè)事件是引發(fā)導(dǎo)軌發(fā)生故障的主要原因，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)這4個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，以減少導(dǎo)軌故障，促進(jìn)頂驅(qū)更加安全穩(wěn)定的作業(yè)。

3 改進(jìn)措施及應(yīng)用效果

3.1 改進(jìn)措施

1）提高螺栓連接的可靠性、防松能力和抗疲勞強(qiáng)度。針對(duì)反扭矩梁螺栓松動(dòng)問(wèn)題，每天檢查緊固反扭矩梁的螺栓、螺母、開口銷，如有損壞或缺失應(yīng)補(bǔ)齊。每周用力矩扳手檢查螺栓的預(yù)緊力，如有松動(dòng)應(yīng)按規(guī)定的力矩?cái)Q緊，提高螺栓連接的可靠性、防松能力和抗疲勞強(qiáng)度。

2）防止連接件損壞。每天檢查連接件，如有變形、磨損或損壞應(yīng)更換。每天檢查導(dǎo)軌與井口中心的距離，如偏差超過(guò)規(guī)定值，應(yīng)按頂驅(qū)維護(hù)保養(yǎng)手冊(cè)要求調(diào)整反扭矩梁與導(dǎo)軌之間連接件到適當(dāng)位置，避免反扭矩梁因承受額外的扭矩和振動(dòng)，對(duì)連接件造成損害。

3）強(qiáng)化焊工技能和責(zé)任心。①加強(qiáng)培訓(xùn)。通過(guò)對(duì)焊工進(jìn)行頂驅(qū)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和焊接理論的培訓(xùn)，提高綜合素質(zhì)。通過(guò)導(dǎo)軌故障危害性教育，提高思想意識(shí)。通過(guò)焊接技能比賽，提高其自主學(xué)習(xí)的積極性和工作熱情，進(jìn)而提高焊接技能和責(zé)任心。②合理規(guī)范焊接操作。進(jìn)一步規(guī)范焊接操作規(guī)程，除了焊接工藝規(guī)程中的內(nèi)容外，增加焊前檢查待焊金屬表面和鄰近焊縫表面質(zhì)量的要求，確保影響焊接質(zhì)量的毛刺、氧化皮、鐵銹、油污等污物已清除干凈。③加強(qiáng)工藝紀(jì)律檢查。每季度對(duì)焊接過(guò)程中的焊材、焊接參數(shù)、焊接設(shè)備和監(jiān)測(cè)儀器儀表等情況進(jìn)行檢查，促使焊工形成自覺(jué)、按規(guī)定焊接的習(xí)慣，有效避免工作中的隨意性和人為失誤，達(dá)到穩(wěn)定焊接質(zhì)量、符合圖紙要求的目的。

4）加強(qiáng)培訓(xùn)和檢驗(yàn)審批制度。①對(duì)相關(guān)人員講解坡口尺寸的重要性。焊縫接頭類型和尺寸是根據(jù)承載能力計(jì)算得出的，通過(guò)焊接工藝評(píng)定進(jìn)行驗(yàn)證的，不符合設(shè)計(jì)尺寸的焊接，不但會(huì)影響焊縫成形、承載能力和使用壽命，還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)故障甚至過(guò)早失效。②嚴(yán)格加工檢驗(yàn)制度。切實(shí)實(shí)行首件檢驗(yàn)、互檢、專檢相結(jié)合的“三檢制”，把好工序質(zhì)量關(guān)，確保符合圖紙要求。③嚴(yán)格審批流程。當(dāng)尺寸不合格時(shí)，填寫評(píng)審單進(jìn)行評(píng)審，依據(jù)評(píng)審意見(jiàn)進(jìn)行處置，避免潛在風(fēng)險(xiǎn)造成導(dǎo)軌故障。

3.2 應(yīng)用效果

收集了2019—2021年在用導(dǎo)軌故障信息并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示采取改進(jìn)措施后，2020年和2021年的反扭矩梁故障和焊縫裂紋故障次數(shù)比改進(jìn)前2019年對(duì)應(yīng)的故障次數(shù)大幅度降低。改進(jìn)前與改進(jìn)后故障數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 改進(jìn)前和改進(jìn)后故障數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

1）應(yīng)用故障樹分析方法，建立了頂驅(qū)導(dǎo)軌故障樹模型，找出最小割集，對(duì)其結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，反扭矩梁螺栓松動(dòng)、連接件損壞、焊工技能和責(zé)任心不足、焊接坡口尺寸超差這4個(gè)基本事件結(jié)構(gòu)重要度最大，是導(dǎo)軌故障的主要原因。

2）針對(duì)主要原因，給出了改進(jìn)措施。通過(guò)改進(jìn)措施的實(shí)施，使導(dǎo)軌故障次數(shù)明顯降低，證明構(gòu)建的事故樹結(jié)構(gòu)合理，提出的基于事故樹的導(dǎo)軌故障分析方法切實(shí)可行。

3）對(duì)導(dǎo)軌故障進(jìn)行了初步分析，但由于現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境和工況的復(fù)雜多變性，以及導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，需要在以后的研究中繼續(xù)挖掘影響導(dǎo)軌故障的原因，進(jìn)一步豐富和完善導(dǎo)軌故障樹分析。