孟少輝 何偉紅 方志猛 張立剛

北京石油機械廠 （北京 100083）

防噴器控制系統(tǒng)是鉆井控制系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，用于控制防噴器的開啟和關(guān)閉,其質(zhì)量和可靠性對鉆井作業(yè)的安全至關(guān)重要。故障樹分析法（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）可分析系統(tǒng)的各種故障狀態(tài)，不僅可分析某些元器件故障對系統(tǒng)的影響，還可以對導(dǎo)致這些元器件故障的特殊原因（如環(huán)境因素、人為因素）進行分析，適合于防噴器控制系統(tǒng)的可靠性分析。

API 16D中規(guī)定:鉆井井口控制設(shè)備的控制系統(tǒng)是按照客戶的要求設(shè)計的，在指定一個特別復(fù)雜的控制系統(tǒng)（例如使用深水的部件）時，買方可先規(guī)定一個正式的可靠性分析等級。其目的之一是識別出不可接受的失效概率。作為設(shè)計過程的一部分，失效分析可以幫助避免單點失效模式以及確定易損件[1]。根據(jù)防噴器控制裝置的生產(chǎn)、ERP系統(tǒng)不合格品檢驗單、液控配件的銷售和大量油田回訪資料，以常用氣控型的防噴器控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置為例，建立了防噴器控制系統(tǒng)的故障樹，并對故障樹進行定性分析，找出易導(dǎo)致防噴器控制系統(tǒng)不能正常工作的故障點，最后，針對這些薄弱環(huán)節(jié)，提出了相應(yīng)的改進措施。

1 結(jié)構(gòu)組成

1.1 可靠性設(shè)計方法介紹

圖1 防噴器控制系統(tǒng)可靠性框圖

可靠性模型是為預(yù)計或評估系統(tǒng)的可靠性而建立的可靠性框圖及其數(shù)學(xué)模型[2,3]。建立系統(tǒng)可靠性模型時，采用的假設(shè)主要有：①系統(tǒng)及其組成單元只有故障與正常2種狀態(tài)，不存在第三種狀態(tài)；②圖1中每個方框表示的單元或功能所產(chǎn)生的故障會造成這個系統(tǒng)發(fā)生故障；③就故障概率來說，不同方框表示的不同功能或單元的故障率相互獨立；④系統(tǒng)所有輸入在規(guī)定極限之內(nèi)，即不考慮由輸入錯誤引起的系統(tǒng)故障；⑤當(dāng)軟件可靠性沒有納入系統(tǒng)可靠性模型時，應(yīng)假設(shè)整個軟件是完全可靠；⑥當(dāng)人員可靠性沒有納入系統(tǒng)可靠性模型時，應(yīng)假設(shè)人員是完全可靠的，而且人員與系統(tǒng)之間沒有相互作用的問題。

1.2 防噴器控制系統(tǒng)可靠性分析方法

防噴器控制系統(tǒng)操作是通過司鉆控制臺或輔助控制臺經(jīng)空氣管纜與遠(yuǎn)程控制臺連接,再通過管排架、液壓軟管、萬向自封接頭控制井口防噴器組。廣泛使用的氣控型標(biāo)準(zhǔn)配置包括：遠(yuǎn)程控制臺、司鉆控制臺或輔助控制臺、空氣管纜、管排架、液壓軟管、萬向自封接頭、保護房。研究防噴器控制系統(tǒng)可靠性時，由于時間和精力有限，假定井場氣源、人員及保護房完全可靠。只對防噴器控制系統(tǒng)的可靠性進行研究。防噴器控制系統(tǒng)的基本可靠性反映了防噴器控制系統(tǒng)可能發(fā)生的故障引起維修及保障性要求。使用基本可靠性模型和故障樹對防噴器控制系統(tǒng)進行可靠性分析。

1.3 防噴器控制系統(tǒng)可靠性框圖

可靠性框圖表示系統(tǒng)中各單元之間的功能關(guān)系，用直觀方法表現(xiàn)能使系統(tǒng)完成基本任務(wù)的可靠性要求的各種串—并聯(lián)等方框組合。

根據(jù)防噴器控制系統(tǒng)的各組成部分的連接關(guān)系和實現(xiàn)的功能，得到防噴器控制系統(tǒng)的可靠性框圖，如圖1所示。

2 故障樹建立

2.1 故障樹分析法介紹

故障樹分析可以讓分析者對系統(tǒng)有更深入的認(rèn)識，對有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、故障及維護保障知識更加系統(tǒng)化，從而使在設(shè)計、制造、使用和維護過程中可靠性的改進更富有成效[4]。

建立故障樹的步驟：①收集并分析系統(tǒng)及其故障的有關(guān)資料，包括系統(tǒng)的設(shè)計資料：如說明書、原理圖、結(jié)構(gòu)圖和設(shè)計說明等；試驗資料：如試驗報告、故障記錄等；使用維護資料：如維修故障、維修記錄等；用戶信息：如質(zhì)量保證期的故障信息、重大故障的詳細(xì)分析報告等；②選擇頂事件；③建造故障樹；④簡化故障樹。

2.2 防噴器控制系統(tǒng)的故障樹建立

根據(jù)防噴器控制裝置的生產(chǎn)、ERP系統(tǒng)不合格品檢驗單、液控配件的銷售和大量油田回訪資料，以常用氣控型防噴器控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置為例，選擇防噴器控制系統(tǒng)不能正常工作作為頂事件T，建立的防噴器控制系統(tǒng)的故障樹如圖2所示。

以直接導(dǎo)致防噴器控制系統(tǒng)不起作用的各種因素組合作為次頂事件，由遠(yuǎn)程控制臺故障P1、遠(yuǎn)程操作不起作用P2、系統(tǒng)壓力降低太快P3組成。進一步對遠(yuǎn)程控制臺故障P1、司鉆控制臺故障E1、輔助控制臺故障E2建立故障樹，分別如圖3～圖5所示。

3 故障樹定性分析

圖2 防噴器控制系統(tǒng)故障樹

圖3 遠(yuǎn)程控制臺故障樹

圖4 司鉆控制臺故障樹

圖5 輔助控制臺故障

故障樹定性分析實質(zhì)上就是尋找最小割集。割集是故障樹中一些底事件的集合，當(dāng)?shù)资录l(fā)生時，頂事件必然發(fā)生。若割集中所含的底事件任意去掉一個就不再成為割集，此時就是最小割集。求解最小割集的方法很多，最常用的是下行法和上行法。

下行法根據(jù)故障樹的實際結(jié)構(gòu)，從頂事件開始，逐級向下查尋，找出割集。與門只增加割集階數(shù)，不增加割集個數(shù)；或門只增加割集個數(shù)，不增加割集階數(shù)。最后將得到的割集兩兩比較，去掉那些非最小割集，剩下的就是全部最小割集[5]。

用下行法對司鉆控制臺故障樹求解最小割集如表1所示。由表1得到7個最小割集：{C54}，{C55}，{C47}，{C48}，{C49}，{C56}，{C41}。以此為例，求解出防噴器控制系統(tǒng)故障樹共有155個最小割集。

表1 下行法求解司鉆控制臺最小割集

4 改進措施

通過對防噴器控制系統(tǒng)故障樹的定性分析，找出防噴器控制系統(tǒng)的主要故障形式和引起故障的因素。針對這些故障因素，提出提高防噴器控制系統(tǒng)的可靠性的措施。

（1）針對濾油器堵塞、污物堵塞管路、接頭等導(dǎo)致的系統(tǒng)故障問題，提出解決方法：一是改進裝配工藝，保證油箱、管路的油管裝配過程中的潔凈，加入系統(tǒng)的液壓油要求清潔；二是加強過濾，增加過濾框或油箱過濾系統(tǒng)[6]。

（2）引起元件泄漏的密封件及易損件，在出廠時均提供配件，使得影響元件壽命的關(guān)鍵件在損壞時能夠及時更換，保證防噴器控制系統(tǒng)的正常使用，提高產(chǎn)品的可靠性。

（3）針對不同環(huán)境因素，設(shè)計時選用適合工況的零件，或表面特殊的加工工藝，或局部加強措施，避免產(chǎn)品失效，提前控制產(chǎn)品的可靠性。

（4）設(shè)計中容易磨損部件，更換耐磨材料或采用新的工藝或表面處理方法，提高零件的可靠性，如閥件中一些零件經(jīng)過元件試驗，材料易損的已經(jīng)更換為更耐磨材料。

（5）重要關(guān)鍵零件如蓄能器、電泵、氣泵、溢流閥、卸荷閥、減壓閥等都經(jīng)過嚴(yán)格的元件試驗和整機試驗的檢驗，必須同時達到試驗標(biāo)準(zhǔn)才能出廠。

（6）加強使用說明書對產(chǎn)品使用和維護要求的描述，加強產(chǎn)品標(biāo)識和用戶培訓(xùn)，避免由于基本操作錯誤引起的可靠性問題，提高產(chǎn)品基本可靠性。

5 結(jié)論

以常用氣控型防噴器控制系統(tǒng)為例，建立了防噴器控制系統(tǒng)的故障樹模型，考慮了56個基本事件。對故障樹進行定性分析，以司鉆控制臺故障樹分析為例，得出防噴器控制系統(tǒng)由155個最小割集組成，找出了系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。針對薄弱環(huán)節(jié)提出了從設(shè)計、生產(chǎn)、銷售、使用等各環(huán)節(jié)的提高產(chǎn)品可靠性的一般措施。

基于生產(chǎn)實踐和設(shè)計資料建立的防噴器控制系統(tǒng)的故障樹模型，為以后氣控型防噴器控制系統(tǒng)的更加深入、細(xì)化的可靠性分析奠定了基礎(chǔ)，為現(xiàn)場故障分析提供了參考，也為電控型或其他特殊配置的防噴器控制系統(tǒng)的可靠性分析提供了參考，為以后客戶要求設(shè)計一個特別復(fù)雜的控制系統(tǒng)時，買方可先規(guī)定一個正式的可靠性分析等級進行系統(tǒng)可靠性分析提供了指南。

[1]SY/T 5053.2-2007鉆井井口控制設(shè)備及分流設(shè)備控制系統(tǒng)規(guī)范[S].

[2]李良巧.機械可靠性設(shè)計與分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[3]牟致忠.機械可靠性—理論·方法·應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[4]孟少輝.高壓氣地下儲氣井安全系統(tǒng)研究[D].成都:西南石油大學(xué)，2005.

[5]陳麗霞,劉清友,單代偉,等.防噴器控制系統(tǒng)故障樹的建立與定性分析[J].石油礦場機械,2008,37（10）:64-67.

[6]孟少輝,李英,張立剛,等.防噴器控制控制裝置液壓油強制過濾系統(tǒng)設(shè)計[J].石油礦場機械,2011,40（4）:50-53.