尹豐　文雨欣　余曦冉　岳元龍　左信

摘 要 為進(jìn)一步從水下生產(chǎn)控制緊急關(guān)斷系統(tǒng)的整體到局部開展可靠性研究，提高系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性，采用層次分析法對(duì)水下生產(chǎn)控制緊急關(guān)斷系統(tǒng)開展可靠性分配研究，將給定的可靠性指標(biāo)合理分配至水下緊急關(guān)斷系統(tǒng)的各設(shè)備單元，通過實(shí)例驗(yàn)證了可靠性分配方法的有效性。為水下緊急關(guān)斷系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)提供合理化的指導(dǎo)，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)并提高產(chǎn)品選型質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 層次分析法 緊急關(guān)斷系統(tǒng) 水下生產(chǎn)控制 可靠性分配

中圖分類號(hào) TP202+.1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? ?文章編號(hào) 1000-3932（2023）04-0507-07

目前，水下油氣生產(chǎn)設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程緩慢，多數(shù)設(shè)備仍處于設(shè)計(jì)階段，尚未成功投產(chǎn)。由于國外技術(shù)封鎖，國內(nèi)仍需大量采購水下生產(chǎn)系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品，進(jìn)行組裝后再投產(chǎn)。

在水下生產(chǎn)控制緊急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，通常需要綜合考慮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求、功能需求分析、產(chǎn)品調(diào)研后，才能進(jìn)行產(chǎn)品選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這與設(shè)備產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)密不可分［1］。因此，對(duì)水下緊急關(guān)斷（Emergency Shutdown，ESD）系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分配，可為相關(guān)設(shè)備的產(chǎn)品選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供一定的參考［2］。

1 可靠性分配原則

可靠性分配是在給定系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的前提下，將指標(biāo)綜合權(quán)衡后分配給系統(tǒng)中的各設(shè)備單元，以提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)的過程。在該過程中，需充分考慮經(jīng)濟(jì)成本、維修成本、設(shè)備工作環(huán)境等因素，在設(shè)計(jì)要求和眾多影響因素的約束下靈活制定分配原則，各設(shè)備單元的分配值在相互補(bǔ)償后應(yīng)使系統(tǒng)的可靠性水平達(dá)到設(shè)計(jì)要求［3］。如果分配過程中出現(xiàn)不符合成本約束或?qū)嶋H技術(shù)水平發(fā)展的情況，需針對(duì)該問題進(jìn)行調(diào)整，完成二次重新分配，直至分配合理［4，5］。

可靠性分配原則的常見影響因素有：復(fù)雜度、技術(shù)工藝水平、工作環(huán)境、故障概率、故障后果嚴(yán)重程度、維修性等，各因素有對(duì)應(yīng)的分配原則。

2 基于層次分析法的可靠性分配

3 可靠性分配步驟

進(jìn)行可靠性分配，首先需要確定可靠性分配指標(biāo)和評(píng)價(jià)因素集合；然后建立系統(tǒng)層次分析模型，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建判斷矩陣、計(jì)算權(quán)重向量后，進(jìn)一步完成一致性檢驗(yàn)；最后計(jì)算組合權(quán)重向量并完成分配計(jì)算。具體分配分7個(gè)步驟完成。

a. 確定可靠性分配指標(biāo)。可靠性分配指標(biāo)的選取要針對(duì)具體的研究對(duì)象合理判斷。在可靠性分配中，通常選取的指標(biāo)有可靠度、失效率、平均無故障工作時(shí)間等，根據(jù)設(shè)計(jì)要求給定具體數(shù)值作為后續(xù)分配制定的總體目標(biāo)值。

b. 確定評(píng)價(jià)因素集合。系統(tǒng)可靠性分配的評(píng)價(jià)因素是根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)所選取的，例如設(shè)備所處工作環(huán)境、技術(shù)水平、故障影響等。這些評(píng)價(jià)因素從實(shí)際出發(fā)，決定了各設(shè)備單元的分配原則及分配結(jié)果的合理性，是開展后續(xù)可靠性分配工作的關(guān)鍵。

c. 系統(tǒng)層次分析模型的建立。選取系統(tǒng)的評(píng)價(jià)因素集合后，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)層次分析模型如圖1所示。層次分析模型的最高層為目標(biāo)層A，內(nèi)容為系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的可靠性指標(biāo)；中間層為準(zhǔn)則層C，內(nèi)容為影響系統(tǒng)可靠性分配的各種評(píng)價(jià)因素，當(dāng)其數(shù)量越多時(shí)可靠性和精確度越高；最底層為對(duì)象層P，內(nèi)容為待分配系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)單元及其指標(biāo)。該模型的復(fù)雜程度與系統(tǒng)影響因素及設(shè)備數(shù)量相關(guān)，當(dāng)過于復(fù)雜時(shí)，需要簡化模型并再次進(jìn)行層次劃分。

d. 構(gòu)建判斷矩陣。步驟a～c是為了定性梳理層次與各評(píng)價(jià)因素之間的關(guān)系。在層次分析模型的基礎(chǔ)上，為了化抽象的專家決策為具體客觀的數(shù)值，需要計(jì)算對(duì)象與評(píng)價(jià)因素的相對(duì)權(quán)重，即構(gòu)建判斷矩陣。由于各評(píng)價(jià)因素性質(zhì)不同，放在同一尺度下比較存在困難，所以AHP利用對(duì)不同層次指標(biāo)間的兩兩重要性對(duì)比構(gòu)建判斷矩陣，以此解決指標(biāo)性質(zhì)不同的問題。所用尺度是通過標(biāo)度轉(zhuǎn)化而來的，標(biāo)度量化了評(píng)價(jià)因素之間的相對(duì)重要度。常用的標(biāo)度見表1。

4 水下緊急關(guān)斷系統(tǒng)可靠性分配

4.1 可靠性分配指標(biāo)選擇

在選取可靠性分配指標(biāo)時(shí)需要綜合考慮系統(tǒng)中設(shè)備單元的復(fù)雜度、產(chǎn)品的技術(shù)水平、故障特點(diǎn)等因素。對(duì)于實(shí)際工程而言，可靠度可以最直接反映設(shè)備的壽命及運(yùn)行階段。為了使設(shè)計(jì)人員更直觀地獲得可靠性分配結(jié)果，從而更好地理解設(shè)計(jì)需求，選擇可靠度作為可靠性分配指標(biāo)。

根據(jù)水下生產(chǎn)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，水下ESD系統(tǒng)在國產(chǎn)化設(shè)計(jì)時(shí)，其系統(tǒng)可靠度應(yīng)不低于99.0%。由于可靠性分配過程中可能會(huì)出現(xiàn)對(duì)評(píng)價(jià)因素選取考慮得不夠全面細(xì)致等問題，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)部分設(shè)備可靠性指標(biāo)不達(dá)標(biāo)的狀況。因此，為了減少過度分配的問題，在實(shí)際可靠性分配過程中，預(yù)先保留5%～10%的余量。綜上，筆者研究的系統(tǒng)的可靠度設(shè)定為99.5%。

4.2 可靠性分配模型

對(duì)水下ESD系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分配的步驟為：建立系統(tǒng)的可靠性框圖［7］、等效簡化該模型中的單元、確定評(píng)價(jià)因素集合及準(zhǔn)則。

4.2.1 建立系統(tǒng)可靠性框圖

在正常生產(chǎn)時(shí)，水下ESD系統(tǒng)執(zhí)行基本過程控制系統(tǒng)（Basic Process Control System，BPCS）功能，在出現(xiàn)緊急事故時(shí)執(zhí)行安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System，SIS）功能。從水下ESD系統(tǒng)所執(zhí)行的SIS功能角度出發(fā)，將系統(tǒng)劃分為子系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)，建立的系統(tǒng)可靠性框圖模型如圖2所示。

4.2.2 可靠性模型簡化

水下ESD系統(tǒng)的設(shè)備單元所處位置、布局、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、承擔(dān)功能存在一定程度的差異，因此每個(gè)設(shè)備單元的可靠性分配需求也不相同。由于該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成既有串聯(lián)結(jié)構(gòu)也有并聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以一次分配不能一步到位地滿足整個(gè)系統(tǒng)的可靠性分配。為此，筆者采取多次分配的方法。等效簡化系統(tǒng)的可靠性框圖模型后，在一次分配時(shí)把系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配至簡化后的等效單元。在此基礎(chǔ)上再展開二次分配，將可靠度逐級(jí)分配直至每個(gè)設(shè)備底層。簡化后的水下ESD系統(tǒng)可靠性框圖模型如圖3所示。

4.2.3 確定評(píng)價(jià)因素集合及準(zhǔn)則

水下ESD系統(tǒng)的設(shè)備單元長期在海洋環(huán)境或海上平臺(tái)運(yùn)行，在選取評(píng)價(jià)因素時(shí)，需要結(jié)合鶯歌海海域的具體情況。此外，各設(shè)備單元常用產(chǎn)品多為國外品牌，目前也有部分自主研發(fā)產(chǎn)品，因此技術(shù)工藝水平、故障概率及維修性也是重要的影響因素。明確評(píng)價(jià)因素集合的組成部分有：復(fù)雜度、技術(shù)工藝水平、工作環(huán)境、故障概率、故障后果嚴(yán)重程度、維修性。

4.3 構(gòu)建判斷矩陣

4.4 可靠性分配計(jì)算及分析

該系統(tǒng)中各設(shè)備在執(zhí)行SIS功能時(shí)，存在先后響應(yīng)順序，該順序決定了在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)各設(shè)備可靠度要求的高低水平，表3中的分配結(jié)果與之相符。

5 結(jié)束語

分析水下ESD系統(tǒng)可靠性分配的目的及原則，通過層次分析分配法進(jìn)行可靠性分配。首先，建立系統(tǒng)的可靠性分配模型，在水下ESD系統(tǒng)可靠性框圖模型的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行簡化。其次，結(jié)合該系統(tǒng)特點(diǎn)及實(shí)際工程情況選擇合理的評(píng)價(jià)因素，建立系統(tǒng)的層次分析模型。利用該領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)量化各個(gè)評(píng)價(jià)因素對(duì)于整體系統(tǒng)及設(shè)備單元的相對(duì)重要度，在科學(xué)構(gòu)建判斷矩陣的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到可靠性分配系數(shù)?？紤]系統(tǒng)的復(fù)雜程度，采取多次分配法，最終實(shí)現(xiàn)了從系統(tǒng)整體可靠性到局部設(shè)備單元的可靠性分配。研究結(jié)果可以指導(dǎo)水下ESD系統(tǒng)國產(chǎn)化自主設(shè)計(jì)過程，具有一定的工程參考價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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［2］? ?Modibbo Umar Muhammad，Arshad Mohd，Abdalghani Omer，et al.Optimization and estimation in system reliability allocation problem［J］.Reliability Engineering & System Safety，2021，212：107620.1-107620.9.

［3］ 張瑞鴿.系統(tǒng)可靠性分配方法及其應(yīng)用研究［J］.電子世界，2017，39（13）：89.

［4］ 劉超，胡忠前，劉健，等.國產(chǎn)化水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分配研究［J］.石油機(jī)械，2022，50（1）：66-74.

［5］ 柳夢(mèng)雪，劉健，胡忠前，等.基于故障樹的水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分配［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2022，51（1）：37-44.

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（收稿日期：2022-10-18，修回日期：2023-02-22）

Reliability Allocation Method for Emergency Shutdown

System of Subsea Production Control

YIN Feng WEN Yu-xin YU Xi-ran YUE Yuan-long ZUO Xin

（1. CNOOC Research Institute Co.， Ltd.； 2. College of Information Science and Engineering，

China University of Petroleum （Beijing））

Abstract? ?For purpose of investigating the emergency shutdown systems reliability from the whole to the

part in the control of subsea production， and improving the reliability of both the system and equipment， the analytic hierarchy process was employed for the reliability allocation research and having the given reliability index reasonably allocated to each equipment unit of the subsea emergency shutdown system. Some examples verified effectiveness of the reliability allocation method and it would provide rational guidance for the reliability design to improve the quality of product selection.

Key words? ?analytic hierarchy process， emergency shutdown system， subsea production control， reliability allocation