基于故障树的水下连接器可靠性分析

中国船级社 万 波 孙政策 海洋石油工程股份有限公司 姜瑛 曹永 北京石油化工学院 陈景皓

随着深海石油的开发，水下生产系统（包括水下采油树、水下管汇、水下连接器等生产工具）在海洋石油开发中将得到越来越广泛的应用。水下连接器作为水下生产系统中的一个重要设备，其功能为实现水下生产设施之间的安全、可靠连接。如水下采油树与跨接管，水下管汇与跨接管，跨接管与PLET之间的连接。水下连接器长期置于海底，受到各种载荷和环境因素的作用。由于水下连接器的更换需要专门的船只，更换费用非常昂贵，应尽量避免在工作寿命内出现置换。因为其长期受海底环境及载荷作用，因此对水下连接器的可靠性分析是一个必须的过程。

常用的可靠性分析方法有FMEA、故障树法、马尔可夫法等。国内外学者利用这些方法对水下生产系统的可靠性及故障分析开展了很多研究工作。史建东和弓大为以H-4型水下连接器现场使用中出现的故障现象为例，通过对H-4型水下连接器的结构原理进行分析，寻找连接器在现场使用时发生脱不开的故障的原因，并提出了预防的措施。赵红等人采用FMEA法分析了影响深水防喷器控制系统可靠性的潜在危险因素以及薄弱环节。Frank利用可靠性分析工具来提高水下系统的可靠性，采用FMECA法分析执行机构，采用故障树法分析控制阀，采用可靠性框图法分析液压动力单元。Lee等人采用可靠性框图的方法对水下生产系统进行定量分析。薛鲁宁等人采用马尔可夫法对水下防喷器的可靠性进行研究。Caroline等人基于API RP 17N分析水下生产系统的可靠性和可用性来改善项目的整体设计。

本文在分析水下连接器失效模式及失效原因的基础上采用故障树法对水下连接器驱动环的可靠性进行定性分析。寻找影响水下连接器驱动环可靠性的关键因素，为其设计和使用提供参考依据。

水下连接器驱动环故障树模型的建立

在事故定性与定量分析方法方面，故障树分析（FTA），是一种公认的推导事故与引导因素间关系，同时能进行定性与定量分析的评估技术。FTA具有可在事故未发生前加以评量事故发生的可能性，以改善和提高安全性的优点。过去30年来，FTA在国外经历广泛的应用而证明其实用性甚高。根据以下步骤建立水下连接器驱动环的故障树模型：

1）广泛收集并分析系统及其故障的有关资料。包括系统的设计资料、试验资料、使用维护资料、用户信息等。深入了解、熟悉，同时调查分析对象以往发生过的事故及事故类型。水下生产系统设备的可靠性数据，可通过查阅相关的数据库和手册得到，如OREDA。

2）选择顶事件。顶事件的选取，根据分析目的的不同，分别选取对系统技术性能、经济性、可靠性和安全性影响显著的故障事件。本文选择驱动环失效为顶事件。

3）建造故障树。故障树是一种特殊的倒立树状因果关系逻辑图。用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各事件之间的因果关系。对于复杂系统，建树时应按照系统层次逐级展开，利用故障树专用的事件和逻辑门符号将故障树事件之间逻辑推理关系表达出来。逻辑门的输入事件是输出事件的“因”，逻辑门的输出事件是输入事件的“果”。因此，建立水下连接器驱动环的故障树模型如图1所示。

图1 水下连接器驱动环故障树模型

水下连接器驱动环可靠性定性分析

故障树定性分析的目的在于寻找导致顶事件发生的原因事件及原因事件的组合，即识别导致顶事件发生的所有故障模式集合，帮助分析人员发现潜在的故障，发现设计的薄弱环节，以便改进设计，还可用于指导故障诊断，改进使用和维修方案。即寻找图1所示的水下连接器驱动环故障树模型的最小割集，求最小割集的方法常用的有上行法和下行法。

本文采用下行法进行求解。下行法是根据故障树的实际结构，从顶层事件开始，逐层向下寻查，找出割集。规则就是遇到“与门”增加割集阶数（割集所含底事件数目），遇到“或门”增加割集个数。具体做法就是把从顶事件开始，逐层在向下寻查的过程横向列表，遇到“与门”就将其输入事件取代输出事件排在表格的同一行下一列内，遇到“或门”就将其输入事件在下一列纵向依次展开，直到到达故障树的最底层。依据上述原则，对第2节所建立的水下连接器驱动环故障树模型进行定性分析，寻找割集。见表1，共得到21个割集，均为最小割集：

｛X1，X4，X2，X3｝，｛X1，X5，X2，X3｝，｛X1，X6，X2，X3｝，｛X1，X7，X2，X3｝，｛X1，X8，X2，X3｝，｛X9｝，｛X10｝，｛X11｝，｛X12｝，｛X13｝，｛X14｝，｛X15｝，｛X16｝，｛X17｝，｛X18｝，｛X22，X19｝，｛X22，X20｝，｛X22，X21｝，｛X23，X19｝，｛X23，X20｝，｛X23，X21｝，

表1 下行法求水下连接器驱动环故障树割集

步骤 1 2 3 4 M10 X16 X17 X13 X18 X14 X22,M12 X17 X23,M12 X18 X22,X19 X22,X20 X22,X21 X23,X19 X23,X20 X23,X21

结构重要度分析

故障树是由众多基本事件构成的，这些基本事件对顶事件均产生影响，但影响程度不同。在制定安全防范措施时，必须有个先后次序、轻重缓急，以便使系统达到经济、有效、安全的目的。结构重要度分析在缺乏定量分析数据的情况下，不考虑基本事件发生的概率是多少，仅从故障树结构上分析各基本事件的发生对顶事件发生的影响程度，用重要度系数表示：

式中，Ik(i)为重要度系数，Xi为第i个基本事件，k为最小割集的个数，n为基本事件的个数，mr为Er最小割集中基本事件的个数。

根据公式（1）计算出各个基本事件的重要度系数为：

从上述计算可知事件的结构重要度关系为：

结论

1. 本文对水下连接器驱动环失效模式及失效原因进行分析，建立了故障树模型。采用下行法对水下连接器故障树模型进行求解，得到21个最小割集。通过对结构重要度分析得到X22，X23，X1，X2，X3结构重要度系数较大。由此可见，二次锁紧失效和腐蚀失效对水下连接器驱动环的影响程度较大。通过对导致驱动环失效的主要影响因素进行控制和重点预防，可将事故发生的可能性降到最低，并针对失效事故提前制定处理方案。

2. CCS可提供的服务：

（1） 水下生产系统、控制系统的设计审查；

（2） 产品的原型试验鉴定；

（3）水下生产设备、控制设备、分离设备、增压设备鉴证检验：

制造过程检验；

工厂/出厂试验（FAT）；

延伸工厂试验（EFAT）；

系统完整性试验（SIT）；

场地接收试验（SAT）；

安装与回收等。

3. 客户获益：

（1）水下生产系统包括控制系统与设备符合我国主管机关（国家安监生产监督总局）的相应要求；整个水下生产系统获得CCS签发的符合证书。

（2）水下生产设备、控制设备、分离设备、增压设备等产品获得CCS签发的“海上固定设施产品检验证书”。

（3）新产品的设计获得CCS的认可。