防喷器控制系统的可靠性分析

孟少辉 何伟红 方志猛 张立刚

北京石油机械厂 （北京 100083）

防喷器控制系统是钻井控制系统的核心设备之一，用于控制防喷器的开启和关闭,其质量和可靠性对钻井作业的安全至关重要。故障树分析法（Fault Tree Analysis，简称FTA）可分析系统的各种故障状态，不仅可分析某些元器件故障对系统的影响，还可以对导致这些元器件故障的特殊原因（如环境因素、人为因素）进行分析，适合于防喷器控制系统的可靠性分析。

API 16D中规定:钻井井口控制设备的控制系统是按照客户的要求设计的，在指定一个特别复杂的控制系统（例如使用深水的部件）时，买方可先规定一个正式的可靠性分析等级。其目的之一是识别出不可接受的失效概率。作为设计过程的一部分，失效分析可以帮助避免单点失效模式以及确定易损件[1]。根据防喷器控制装置的生产、ERP系统不合格品检验单、液控配件的销售和大量油田回访资料，以常用气控型的防喷器控制系统标准配置为例，建立了防喷器控制系统的故障树，并对故障树进行定性分析，找出易导致防喷器控制系统不能正常工作的故障点，最后，针对这些薄弱环节，提出了相应的改进措施。

1 结构组成

1.1 可靠性设计方法介绍

图1 防喷器控制系统可靠性框图

可靠性模型是为预计或评估系统的可靠性而建立的可靠性框图及其数学模型[2,3]。建立系统可靠性模型时，采用的假设主要有：①系统及其组成单元只有故障与正常2种状态，不存在第三种状态；②图1中每个方框表示的单元或功能所产生的故障会造成这个系统发生故障；③就故障概率来说，不同方框表示的不同功能或单元的故障率相互独立；④系统所有输入在规定极限之内，即不考虑由输入错误引起的系统故障；⑤当软件可靠性没有纳入系统可靠性模型时，应假设整个软件是完全可靠；⑥当人员可靠性没有纳入系统可靠性模型时，应假设人员是完全可靠的，而且人员与系统之间没有相互作用的问题。

1.2 防喷器控制系统可靠性分析方法

防喷器控制系统操作是通过司钻控制台或辅助控制台经空气管缆与远程控制台连接,再通过管排架、液压软管、万向自封接头控制井口防喷器组。广泛使用的气控型标准配置包括：远程控制台、司钻控制台或辅助控制台、空气管缆、管排架、液压软管、万向自封接头、保护房。研究防喷器控制系统可靠性时，由于时间和精力有限，假定井场气源、人员及保护房完全可靠。只对防喷器控制系统的可靠性进行研究。防喷器控制系统的基本可靠性反映了防喷器控制系统可能发生的故障引起维修及保障性要求。使用基本可靠性模型和故障树对防喷器控制系统进行可靠性分析。

1.3 防喷器控制系统可靠性框图

可靠性框图表示系统中各单元之间的功能关系，用直观方法表现能使系统完成基本任务的可靠性要求的各种串—并联等方框组合。

根据防喷器控制系统的各组成部分的连接关系和实现的功能，得到防喷器控制系统的可靠性框图，如图1所示。

2 故障树建立

2.1 故障树分析法介绍

故障树分析可以让分析者对系统有更深入的认识，对有关系统结构、功能、故障及维护保障知识更加系统化，从而使在设计、制造、使用和维护过程中可靠性的改进更富有成效[4]。

建立故障树的步骤：①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：如说明书、原理图、结构图和设计说明等；试验资料：如试验报告、故障记录等；使用维护资料：如维修故障、维修记录等；用户信息：如质量保证期的故障信息、重大故障的详细分析报告等；②选择顶事件；③建造故障树；④简化故障树。

2.2 防喷器控制系统的故障树建立

根据防喷器控制装置的生产、ERP系统不合格品检验单、液控配件的销售和大量油田回访资料，以常用气控型防喷器控制系统的标准配置为例，选择防喷器控制系统不能正常工作作为顶事件T，建立的防喷器控制系统的故障树如图2所示。

以直接导致防喷器控制系统不起作用的各种因素组合作为次顶事件，由远程控制台故障P1、远程操作不起作用P2、系统压力降低太快P3组成。进一步对远程控制台故障P1、司钻控制台故障E1、辅助控制台故障E2建立故障树，分别如图3～图5所示。

3 故障树定性分析

图2 防喷器控制系统故障树

图3 远程控制台故障树

图4 司钻控制台故障树

图5 辅助控制台故障

故障树定性分析实质上就是寻找最小割集。割集是故障树中一些底事件的集合，当底事件发生时，顶事件必然发生。若割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集，此时就是最小割集。求解最小割集的方法很多，最常用的是下行法和上行法。

下行法根据故障树的实际结构，从顶事件开始，逐级向下查寻，找出割集。与门只增加割集阶数，不增加割集个数；或门只增加割集个数，不增加割集阶数。最后将得到的割集两两比较，去掉那些非最小割集，剩下的就是全部最小割集[5]。

用下行法对司钻控制台故障树求解最小割集如表1所示。由表1得到7个最小割集：{C54}，{C55}，{C47}，{C48}，{C49}，{C56}，{C41}。以此为例，求解出防喷器控制系统故障树共有155个最小割集。

表1 下行法求解司钻控制台最小割集

4 改进措施

通过对防喷器控制系统故障树的定性分析，找出防喷器控制系统的主要故障形式和引起故障的因素。针对这些故障因素，提出提高防喷器控制系统的可靠性的措施。

（1）针对滤油器堵塞、污物堵塞管路、接头等导致的系统故障问题，提出解决方法：一是改进装配工艺，保证油箱、管路的油管装配过程中的洁净，加入系统的液压油要求清洁；二是加强过滤，增加过滤框或油箱过滤系统[6]。

（2）引起元件泄漏的密封件及易损件，在出厂时均提供配件，使得影响元件寿命的关键件在损坏时能够及时更换，保证防喷器控制系统的正常使用，提高产品的可靠性。

（3）针对不同环境因素，设计时选用适合工况的零件，或表面特殊的加工工艺，或局部加强措施，避免产品失效，提前控制产品的可靠性。

（4）设计中容易磨损部件，更换耐磨材料或采用新的工艺或表面处理方法，提高零件的可靠性，如阀件中一些零件经过元件试验，材料易损的已经更换为更耐磨材料。

（5）重要关键零件如蓄能器、电泵、气泵、溢流阀、卸荷阀、减压阀等都经过严格的元件试验和整机试验的检验，必须同时达到试验标准才能出厂。

（6）加强使用说明书对产品使用和维护要求的描述，加强产品标识和用户培训，避免由于基本操作错误引起的可靠性问题，提高产品基本可靠性。

5 结论

以常用气控型防喷器控制系统为例，建立了防喷器控制系统的故障树模型，考虑了56个基本事件。对故障树进行定性分析，以司钻控制台故障树分析为例，得出防喷器控制系统由155个最小割集组成，找出了系统的薄弱环节。针对薄弱环节提出了从设计、生产、销售、使用等各环节的提高产品可靠性的一般措施。

基于生产实践和设计资料建立的防喷器控制系统的故障树模型，为以后气控型防喷器控制系统的更加深入、细化的可靠性分析奠定了基础，为现场故障分析提供了参考，也为电控型或其他特殊配置的防喷器控制系统的可靠性分析提供了参考，为以后客户要求设计一个特别复杂的控制系统时，买方可先规定一个正式的可靠性分析等级进行系统可靠性分析提供了指南。

[1]SY/T 5053.2-2007钻井井口控制设备及分流设备控制系统规范[S].

[2]李良巧.机械可靠性设计与分析[M].北京：国防工业出版社，1998.

[3]牟致忠.机械可靠性—理论·方法·应用[M].北京:机械工业出版社,2011.

[4]孟少辉.高压气地下储气井安全系统研究[D].成都:西南石油大学，2005.

[5]陈丽霞,刘清友,单代伟,等.防喷器控制系统故障树的建立与定性分析[J].石油矿场机械,2008,37（10）:64-67.

[6]孟少辉,李英,张立刚,等.防喷器控制控制装置液压油强制过滤系统设计[J].石油矿场机械,2011,40（4）:50-53.