深水防喷器控制系统换向阀可靠性试验研究

张东平(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)

深水防喷器控制系统换向阀可靠性试验研究

张东平
(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)

研究深水防喷器控制系统换向阀的可靠性对海洋钻井安全具有十分重要的意义。通常，一个阀件的失效可能会导致系统故障，带来无法估量的损失。参照相关标准制订了可靠性试验方案、故障判定和统计原则，对随机抽取的12台换向阀进行了模拟真实工作环境的试验。对换向阀失效模式及寿命次数进行了统计分析，得出了换向阀可以达到预期平均无故障工作时间的结论。为深水防喷器控制系统的国产化和工程应用奠定基础。

防喷器；控制系统；换向阀；可靠性

深水防喷器及控制系统是保证深水钻井作业安全的关键设备，其作用是控制井口压力，保证人员、设备安全，避免海洋环境污染和油气资源破坏[1]。深水防喷器及控制系统在钻井工作过程中的主要故障模式包括：防喷器故障、换向阀故障、梭阀故障、节流压井闸阀故障、电磁阀故障、调压阀故障、管线泄露，这些故障占到防喷器系统故障模式总数的25%[2]。深水防喷器及控制系统一旦出现故障，需要将隔水管总成和防喷器完全起出进行维修，至少造成14 d停机时间，这将会给钻井承包商造成巨大的经济损失[3-4]。因此对深水防喷器组及控制系统的可靠性要求非常高。

换向阀是深水防喷器控制系统的关键部件，对换向阀进行可靠性试验研究非常必要。换向阀按照换向方式的不同，可以分为电磁换向阀、电液动换向阀、液动换向阀和手动换向阀。本文所研究的换向阀需要工作在3 000 m的深水区，且操作压力比较高[5]，要求换向平稳、开关迅速、安全可靠，所以选择液压先导控制的液动换向阀。

1 技术分析

1.1 主要结构

深水防喷器控制系统换向阀是一种板式安装的插装阀，其结构组成主要包括阀体、阀罩、阀芯、弹簧、密封板、阀盖等，如图1所示。此换向阀为液压先导控制的两位三通阀，设计有4个工作口，分别为供给口、功能口、泄荷口和先导口，换向阀各部件均由高强度不锈钢材料制造，满足换向阀工作压力高、耐海水外压、耐海水腐蚀的特殊要求。

1—阀盖；2—活塞；3—压板；4—弹簧；5—阀杆；6—垫板；7—上密封板；8—阀罩；9—阀芯；10—下密封板；11—阀体。图1 换向阀结构示意

1.2 主要技术参数

供给口工作压力(差压)

35 MPa

功能口工作压力(差压)

35 MPa

先导口工作压力(差压)

21 MPa

最小开启压力(差压)

13.6 MPa

开启液量

9.9 cm3

工作温度

-29～65 ℃

2 试验方案及要求

深水防喷器系统换向阀的可靠性试验方案，参考GJB 899A—2009[6]标准制定。为保证试验具有代表性，要求受试产品样本必须采用相同方法、稳定工艺装配完成的合格产品，并且采用随机抽样方式取得试验样本。试验样本量原则上越多越好，综合考虑成本、时间等因素，选取12台换向阀进行试验。试验前，对试验样本进行编号并做好清晰的标记，按要求安装到试验台上，对试验设备和检测仪器按规定进行检查。试验模拟实际工况，以保证试验结果的真实性。试验期间要做好产品监测和记录，发现故障时要停机仔细检查、分析，并按规定措施处理故障后方可继续试验。换向阀每完成一次动作循环，记为一次。试验采用定时截尾试验，截至时间为5 000次/台，分析换向阀能否达到平均无故障工作时间5 a目标。

3 故障记录处理

3.1 故障判定

按照GJB 451A—2005标准[7]的定义，故障是指产品不能执行规定功能的状态。在规定条件下工作的深水防喷器控制系统换向阀，其故障的表现形式有：

1) 产品的一个或多个性能参数超出规定范围。

2) 产品的结构、组件、元件等发生破裂、断裂或损坏。

3) 产品不能工作或丧失部分规定的功能。

故障判据是判定产品是否发生故障的标准和依据，试验过程中必须严格按照故障判据判定产品所处的状态。经故障判据判定的故障信息应详细记录，内容包括故障时间、故障模式、故障机理和故障影响等。在试验过程中，故障产品的撤出、重新投入试验不能影响其他在试产品，并且应连续记录试验数据。

3.2 故障统计原则

产品的故障统计应遵循下列原则：

1) 产品独立故障引起的从属故障，不计入故障次数。

2) 经证实由同一原因引起的多种故障模式，只记一次故障；不能证实由同一原因引起的多个故障，视为独立故障单独记录。

3) 产品零部件的轻微缺陷，若不影响产品的功能和使用要求，并且不需要停机就能够轻易排除的故障，不计入故障次数。

4) 按计划实施的产品清洁、易损件更换等预防性维护措施，不计入故障次数。

5) 试验数据信息的收集，要满足真实性、连续性和完整性的基本要求。

4 试验过程

4.1 试验设备

深水防喷器控制系统换向阀的可靠性试验设备，如图2所示，主要由操作台、液压站、高压舱、司钻面板、绞车等组成[8]，可以模拟换向阀的真实工作环境。高压舱试验装置具备模拟3 000 m深水条件下对控制系统换向阀进行测试的能力，为深水防喷器控制系统换向阀的试验提供了测试平台，试验能力在国内外同行业中居领先水平。

1—操作台；2—液压站；3—高压舱；4—司钻面板；5—绞车。图2 可靠性试验设备

4.2 试验步骤

1) 从采用相同方法、稳定工艺装配完成的合格产品中，应用随机抽样方法抽取换向阀12台。

2) 将试验样本编号并做好清晰的标记，并按要求安装到试验台上，试验设备、检测仪器应符合相关规定。

3) 试验过程中应做好产品的故障监测和记录，发现故障时要仔细检查、分析，按规定处理后方可继续试验。

4) 换向阀循环动作，累计动作次数达到5 000次/台时停止试验。

5) 按要求对故障信息进行分类和统计，为试验数据分析奠定基础。

5 换向阀的试验数据分析

根据试验方案的要求，按照制定的试验大纲进行试验，并按规定对受试产品的失效信息进行记录和统计，得到换向阀的可靠性试验数据，如表1所示。

表1 换向阀可靠性试验失效信息统计

表1(续)

威布尔分布是可靠性分析中常用的寿命分布，大量试验数据证明许多元件与设备的寿命分布都是威布尔分布，因此，选择威布尔分布模型作为应用模型进行分析[9-11]。

威布尔分布的故障分布函数与故障概率密度函数分别为：

F(t)=1-e-(λt)m

(1)

f(t)=λm(λt)m-1e-(λt)m

(2)

式中：m为形状参数；λ为尺度参数。

从一批产品中随机抽取n个样品进行定时截尾寿命试验，其截尾时间为τ，在截尾时间之前有r个样品失效，其试验数据为：

t1≤t2≤…≤tr≤τ

若产品寿命分布为W(m，λ)，则试验数据的对数似然函数为：

(3)

对对数似然函数求导，可得到似然方程为：

(4)

其威布尔分布的平均寿命为：

(5)

其威布尔分布的可靠度估计为：

(6)

当t=5 000时，通过式(6)计算得换向阀的可靠度为R(t)=97.35。

从以上试验数据和计算结果分析，当威布尔分布的形状参数m>1时，换向阀的寿命分布为耗损型威布尔分布，换向阀的平均寿命达到4 860次，按照换向阀每年动作次数700次计算，其足以达到平均无故障工作时间5 a目标。

6 结论

1) 试验结果表明，换向阀的换向过程平稳可靠，执行机构能够实现相应动作，能够达到预定的平均无故障工作时间5 a的目标，对于保证深水防喷器控制系统可靠性及海洋钻井安全具有重要意义。

2) 通过此次试验，可以对换向阀失效原因进行分析，从产品设计和加工制造两个方面入手，优化结构尺寸，提高加工制造水平，进一步提高换向阀的可靠性。

3) 通过对换向阀可靠性试验方案和数据分析方法的研究，为分析深水防喷器控制系统中其他液压元件的可靠性提供借鉴。

[1] 吴国辉，许宏奇，陈艳东，等.国内外深水防喷器控制系统的发展[J].石油矿场机械，2015，44(9)：1-4.

[2] BOP FAILURE MODE EFFET CRITICALITY ANALYSIS (FMECA)-3 FOR THE BSEE[R].BSEE，2013.

[3] McKay，Jim.Blowout Prevent(BOP) Health Monitoring[C]//IADC/SPE Drilling Conferene.2012.

[4] Faller，Karl.Condition based maintenance holds potential for improving equipment reliability，performance[J].Drilling Contrator，2009(10)：50-52.

[5] 李博.深水海底防喷器组液压控制系统设计研究[D].东营：中国石油大学( 华东)，2009.

[6] GJB 899A—2009，可靠性鉴定和验收试验[S].

[7] GJB 451A—2005，可靠性维修性保障性术语[S].

[8] 顾和元，侯国庆，郭雪，等.水下防喷器组控制系统深水模拟试验装置研制[J].石油矿场机械，2013，42(4)：1-5.

[9] 郭永基.可靠性工程原理[M].北京：清华大学出版社，2002.

[10] 丁湛，黄双华.基于威布尔分布的可靠性寿命分布模型的建立[J].电子测量技术，2007，30(3)：34-35.

[11] 黄官升，吴纬.高速响应电磁阀可靠性试验研究[J].北京理工大学学报，1998，18(3)：311-315.

Experimental Research on Reliability of Directional Control Valve Deepwater BOP Controlled System

ZHANG Dongping
(HebeiRongshengManufactureLtd.ofHuabeiOilfield，Renqiu062552，China)

It has great significance to research the reliability of directional control valve deepwater bop control system.Usually the valve failure will cause system fault and bring immeasurable loss.According to the relevant standards，the reliability test plan，fault judgment and statistical principle are developed to lay twelve random selected valves in real working environment to test.The failure modes and life times of valve are counted and analyzed.It is concluded that the directional valve can achieve expected mean time between failures.It can lay the foundation for engineering application and localization of deepwater bop control system.

BOP；control system；directional control valve；reliability

2016-11-24

国家高技术研究发展计划(863计划)“深水防喷器组及控制系统工程化研制”(2013AA09A220)

张东平(1984-)，男，内蒙古赤峰人，工程师，现主要从事深水防喷器控制系统方面的研究工作，E-mail：13931761845@163.com。

1001-3482(2017)03-0033-04

TE921.507

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.007