水下生产控制紧急关断系统的可靠性分配方法

尹丰　文雨欣　余曦冉　岳元龙　左信

摘 要 为进一步从水下生产控制紧急关断系统的整体到局部开展可靠性研究，提高系统及设备的可靠性，采用层次分析法对水下生产控制紧急关断系统开展可靠性分配研究，将给定的可靠性指标合理分配至水下紧急关断系统的各设备单元，通过实例验证了可靠性分配方法的有效性。为水下紧急关断系统可靠性设计提供合理化的指导，进而优化设计并提高产品选型质量。

关键词 层次分析法 紧急关断系统 水下生产控制 可靠性分配

中图分类号 TP202+.1   文献标识码 A   文章编号 1000-3932（2023）04-0507-07

目前，水下油气生产设备国产化进程缓慢，多数设备仍处于设计阶段，尚未成功投产。由于国外技术封锁，国内仍需大量采购水下生产系统的相关产品，进行组装后再投产。

在水下生产控制紧急关断系统的设计阶段，通常需要综合考虑相关标准要求、功能需求分析、产品调研后，才能进行产品选型和系统设计，这与设备产品的可靠性指标密不可分［1］。因此，对水下紧急关断（Emergency Shutdown，ESD）系统进行可靠性分配，可为相关设备的产品选型及结构设计与优化提供一定的参考［2］。

1 可靠性分配原则

可靠性分配是在给定系统可靠性指标的前提下，将指标综合权衡后分配给系统中的各设备单元，以提供设计指导的过程。在该过程中，需充分考虑经济成本、维修成本、设备工作环境等因素，在设计要求和众多影响因素的约束下灵活制定分配原则，各设备单元的分配值在相互补偿后应使系统的可靠性水平达到设计要求［3］。如果分配过程中出现不符合成本约束或实际技术水平发展的情况，需针对该问题进行调整，完成二次重新分配，直至分配合理［4，5］。

可靠性分配原则的常见影响因素有：复杂度、技术工艺水平、工作环境、故障概率、故障后果严重程度、维修性等，各因素有对应的分配原则。

2 基于层次分析法的可靠性分配

3 可靠性分配步骤

进行可靠性分配，首先需要确定可靠性分配指标和评价因素集合；然后建立系统层次分析模型，在此基础上构建判断矩阵、计算权重向量后，进一步完成一致性检验；最后计算组合权重向量并完成分配计算。具体分配分7个步骤完成。

a. 确定可靠性分配指标。可靠性分配指标的选取要针对具体的研究对象合理判断。在可靠性分配中，通常选取的指标有可靠度、失效率、平均无故障工作时间等，根据设计要求给定具体数值作为后续分配制定的总体目标值。

b. 确定评价因素集合。系统可靠性分配的评价因素是根据系统特点所选取的，例如设备所处工作环境、技术水平、故障影响等。这些评价因素从实际出发，决定了各设备单元的分配原则及分配结果的合理性，是开展后续可靠性分配工作的关键。

c. 系统层次分析模型的建立。选取系统的评价因素集合后，设计的系统层次分析模型如图1所示。层次分析模型的最高层为目标层A，内容为系统应实现的可靠性指标；中间层为准则层C，内容为影响系统可靠性分配的各种评价因素，当其数量越多时可靠性和精确度越高；最底层为对象层P，内容为待分配系统的各个子系统单元及其指标。该模型的复杂程度与系統影响因素及设备数量相关，当过于复杂时，需要简化模型并再次进行层次划分。

d. 构建判断矩阵。步骤a～c是为了定性梳理层次与各评价因素之间的关系。在层次分析模型的基础上，为了化抽象的专家决策为具体客观的数值，需要计算对象与评价因素的相对权重，即构建判断矩阵。由于各评价因素性质不同，放在同一尺度下比较存在困难，所以AHP利用对不同层次指标间的两两重要性对比构建判断矩阵，以此解决指标性质不同的问题。所用尺度是通过标度转化而来的，标度量化了评价因素之间的相对重要度。常用的标度见表1。

4 水下紧急关断系统可靠性分配

4.1 可靠性分配指标选择

在选取可靠性分配指标时需要综合考虑系统中设备单元的复杂度、产品的技术水平、故障特点等因素。对于实际工程而言，可靠度可以最直接反映设备的寿命及运行阶段。为了使设计人员更直观地获得可靠性分配结果，从而更好地理解设计需求，选择可靠度作为可靠性分配指标。

根据水下生产及控制系统设计的相关标准可知，水下ESD系统在国产化设计时，其系统可靠度应不低于99.0%。由于可靠性分配过程中可能会出现对评价因素选取考虑得不够全面细致等问题，有时会出现部分设备可靠性指标不达标的状况。因此，为了减少过度分配的问题，在实际可靠性分配过程中，预先保留5%～10%的余量。综上，笔者研究的系统的可靠度设定为99.5%。

4.2 可靠性分配模型

对水下ESD系统进行可靠性分配的步骤为：建立系统的可靠性框图［7］、等效简化该模型中的单元、确定评价因素集合及准则。

4.2.1 建立系统可靠性框图

在正常生产时，水下ESD系统执行基本过程控制系统（Basic Process Control System，BPCS）功能，在出现紧急事故时执行安全仪表系统（Safety Instrumented System，SIS）功能。从水下ESD系统所执行的SIS功能角度出发，将系统划分为子系统级和设备级，建立的系统可靠性框图模型如图2所示。

4.2.2 可靠性模型简化

水下ESD系统的设备单元所处位置、布局、结构复杂度、承担功能存在一定程度的差异，因此每个设备单元的可靠性分配需求也不相同。由于该系统的结构组成既有串联结构也有并联结构，所以一次分配不能一步到位地满足整个系统的可靠性分配。为此，笔者采取多次分配的方法。等效简化系统的可靠性框图模型后，在一次分配时把系统可靠性指标分配至简化后的等效单元。在此基础上再展开二次分配，将可靠度逐级分配直至每个设备底层。简化后的水下ESD系统可靠性框图模型如图3所示。

4.2.3 確定评价因素集合及准则

水下ESD系统的设备单元长期在海洋环境或海上平台运行，在选取评价因素时，需要结合莺歌海海域的具体情况。此外，各设备单元常用产品多为国外品牌，目前也有部分自主研发产品，因此技术工艺水平、故障概率及维修性也是重要的影响因素。明确评价因素集合的组成部分有：复杂度、技术工艺水平、工作环境、故障概率、故障后果严重程度、维修性。

4.3 构建判断矩阵

4.4 可靠性分配计算及分析

该系统中各设备在执行SIS功能时，存在先后响应顺序，该顺序决定了在进行系统设计时各设备可靠度要求的高低水平，表3中的分配结果与之相符。

5 结束语

分析水下ESD系统可靠性分配的目的及原则，通过层次分析分配法进行可靠性分配。首先，建立系统的可靠性分配模型，在水下ESD系统可靠性框图模型的基础上对其进行简化。其次，结合该系统特点及实际工程情况选择合理的评价因素，建立系统的层次分析模型。利用该领域专家知识量化各个评价因素对于整体系统及设备单元的相对重要度，在科学构建判断矩阵的基础上，计算得到可靠性分配系数。考虑系统的复杂程度，采取多次分配法，最终实现了从系统整体可靠性到局部设备单元的可靠性分配。研究结果可以指导水下ESD系统国产化自主设计过程，具有一定的工程参考价值。

参 考 文 献

［1］ ISMAGILOV F，VAVILOV V，KARIMOV R，et al.Combined Method of Technical Analysis to Optimize the Aviation Electromechanical Systems Reliability Indicators［C］//2021 28th International Workshop on Electric Drives：Improving Reliability of Electric Drives（IWED）.Piscataway，NJ：IEEE，2021：27-29.

［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］ 张瑞鸽.系统可靠性分配方法及其应用研究［J］.电子世界，2017，39（13）：89.

［4］ 刘超，胡忠前，刘健，等.国产化水下油气生产系统可靠性分配研究［J］.石油机械，2022，50（1）：66-74.

［5］ 柳梦雪，刘健，胡忠前，等.基于故障树的水下生产系统可靠性分配［J］.石油矿场机械，2022，51（1）：37-44.

［6］ 程强，孙东洋，刘志峰，等.基于模糊数和AHP的数控机床可靠性分配方法［J］.组合机床与自动化加工技术，2020，62（2）：34-37；42.

［7］ VANDERLEY D V，WELLINGTON A S，ANT？魺NIO C L D C，et al.Use of Reliability Block Diagram and Fault Tree Techniques in Reliability Analysis of Emergency Diesel Generators of Nuclear Power Plants［J］.International Journal of Mathematical：Engineering and Management Sciences，2019（4）：814-823.

（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