深海钻井平台井控系统可靠性分配.pdf

2 O 1 0 年 第 3 9卷 第 1 期第 3 1 页 石 油 矿 场 机 械 OI L FI EL D EQUI P MENT 文 章 编 号 1 0 01 3 4 8 2 2 01 0 01 00 31 - 0 4 深海钻井平 台井控系统可靠性分配 刘 翔 ， 张 金 中 中国 石 油 大 学 华 东 机 电 工 程 学 院 ， 山 东 东 营 2 5 7 0 6 1 摘要 深海钻井平 台的井控 系统是保证钻井作业安全的关键设备 ， 其 可靠性是 一个重要指标， 可靠 性分配是可靠性设计的一个重要 环节。概述 了利用模糊层次分析法进行 可靠性分配的原理及一般 步骤 ； 针对深海平 台防喷 系统的复杂情况， 采取先简化模型再二次分配的方法， 多次运用层次分析 法 完成对 系统 的 可靠性 分 配 。 关 键词 井控 系统 ； 可靠性 分 配 ； 层 次 分析 法 中图分 类号 TE 9 5 1 文献 标 识码 A Re l i a b i l i t y Al l o c a t i o n f o r W e l l Co n t r o l S y s t e m o f Dr i l l i n g Pl a t f o r m I I U Xi a n g， ZHANG J i n z h o n g Co l l e g e o fMe e h a n a l a n d El e c t p i c a I En gi n e e r i n g， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t As t he k e y e qu i pme n t f o r dr i l l i ng o pe r a t i on s a f e t y，t he r e l i a b i l i t y o f we l l c on t r ol s ys t e m i s a n i mp or t a nt i nd e x． Re l i ab i l i t y a l l oc a t i o n i s a n i mpo r t a n t l i nk of r e l i a bi l i t y de s i g n． Fi r s t t he pr i nc i pl e a nd ge n e r a l s t e ps of r e l i a bi l i t y a l l o c a t i o n ba s e d on Ana l yt i c H i e r a r c hy Pr o c e s s a r e gi v e n ． A c c o r d i ng t o t he c o mpl e x c o nd i t i o ns of de e p s e a pl a t f or ms，f i r s t s i m p l i f y t he mo de l ，t h e n a l l o c a t e f o r s e c o nd t i m e ． The a l l o c a t i o n i s c o m p l e t e d b y us i ng mul t i p l e AH P． Ke y wo r d swe l l c o nt r o l s y s t e m ； r e l i a bi l i t y a l l o c a t i o n； a n a l y t i c hi e r a r c hy pr o c e s s 随着南 海深 水 油 气 田的 勘 探 开 发 ， 深 海 钻 井 平 台的研 究设 计 已成 为 国家“ 十一 五” 计 划 的重 大科 研 课题之一。钻井平台的井控系统是保证钻井作业安 全 的关键 设备 ， 其 作 用 是 在 发 生 井 喷 或 井 涌 时 控 制 4 钻 机从 TN C系 统改 造 为 TN S或 TN C S的方 法是 将 VF D／ MC C房 内 的 P E N母 排 改 造 为 P E和 N 母 排 ； 将 VF D／ MC C房井 场 动 力 输 出 统一 为三 相 P E四芯输 出 ， 将 照 明输 出统 一 为单 相 N P E三芯输 出 ； 将 井 场 电机 统一 为三 角 形 接 法 ； 将 井场 电机启 动器 控制 电压 统一 为 3 8 0 V。 5 接地 保 护加 漏 电保 护器 适 合 于 固定 场 所 ， 不适 合频 繁搬 家 的钻 井 队 。钻 井 队 采 用 接 零 保 护 时 ， 应 同时采用 T N C S或 T N S系 统 、 总 等 电位 联 结和 TN C S或 T N - S系统等综 合措施 ， 同时应加 强 井 口压力 ； 在 台风 等 紧急情 况 下关 闭井 口 ， 保 证人 员 和设备安全 ， 避免海洋 环境污染 和油气资源破 坏。 井控系统故障带来 的损失无法估量 ， 因此其可靠性 就 成 为衡 量设 计成 功 与否 的关键 指标 。 对 P E N 线 、 N 线 、 P E线 和 总 等 电 位 联 结 母 线 和 辅 助等 电位 联结 线 的检查 和维 护 。 参 考 文 献 [ 1 ] G B - I 6 5 1 9 8 3 ， 工业 与 民用 电力装 置 的接 地设计 规 范 I s ] ． [ 2 ] G B 1 4 0 5 0 2 0 0 8 ， 系 统 接 地 的型 式 及 安 全 技 术 要 求 E s ] ． [ 3 ] J G J 4 6 -- 2 0 0 5 ， 施工现场 临时用电安全技术规范[ s ] ． [ 4 ] 董云飞 ， 戴树 涛 ， 马士平． Z J 7 0 L型钻机全 网电拖 动技 术 改造方案[ J ] ． 石油 矿场 机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 6 8 4 8 7 ． 收 稿 日期 2 0 0 9 0 7 0 8 作者简介 刘翔 1 9 8 5 一 ， 男 ， 山东东营人 ， 硕士研究生 ， 主要研究 方向为机械设计及理论 ， E - ma i l l x i a n g ． 1 u e x g ma i l ． c o rn。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0年 1 月 系统可靠性分配是可靠性设计 的重要 内容之 一 ，在系统 设计初 期 ， 根 据需要 和 国内外 同类 产 品的 水平 及实 际生产能 力 ， 首 先要提 出 一个 可靠 性指标 。 可靠性分配就是将系统要求的可靠度指标合理地分 配给 系统 的各 个组 成单元 。 钻井 平 台井控 系 统是 一个 包 含 了串 、 并 联 单元 的复杂系统 ， 影响可靠性分配的因素较多， 例如技术 水平 、 故 障后果 等 无 法进 行 定 量 的描 述 。在 现有 的 分 配方法 中， 有些 只针 对 串联 系 统 的失 效 率 进行 分 配 ， 例如 比例 分 配 法 、 AGR E E法 ， 有 些 则 只考 虑 复 杂度和重 要度 ， 对 影 响 因 素 的考 虑 不够 全 面 j 。本 文在 前人研 究 的基 础 上。 采 取 先 简化 模 型 再 二次 分 配 的方法 ， 多次运 用 模糊 层 次 分 析法 完 成 对平 台井 控 系统的可靠 性分 配 。 l 模糊层次分析 法的一般步骤 1 ． 1建立层 次模 型 建立 层次模 型是 层次 分析法 的第 l 步 。在深入 分析所要 研究 的 问题 之后 ， 将 问题 中所 包 含 的 因素 划 分为不 同层次 ， 包括 最高层 、 中问层和最 低层 。其 中最高层 是 目标 层 A， 表示 可靠 性分 配 所要 达 到 的 目标 ； 中间层是 准则层 C， 对应 影 响 可靠 性分 配 的各 种 因素 ， 例 如技术 水平 、 复杂 程度 、 工 作环 境等 ； 最低 层是 对象层 P， 对应 组成 系统 的各 单元 。 1 ． 2构造判 断矩 阵 在 建 立层 次 结构 模 型后 ， 上 下 层次 之 间 因素 的 隶属关 系就被 确 定 了 ， 在 此 基 础上 ，需 要 对 每 一层 次 中各 因素 的相对重 要性做 出判 断 。在层 次分 析 法 中 ， 为 了使 判断 量化 ， 将 这些 判断 通过 引入合适 的标 度 用数值 表示 出来 ， 写 成判 断矩 阵 D 。判 断矩 阵 D 表示 针对上 一层 次 的某 因素 ， 奉层 次 与之 有关 因素 之 间相对 重要性 的 比较 ， 通 常 可 引用 表 1给 出 的标 度方 法判 断矩 阵 。 表 1判 断矩 阵标 度 标度 a 、 含 义 O 2， 4， 6， 8 倒数 1 ／ a ， 二元素 同样重要 i 元素 比 元素稍重要 i 元素 比 元素 明 重要 i 冗素 比 元素 明显非常重要 i 元素比 冗素叫显极端重要 为 述相邻判断 的中间值 1 ／ “ 表示 元素 比i 兀素 的结果 1 ． 3 计 算权 向量及 一致性 检验 对每一个判断矩阵计算最大特征根 。 及对应 的特征向量 ∞， 权重 向量通常采用和法或根法 2种 简易算 法 。 1 ． 3 ． 1 和 法 对 判断矩 阵 D 每行诸元 求和 ， 即 ∞ 一 ∑a i l ， 2 ， ⋯ ， ” 1 Jl 规 范化后 得权 重 向量 为 n ∑口 ∞ }i 一1 ， 2 ， ⋯， n 2 ∑ ∑a k一1 j l 1 ． 3 ． 2根 法 对判断矩阵 D每行诸元求几何平均， 即 ∞ Ⅱ。 音 i 一 1 ， 2 ， ⋯ ， n 3 J一 1 规范化 后得权 重 向量 为 Ⅱ ＆ i 三 ， 1 ∑ Ⅱ＆ 音 一 1 一 】 在构造判断矩阵时 ， t i t 于专家意见可能会产生 分歧 ， 加上重要性等级赋值具有非等 比性 ， 构造出的 判断矩阵很难严格满足一致性 ， 因此对判断矩阵做 一 致性检 验 ， 只有矩 阵 的不 一致 性 在 可接 受 的 范 围 内， 下面的计算结果才是合理 的。本文通过计算一 致性 比例 C ． R． 对 判 断矩 阵做 一致 性检 验 ， 即 厂 、r c． R 一 5 c． J ． 一 6 一』 式 中 ， 为 判 断 矩 阵 的 阶 数 ； R． ． 为 随 机 一 致性 指 标 ， 可通 过表 2得到 。 当 C ． R． d0 ． 1 时 ， 认 为矩 阵的 不一致 性可 以接 受 ， 特征 向量 ∞ 即 为 权 重 向 量 ， 否 则 需要 重新 构 造 判 断矩 阵 。 1 ． 4计算 组合 权 向量 在得 到 各层 次 局 部 向量 的基 础 上 ， 进 行 组合 权 重向量计算 ， 得到对象层各单元对 目标层的相对重 要程 度 。 设 目标层 A 对准 则层 C 的相对权 重为 ∞‘ 一 ∞ ， ∞ ， ∞ ， ⋯ ， ∞ l T 7 准则 层 的准则 C 对 对 象层 P 的 个单 元 的相 对权重 为 ∞j 一 ∞； ’ ， ∞ ， n ， ⋯ ， ∞ z 一1 ， 2 ， ⋯ ， 忌 8 第 3 9卷第 1 期 刘 翔 ， 等 深海钻井平 台井 控系统可靠性分配 3 3 若串联系统 的故 障率 为 ， 可靠 度为 R ， 那 么 单元 i 分配的故障率为 一 k 1 1 可靠 度为 R 一 R 1 2 2井控 系统可 靠性分配 钻 井 平 台井 控 系统 的核 心 是 水 下 防 喷器 组 合 。 与陆地 钻井 防喷系 统 相 比 ， 由 于深 海 防 喷 系统 安 装 在 水下 几 百甚 至几 千米 ， 因此 系统 的保 养 、 维 修 成本 极 高 。为 了减 少不 必 要 的停 机 损 失 ， 深 水 防喷 器 组 通 常采 取更 多 的冗 余 设 置 ， 通 过 增 加 防喷 器 的数 量 来 提高 井控 系统 整 体 的可靠 性 。 以 AP I R P 5 3推 荐 的 C Rd RAC A 防 喷 器 组 合 为例 进行 可靠 性 分配 ] ， 系统 中包 含有 挠性 接 头 P 、 隔水管 连接 器 P。 、 上 环 形 防喷 器 P 。 、 下 环 形 防 喷器 P 、 单 闸板 防 喷器 P 、 双 闸板 防 喷 器 P。 、 井 口 连 接器 P 和事 故 安 全 阀 组 P E 9 J o ] ， 系 统 工 作 时 间 4 0 d ， 可靠 性 目标 值 R 一0 ． 9 2 。防 喷 系统 可 靠 性 框 图如 图 1 。 图 1 防 喷 系 统 口 ] 靠 性 框 图 由图 1可知 ， 该 系统 是一 个包 含 串 、 并 联 的混 联 系统， 由于安装位置和功能不 同， 构成并联单元 的闸 板 防喷 器和 环形 防 喷 器 所 需 分 配 的 可靠 度 也 不 同 ， 因此 无 法 1次完 成 分 配 ， 需 要 先 将 系 统 等 效 简 化 为 一 个 串联 系 统 再 进 行 分 配 。将 液 压 连 接 器 P。 、 P 等效为单元 B ， 环形防喷器 P。 、 P 等效为单元 B 。 ， 闸板 防 喷器 P 、 P 等 效 为单元 B 。 ， 系 统 的等效 可靠 性 框 图如 图 2 。将 可靠 性 指标 分 配 到 等效 系 统 的各 单 元后 ， 再 以等 效 后 各 单 元 为 对 象 ， 进 行 第 2次 分 配 ， 将 可靠 性指 标分 配 到组件 。 p Pe 图 2 防 喷 系 统 等 效 可 靠 性 框 图 选 取 单元 的复 杂 程 度 、 技 术 水 平 、 维 修 费 用 、 故 障后 果 4方 而 因素 作 为 评 价 因素 集 ， 建 立 系统 可 靠 性分 配 的层 次模 ， 型 如 图 3 。 图 3 防喷系统可靠性分 配层次模 型 综 合 专家 意 见 ， 构 造判 断矩 阵为 r l 1 ／ 3 1 ／ 5 1 ／ 9 } 3 1 1 ／ 3 1 ／ 7 D． ． 一 【 【 5 3 t 1 ／ 5 L 9 7 5 1 D 1 ／ 5 1 1 3 1 1 ／ 7 1 ／ 3 1 ／ 3 1 1 ／ 3 1 ／ 5 1 1 3 1 5 1 1 3 l l 5 5 7 5 3 4 石 油 矿 场 机 械 2 O 1 0年 1月 D 一 D 一 D 一 1 1 】／ 5 1 1 1／ 5 5 5 1 3 3 1 ／ 3 l l l ／ 5 1 ／ 3 1 ／ 5 1 1 ／ 3 3 1 5 3 1 l／ 3 1 1 ／3 3 1 5 3 7 5 1 l ／ 3 1 ／ 3 1 l ／ 3 1 3 5 1 3 l ／ 3 1 l ／ 7 J ／5 1 ／ 3 1 1 ／ 5 l ／ 3 1 3 5 1 1 ／ 5 1 ／ 7 1 1 ／ 3 1 ／ 5 3 1 l ／ 3 5 3 1 7 1 ／ 5 i ／ 7 1 判断矩 阵 D。的 最 大特 征 值 一 4 ． 1 7 o 7 ， r、 T c 尺 一 午一 0 0 6 3 2 2 o 1 ， 满 足 一 致 性 。 用 同 样 方法 判 断 矩 阵 D 、 、 D。 、 D ， 均 满 足 一 致 性 要 求 。 用和法求 得各 判断矩 阵 的权 向量 为 ∞ 一 O ． 0 4 4 1， 0． 1 1 9 0， 0 ．2 4 6 5， 0 ．5 8 9 5 ∞1 一 O ． 0 39 9， 0． 1 9 0 5， 0． 1 9 0 5， 0 ． 3 88 6， 0 ．1 9 0 5 ∞2 一 O ． 0 8 8 5， 0． 0 8 8 5， 0 ． 47 5 8， 0 ． 2 58 8， 0． 0 8 8 5 ∞。 一 0 ． 0 4 3 3， 0 ．1 1 9 2， 0 ． 26 5 8， 0 ． 4 5 2 5， 0． 1 l 9 2 ∞ 一 0． 0 5 3 3， 0 ．1 5 0 0， 0 ． 2 85 4， 0 ． 4 5 8 0， 0． 0 5 3 3 根据式 9 求得 组合 权 向量 为 1 ， 一 0 ． 0 5 4 5， 0． 1 3 6 8， 0 ．2 9 9 2， 0 ． 4 29 7， 0． 0 79 8 根据式 1 0 求得分配系数 忌 为 尼 l 一 0 ． 41 8 3， 忌 z一 0 ．1 6 6 7， 七3 0 ． 0 76 2， 五 4 0 ． 05 3 1， 忌 5 0． 2 8 5 7 再 由式 1 2 求 出各 单元分 配到 的可靠度 为 RP 1 0 ． 96 5 7， RB 1 0 ． 9 86 2， RB 2 0． 9 9 3 7， RB 3 0 ． 9 95 6， RP 8 0． 9 7 6 5 以 B 。 单元 为例， 将该单元 的可靠度再二 次分 配到组件， 构造判断矩阵并求权 向量及分配系数的 过程 与上述相 同 ， 在 此不再 列 出。 组件 P 、 P 的分配 系 数分 别 为 忌 0 ． 6 2 7 4 ， 尼 P 6 0 ． 3 7 2 6 ， 贝 0 RP 5 一 尺P 6 p 5 P 5一 尺P 6 。 。 。 1 3 根据并联系统 的可靠度计算公式可知 RB 3 1 一 1～ RI 5 1一 RP 6 一 0． 9 9 5 6 将式 1 3 代入 ， 利用 Ma t l a b求解得 RP 6 0 ．9 4 8 4， RP 5 0． 9 6 4 4 用 同样 的 方 法 对 B 、 B。 单 元 的可靠 度 进 行 二 次分配， 得到组件 P 。 、 P。 、 、 P 的可靠度分别为 0 ． 9 9 2 4 、 0 ． 9 2 0 6 、 0 ． 9 2 0 6 、 0 ． 9 9 3 8 ， 即完 成 了 对 整 个平台水下防喷器组合的可靠性分配。 3 结论 1 钻井平台井控系统是一个包含 了串、 并联 模型的混联系统 ， 由于结 构、 安装位置及功能 的不 同， 构成并联单元的组件在可靠性要求上也不相同， 无法通过一次分配完成全部组件的可靠度分配。通 过对系统的等效简化 ， 采用先将可靠度分配到单元 再 通过 二次 分配将 可靠 度 分 配到 组 件 的方 法 ， 能 够 较好地完成 町靠度分配 。 2 对 于故 障后果 、 技 术水 平这 类评价 因素 ， 利 用传 统 的分配方 法 很 难定 量 分 析 ， 利 用层 次 分 析法 可以有效地将这 些因素定量化。在进行二次分 配 时 ， 可根据 待 分 配 组 件 的 实 际 情 况 ， 修 改 评 价 因素 集 ， 删除对评价不再有影响的因素， 适当加入新的评 价 因素 ， 可 使分 配的结 果更 加合理 、 准确 。 参考 文献 [ 】 ] 孙乐仁． 机电产品 可靠性技术 [ M] ． 北 京 机械工业 出 版 社 ， 1 9 8 7 ． [ 2 ] 张安． 地铁 车辆 的可靠性分 配和可靠 性预计 [ J ] ． 质 量 与 可 靠 性 ， 2 0 0 6 7 1 3 1 7 ． [ 3 ] 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