油气田水下生产系统的可靠性评估.pdf

第3 5 卷第4 期 2 0 1 6 0 4 试验研究 油气田水下生产系统的可靠性评估 陈卫东 徐春龙 张 飞 石磊 许江 涛 摘 要 油 气 田水 下 生产 系统如 果 发 生故 障 ，将会 给 整 个 企 业带 来 巨大的 经 济损 失 ，并 可能导致极 大的环境 问题 ，因此水下生产 系统的可靠性尤为重要 。基 于可靠性框 图分 析 方 法 ，全 面分 析 了 南海 油 气 田某 水 下 生 产 系统 ，评 估 出该 系统 的 失效 率和 MT T F ， 其 中主控站的 MT T F最小，只有 8 0 7 1 ． 0 h ，是 系统的最薄弱环 节。另外 ，液压动力单 元、水下阻塞模块 、水下采油树和管f E 模块是 系统 次一级的薄弱环节。该评估结果对 今后 水 下 生产 系统 的设计 选择 和 维修方 案有 一定 的指 导 和借鉴 意 义。 关键词水下生产系统 ；结构组成 ；可靠性框图；可靠度 ；薄弱环节 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 - 6 8 9 6 ． 2 0 1 6 ． 4 ． 0 0 6 Rel i abi l i t y ua t i on of Subs ea Pr oduc t i on Sys t em i n t he O i l and Gas Fi el d Ch e n W e i d o n g ，Xu Ch u n l o n g ， Zh a n g F e i ，S h i L e i ，Xu j i a n g t a o A bs t r ac t I f t h e s u b s e a p r o d uc t i on s y s t e m f d i l s i n t h e oi l a n d g a s ’ fie l d． i t wi l I l e a d t o g r e a t e c o no m i c l o s s f o r t he wh al e p r o du c t i on a n d e no r mou s p r ob l e m of e n vi r o nme nt ． Th e r e - f o r e， t h e r e l i a bi l i t y of s u bs e a pr od u c t i o n s y s t e m i s pa r t i c u l a r l y i mpo r t a n t ． Ba s e d o n t h e a n a l y s i s me t h o d o f RB D Re l i a b i l i t y B l o c k Di a g r a m ． a n a l y z i n g t h e s u b s e a p r o d u c t i o n s y s t e m c amp l e t e l y i n t h e oi l a n d g a s fie l d o f s ou t h Chi n a s e a ．E v a l u a t e d t h e f a i l u r e r a t e of t h i s s y s t e m a n d M TTF， t h e M TTF i n ma i n c on t r oI s t a t i on i s t h e m j ni m u m 。 on l y 8 0 71 ． 0 h． i s t h e mo s t we a k l i n k o f t h e s y s t e m ． I n a d di t i on ，t he h y dr a u l i c p o we r un i t ，t h e s u b s e a bl oc k i n g mo du l e． s u bs e a t r e e a n d ma n i f o I d mod ul e i s t he s e c o nd l e v e l o f t h e we a k l i nk o f s y s t e m． Thi s e v a l u a t i o n r e s u l t ha s c e r t a i n gu i d a n c e a n d r e f e r e n c e s i gn i fic a n c e f o r s u b s e a p r o du c t i o n s y s t e m f u t u r e d e s i gn c ho i c e s a nd ma i n t e n a n c e s c h e me ． K e y wor d s S U b s e a pr o du c t i on s y s t e m ；s t r u c t u r e c amp os i t i on；R BD；r e l i a bi l i t y ；we a k l i n k s 处于海洋环境 中的水下生产系统受着极其复杂 的环境载荷 ，如果发生故障 ，将会给整个油气 田企 业带来 巨大的经济损失 ，并可能导致极大的环境 问 题 。因此水 下 生产 系统 的可靠 性尤 为 重要 。 目前 ，国外在水下生产系统的可靠性方面已经 有 了一定程度的研究 ，而我国在这方面仍处于起步 阶段 。文 献【 1 2 】 从可用性的角度 ，评估了水下生 产系统持续生产 的能力。文献【 3 】 基于逐段决定马氏 过程 ，对海上油气生产系统进行 了动态的可靠性分 析 。文献【 4 】 从保障性的角度阐述了如何确保水下生 产 系统 的安 全 。文献 [ 5 】 阐述 了AP I 1 7 N所 执 行 的水 下生产系统可靠性与技术风险管理技术。然而大部 分研究工作并没有系统地对水下生产系统进行可靠 性分析 。文献【 6 】 对海上油气生产设施进行 了R A M R e l i a b i l i t y A v a i l a b i l i t y a n d Ma i n t a i n a b i l i t y 分 析 ， 而不 是整 个水 下生 产 系统 。 针对 以上不 足 ，本文基于可靠性框 图分析方 法 ，对水下生产系统展开 了全面分析 ，评估出系统 的可靠度 ，并基于评估 的系统可靠度 ，分析并给出 系统 的薄弱环 节 。 1 水下生产 系统 南海油气 田某水下生产 系统包含 5口海底井 ， 分别 为 A1 、 A 2 H、A 3 H、A 4 H和 A 5 。这 些 海 底 井 的 当前 位 置 与 D P S C S C E P中 央处 理平 台距 离 约 1 7 ． 8 k m A 5 和 2 7 ． 6 k m A 1 、 A 2 H、 A 3 H 和 基金论 文 国家工业与信息化部海洋工程装备项目 “ 水下生产系统设计及关键设备研发 一期” E 一 0 8 1 3 C 0 0 3 专项经费资助 国家自然币 斗 学基金面上项目 “ 基于异类冗余执行ili兀 j fi勾 的超声速往返飞行器可重构控制研究” 1 1 3 7 2 0 8 0 资助。 哈尔滨工程大学航天 与建筑工程学 院 海洋石油股份 有限公 司设 计公 司 油气 田地面工程 h t t p d l w w w ． y q t d m g c ． c o m 1 5 第 3 5 卷第 4 期 【 2 0 1 6 ． 0 4 试 验 砥 究 妻 要 銎 可 靠 性 框 图 模 型 ， 综 合 计 算 出 整 个 系 3 结 论 统 的 可 靠 度 唧 。 一～ 首先 ，计算两单元并联后 的等价故障率。 R ． 1 一 n ￡ 一 e x p 一 A e x p 一 A ． t 4 数学期望 MT T F 为 MT T F I tf t d t J 0 R ． t d t 1 一 卜 。 p 一 A ‘ 5 ’ 上 上 一 Al A 2 Al A 式中 ， f 为产品的概率密度函数。 另外 M TT F． ．f e x p 一 A 1R t d t A 6 ． 一 d 丁 6 将式 5 代 人式 6 ，可得单元并联后 的等 价故障率 ，即 A ． 1 一 7 , 1 1 Al A 2 A1 A 2 然后 。将系统看成是 n 个单元 串联而成 ，计算 得 出系统的可靠度 。由公式 8 得出串联 系统故 障率 的表达式 9 和系统MT T F的表达式 1 0 。 。 nR e x p 一 A 。 t 兀e x p 一 A t 8 e x P l 一 ∑ A I ＼ l 1 ／ A 。 ∑A ； 9 MT T F 。 1 0 几 。 将 表 1中各 单 元 的 故 障 率 带 人 公 式 5 、 7 、 9 和 1 0 ， 得 出 系 统 的 MT T F值 为 1 6 1 0 ． 2 h， 同 时 可 以 计 算 出 各 个 组 成 单 元 的 MT T F ，如 表 1 所 示 。经计 算 ，主控站 的 MT T F最 小 ，只 有 8 0 7 1 ． 0 h，是 系统 的最 薄 弱环 节 。另 外 ，液压动力单元 、水下阻塞模块 、水下采油树和 管汇模块是系统次一级的薄弱环节。虽然水下阻塞 模 块 、 采 油 树 和 管 汇 模 块 的 故 障 率 分 别 为 1 5 ． 8 2 x 1 0 h ～、 1 7 ． 7 91 0 h I 1和 2 3 ． 9 71 0 h ～， 但是由于系统中采用了多个相应 的单元串联 ，因此 等 效 的 故 障 率 分 别 为 7 9 ． 1 l O h ～ 、 8 8 ． 9 5 X 1 0 h 和 9 5 ． 8 8 l 0 h ～，与液压 动力单 元的故障 率 8 3 ． 4 5 1 0 h 是 同一量级 的，因此在设计 、制 造和装配阶段都应该对这些单元格外关注。 油气 田地面工程 h t t p g ／ w ww ． g q t d mg c ． { 0 11 1 水下生产系统如果发生故障 ，将会给整个企业 带来 巨大 的经济损 失 ，并可能导致极大 的环境问 题 ，因此水下生产系统的可靠性尤为重要。基于可 靠性框 图分析方法 ，全面分析了南海某水下生产系 统 ，评估 出该系统的失效率和 MT T F，分析并 给出 系统的最薄弱环节和次一级薄弱环节 ，这对今后水 下生产系统的设计选择和维修方案有一定 的指导和 借鉴意义。 参 考 文献 [ 1 】AV EN， T E RJ E． Av a i l a b i l i t y e v a l u a t i o n o f o i l a n d g a s p r o d u c t i o n a n d t r a n s p o r t a t i o n s y s t e ms [ J ] ． Re l i a b i l i t y E n g i n e e r - i n g ，1 9 8 7 ，1 8 1 3 5 - 4 4 ． 【 2 】 KAWAUCHI Y，RAUS AND M． A n e w a p p r o a c h t o p r o d u c t i o n r e g u l a r i t y a s s e s s me n t i n t h e o i l a n d c h e mi c a l i n d u s t r i e s [ J ] ． Re l i a b i l i t y E n g i n e e r i n g S y s t e m S a f e t y， 2 0 0 2， 7 5 3 3 7 9 3 8 8 ． [ 3 】 Z HANG Hu i l o n g ，I NNAL F a r e s ，DUF OUR F r a n c o i s ，e t a 1． P i e c e wi s e De t e r mi n i s t i c Ma r k o v P r o c e s s e s b a s e d a p p r o a c h a p - p l i e d t o a n o ff s h o r e o i l p r o d u c t i o n s y s t e m[ J ] ． Re l i a b i l i t y En g i - n e e r i n g a n d S y s t e m S a f e t y ，2 0 1 4，1 2 6 6 1 2 6 -1 3 4 ． 【 4 】 尹 丰．南海某 气 田水下生产 系统可靠性保 障设计【 J 】 ．石 油 矿场 机械 ，2 0 1 2 ，4 1 7 2 3 2 5 ． 【 5 ] 琚选 择 ，姜瑛 ，尹汉 军 ，等 ．基 于 A P I 1 7 N的水下 生产 系统 可靠性 与技 术风 险管理 [ J ] ． 中 国海 洋平 台 ，2 0 1 4 ， 2 9 3 3 5 - 3 9 ． 【 6 】 侯 广信 ，周 晓红 ，王文祥 ，等．海上油气生产设施 可靠 性 、可用性及 可维修性分析 研究[ J 】 ．石油化工安全 环保 技 术 ，2 0 1 4 ，3 0 3 2 8 3 0 ． 【 7 ] 海洋石油 工程设计 指南 编委会．海洋 石油工程 深水 油气田开发技术一海洋石油工程设计指南 第1 2 册[ M】 ． 北京 石油工业 出版社 ，2 0 1 1 9 9 ． 【 8 】 卢 彦玲 ，李新 娥 ，王亚军 ．可靠 性框 图在 电子 测压器可 靠 性 分 析 中 的 应 用 [ J 1 ． 探 测 与 控 制 学 报 ，2 0 1 3 ，3 5 4 4 4 4 8 ． [ 9 】 曾声奎．可靠性设计与分析[ M] ．北京 北京航空航天大 学 出版社 ，2 0 1 3 1 2 - 1 8 ． 作者 简 介 陈卫东 教授 ，博 士生 导师 ，主要从事结构 可靠性及 优化 设 计 、爆 炸力 学 的研 究 工 作 ， 1 8 3 4 5 1 5 6 6 8 4 ，c h e n w e i d o n g h r b e u ． e d u ． c n ，黑 龙江省哈尔滨市南 岗区南通大街 1 4 5 号 哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院 ，1 5 0 0 0 1 。 收稿 日期 2 0 1 5 1 0 1 4 栏 0缡辑 扬军 1 7