基于蒙特卡羅的立根排放系統(tǒng)可靠性分析

朱曉清， 鄭慶元

（常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州213016）

基于蒙特卡羅的立根排放系統(tǒng)可靠性分析

朱曉清， 鄭慶元

（常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州213016）

立根排放裝置是一種多分布類型的復(fù)雜系統(tǒng)，運(yùn)用蒙特卡羅法對(duì)其運(yùn)行可靠性進(jìn)行分析。對(duì)服從指數(shù)分布和威布爾分布的系統(tǒng)單元進(jìn)行隨機(jī)抽樣，運(yùn)用K-S檢驗(yàn)法得出各回路所服從的壽命分布類型。根據(jù)所得各回路的分布類型，運(yùn)用相同的抽樣方法得出總系統(tǒng)的壽命分布類型以及分布類型參數(shù)，并給出立根排放裝置的運(yùn)行可靠性趨勢(shì)。求得立根排放裝置在運(yùn)行500 h時(shí)的可靠度為0.74。

立根排放裝置；蒙特卡羅；分布類型；可靠性

0 引言

石化行業(yè)在國民生產(chǎn)中所占的地位非常重要，這就要求石化技術(shù)必須與時(shí)俱進(jìn)，通常石油鉆井設(shè)備包括機(jī)械、電磁、液壓等部分。自動(dòng)化立根排放系統(tǒng)是一種新型采油自動(dòng)化設(shè)備，它能替代傳統(tǒng)的人工操作，具有一系列的優(yōu)點(diǎn)。其中自動(dòng)化鉆桿操作系統(tǒng)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在［1］：第一，立根操作系統(tǒng)可以減少鉆臺(tái)平臺(tái)工作人員的數(shù)量，減少企業(yè)的人力財(cái)力投入；第二，立根操作系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)人工來完成一些比較危險(xiǎn)的工作［2］，讓高空作業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，所有動(dòng)作均可通過遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行；第三，立根排放系統(tǒng)可以加快工程的進(jìn)度，單根立根的存取只需要約3 min。隨著立根排放系統(tǒng)的復(fù)雜化，必須對(duì)此類鉆井設(shè)備進(jìn)行可靠度分析，其分析過程也比較復(fù)雜［3］。本文為了得到較高的系統(tǒng)可靠性分析精度，從組成系統(tǒng)的元件開始分析，對(duì)元件所服從的分布類型進(jìn)行考慮，利用蒙特卡羅法研究各回路的壽命分布類型，從而求出總系統(tǒng)的可靠性模型，了解立根排放裝置的運(yùn)行規(guī)律。

1 立根排放系統(tǒng)介紹

立根排放系統(tǒng)由二層臺(tái)操作系統(tǒng)、鉆臺(tái)操作系統(tǒng)和液壓吊卡構(gòu)成，二層臺(tái)和鉆臺(tái)操作系統(tǒng)又分別包含有機(jī)械手等結(jié)構(gòu)。通過3個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同工作可以完成鉆桿從鉆臺(tái)與鉆桿存放區(qū)之間的移動(dòng)，同時(shí)該系統(tǒng)還具有整體移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的功能。

表1 系統(tǒng)元件的可靠性數(shù)據(jù)

鉆臺(tái)排放裝置和二層臺(tái)排放裝置都分別包括：總油路、滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)、機(jī)械手爪機(jī)構(gòu)等回路。各回路之間均為串聯(lián)關(guān)系，二層臺(tái)及鉆臺(tái)的可靠性框圖如圖1所示。

圖1 二層臺(tái)、鉆臺(tái)可靠性框圖

2 立根排放系統(tǒng)可靠性分析

2.1 元件可靠性

根據(jù)立根排放裝置的組成元件，對(duì)其可靠性參數(shù)進(jìn)行查詢，可得到系統(tǒng)中各元件的基本可靠性參數(shù)，見表1。

2.2 各回路可靠性分析

對(duì)各回路中的i個(gè)元件，根據(jù)其壽命分布類型分別進(jìn)行蒙特卡羅抽樣，得到該回路中各元件的一組壽命抽樣值，根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)可靠性原則，各回路可運(yùn)行時(shí)間即為各個(gè)元件中抽樣壽命的最小值。重復(fù)n次抽樣，得到各回路的n組壽命抽樣值，根據(jù)這組抽樣值，通過K-S檢驗(yàn)法［6］對(duì)其服從的壽命分布類型進(jìn)行檢驗(yàn)［7］，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 各回路分布類型的判斷

表3 立根排放系統(tǒng)分布類型判斷

圖2 隨機(jī)抽樣及正態(tài)分布擬合概率圖

2.3 總系統(tǒng)可靠性分析

根據(jù)各個(gè)回路的分布類型分別對(duì)6個(gè)回路進(jìn)行蒙特卡羅抽樣，抽樣方法與子回路抽樣方法相同，得到立根排放系統(tǒng)的n組壽命抽樣值，再用K-S檢驗(yàn)法確定出立根排放系統(tǒng)所服從的分布類型，分析結(jié)果如表3所示。

由表3可知，立根排放系統(tǒng)服從正態(tài)分布和威布爾分布，但因正態(tài)分布的測(cè)量統(tǒng)計(jì)量值較小［8］，故選取正態(tài)分布為立根排放裝置的可靠性分布模型，分布參數(shù)為：均值716，標(biāo)準(zhǔn)差337。蒙特卡羅抽樣結(jié)果和擬合出的正態(tài)分布曲線如圖2所示。

圖3 立根排放系統(tǒng)可靠性趨勢(shì)圖

從圖2可以看出，擬合出的正態(tài)分布曲線與蒙特卡羅的抽樣結(jié)果在運(yùn)行100 h后基本重合。由抽樣數(shù)據(jù)趨勢(shì)線可以看出100 h前的立根排放系統(tǒng)可靠度在98%以上，運(yùn)行比較安全；系統(tǒng)工作500 h，可靠性保持0.74。

3 立根排放系統(tǒng)可靠性規(guī)律

立根排放系統(tǒng)運(yùn)行壽命服從均值為716，標(biāo)準(zhǔn)差為337的正態(tài)分布，據(jù)此繪制出立根排放系統(tǒng)的可靠性趨勢(shì)圖，如圖3（a）；立根排放系統(tǒng)的故障概率密度圖，如圖3（b）；立根排放系統(tǒng)的故障率函數(shù)圖，如圖3（c）。

由圖3（a）可以看出立根排放系統(tǒng)的可靠性趨勢(shì)及系統(tǒng)故障分布趨勢(shì)；由圖3（b）可以看出立根排放系統(tǒng)的故障概率極值點(diǎn)位于700 h左右；由圖3（c）可知，隨著立根排放裝置運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，系統(tǒng)的故障率不斷增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)幅度越來越大。

4 結(jié)論

針對(duì)立根排放系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行研究，給出立根排放裝置的可靠性框圖。組成系統(tǒng)的元件服從指數(shù)分布和威布爾分布兩種壽命分布類型，利用蒙特卡羅法分別對(duì)指數(shù)分布和威布爾分布進(jìn)行抽樣，得出了各回路運(yùn)行壽命所服從的分布類型。利用相同的抽樣方法對(duì)各回路運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行隨機(jī)抽樣，得出立根排放系統(tǒng)的壽命分布類型服從正態(tài)分布，分布參數(shù)為：均值716，標(biāo)準(zhǔn)差337。根據(jù)求得的系統(tǒng)分布類型及分布參數(shù)，給出立根排放裝置的可靠性規(guī)律圖、故障概率密度圖和故障率趨勢(shì)圖。綜合分析可知，立根排放裝置運(yùn)行500 h時(shí)的可靠度為0.74。由此可見運(yùn)用蒙特卡羅法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽樣仿真是很有意義的，在實(shí)際工程中可以運(yùn)用此法來了解系統(tǒng)的可靠性規(guī)律，以便對(duì)系統(tǒng)采取及時(shí)有效的維修措施，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］ 劉平全．鉆井平臺(tái)鉆桿自動(dòng)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［D］．北京：中國石油大學(xué)，2010．

［2］ NicholsJ，KirschG．DrillingFacilityDesign-theValueofOperational Input［C］//AADE Technical Conference，Radisson Astrodome Houston，Texas，2003．

［3］ 楊柏光．鉆桿立根排放裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012．

［4］ 張艷敏，崔學(xué)政，杜永彬．水平/垂直鉆桿自動(dòng)操作系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方案［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（3）：23-27．

［5］ 牟志忠．機(jī)械可靠性-理論·方法·應(yīng)用［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

［6］ 何正風(fēng)．MATLAB概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

［7］ 于海春．潛油電泵機(jī)組使用可靠性研究［D］．大慶：大慶石油學(xué)院，2003．

［8］ 徐灝．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

（編輯：?jiǎn)?迪）

Reliability Evaluation of Pipe Racking Device Based on Monte Carlo

ZHU Xiaoqing,ZHENG Qingyuan
（College of Mechanical Engineering,Changzhou University,Changzhou 213016,China）

Pipe racking device is a complex system in multiple distribution pattern,monte carlo method is used to evaluate its operation reliability.The unit that obeys exponential distribution and weibull distribution are randomly sampled,the K-S test is used to obtain the life distribution of each circuit.According to the distribution of each circuit, the same sampling method is used to reach the distribution type of pipe racking system and the parameters of the distribution,the operation reliability trend of the pipe racking device is also obtained.The reliability of the pipe racking device is 0.74 when it is running after 500 hours.

pipe racking device;monte carlo;distribution type;reliability

TE 928

A

1002－2333（2014）04－0038－03

朱曉清（1982—），男，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床的運(yùn)行可靠性。

2014-01-13