水下生產系統臍帶纜故障樹分析

許文虎，郭 宏

(中海油研究總院，北京 100028)

水下生產系統臍帶纜故障樹分析

許文虎，郭 宏

(中海油研究總院，北京 100028)

基于故障樹分析(FTA)方法，以南海某氣田水下生產系統臍帶纜為研究目標，對其進行可靠性定性、定量分析。建立了目標臍帶纜的故障樹模型，通過對臍帶纜故障樹模型的最小割集定性分析，確定臍帶纜的關鍵單元為電纜單元、護套及鎧裝；通過對臍帶纜故障樹模型的定量分析，判斷出關鍵單元中電纜單元的重要度最大，識別出臍帶纜的薄弱環節為電纜單元。從臍帶纜設計、制造和運行監測的角度提出針對電纜單元的改進措施，可為水下生產系統臍帶纜的設計和安全運行提供參考和借鑒。

水下生產系統；臍帶纜；故障樹；定性分析；定量分析；電纜

0 引 言

水下生產系統廣泛應用于海洋油氣資源開發工程中。水下生產系統包括水下采油樹系統、井口系統、管匯系統、控制系統、海底管道、臍帶纜、立管以及其他組成部分。水下生產系統可以控制單口生產井或若干口井，將油氣傳輸到固定平臺、浮式結構或直接上岸。臍帶纜是一束鎧裝的管線、電纜，作為水下生產系統中的重要設備，它從上部設施向水下設備傳輸液壓油、化學藥劑和電力，并在它們之間傳遞控制信號及溫度、壓力等數據[1-2]。關于水下臍帶纜的力學性能分析已有很多研究工作，涉及臍帶纜的柔性結構行為、疲勞壽命估計、靜態穩定性、動態響應等[3-10]。但是關于水下臍帶纜可靠性分析的研究很少見到，而水下臍帶纜的可靠性對海洋石油開發非常重要，因為它直接影響開發的安全和收益。海洋環境非常惡劣且臍帶纜一旦發生故障，很難進行修復，維護成本也非常高。而且，當有油氣泄漏發生時，如果臍帶纜不能及時輸送液壓動力及電力以關閉水下安全閥，將可能造成海洋環境污染。因此，非常有必要分析水下臍帶纜的可靠性以保證水下生產系統的正常運行。故障樹分析(FTA)方法是一種廣泛應用的可靠性分析方法[11-12]。本文以南海某油氣田所使用的水下生產系統臍帶纜為研究對象，使用FTA對其進行可靠性分析，識別臍帶纜可能的系統故障模式，找出臍帶纜的薄弱環節，并提出一些改進措施，有利于保證海洋油氣開發的安全進行。

1 水下生產系統臍帶纜故障樹建模

1.1 目標臍帶纜

本文的研究對象為我國南海某氣田所使用的臍帶纜。該氣田采用固定平臺加水下生產系統的開發模式，從水下井口采出的油氣輸送到固定平臺進行處理。在水下生產系統與固定平臺之間約有20 km長的臍帶纜。圖1為該氣田開發示意圖。

圖1 南海某氣田開發示意圖Fig.1 Development schematic diagram of a gas field in South China Sea

該臍帶纜主要功能單元包括鋼管和電纜：鋼管用來傳輸液壓油及甲醇、防垢劑等化學藥劑，還用來作為放空管線；電纜單元主要用來傳輸電力。此外還包括內外護套、鎧裝等加強結構以保護臍帶纜、增強臍帶纜穩定性。

1.2 臍帶纜故障樹建模

FTA是一種演繹式的可靠性分析方法，它由上而下假設臍帶纜系統失效，分析其可能的原因，以臍帶纜失效(頂事件)作為分析的目標，通過逐層向下推溯所有可能造成頂事件發生的原因，找出臍帶纜單元失效等各種底事件與臍帶纜失效(頂事件)之間的邏輯關系，并用倒立樹狀圖形表示出來。建立故障樹后，可定性分析各底事件對頂事件產生影響的組合方式和傳播途徑，識別可能的臍帶纜故障模式，也可定量計算底事件的重要程度，找出臍帶纜的薄弱環節，從而提出一些改進措施。

對目標水下生產系統臍帶纜進行故障樹建模時，首先要確定頂事件，頂事件為臍帶纜系統無法正常工作；確定頂事件的直接原因并將直接原因和頂事件之間的關系通過邏輯門表示；確定的直接原因視為次級頂事件，再為次級頂事件確定直接原因并將直接原因和次頂事件之間的關系通過邏輯門表示；重復以上步驟，直至確定底事件。底事件是系統分析無法繼續細分的點。目標水下生產系統臍帶纜的故障樹模型如圖2所示，故障樹中的事件描述如表1所示。

圖2 目標水下生產系統臍帶纜的故障樹模型Fig.1 Fault tree model of subsea umbilical of subsea production system

表1 目標水下生產系統臍帶纜故障樹中事件描述Table 1 Fault events of subsea umbilical of subsea production system

2 水下生產系統臍帶纜故障樹模型的定性分析

目標水下生產系統臍帶纜故障樹定性分析的目的就是找出導致頂事件即臍帶纜發生故障時所有可能的故障模式(即事件集合)，通過邏輯運算推導得到臍帶纜故障樹的最小割集，如此在不清楚各底事件發生概率數據的情況下也可以定性識別臍帶纜的關鍵單元。若一組事件發生而必然導致頂事件的發生，則該組事件定義為一個割集；當割集中的每一個底事件都同時存在時，頂事件才能發生，則該割集叫最小割集。通過邏輯運算可得目標水下生產系統臍帶纜的最小割集為：[X1，X6]，[X2，X6]，[X3，X6]，[X4，X6]，[X5，X6]，[X7]，[X8]，[X9]，[X10]，最小割集中各底事件的描述見表1。

最小割集所含底事件的數目為該最小割集的階數，最小割集的階數越小，引起系統失效的概率越高，其包含的底事件重要性越大；在最小割集階數相同的情況下，底事件出現的次數越多，該底事件的重要性越大。由此可得目標水下生產系統臍帶纜故障樹模型中各底事件的重要性排序，如表2所示。

表2 目標臍帶纜各底事件的重要性順序Table 2 Importance order of basic events of subsea umbilical

由表1及表2可知：電纜單元、護套及鎧裝的重要性最大，備用鋼管單元次之，輸送液壓及化學藥劑的鋼管單元重要性最小。

3 水下生產系統臍帶纜故障樹模型的定量分析

若已知目標臍帶纜故障樹模型中各底事件發生故障的概率，可求得臍帶纜各底事件的關鍵重要度，該指標可反映底事件對目標臍帶纜失效概率影響的重要程度。關鍵重要度最大的底事件即為臍帶纜的薄弱環節。可根據關鍵重要度來識別臍帶纜的薄弱環節，，從而為改善薄弱環節提供依據。

目標臍帶纜各底事件的關鍵重要度可由下式求得[13]：

(1)

式中：Ic(n)代表目標臍帶纜第n個底事件的關鍵重要度；Q代表目標臍帶纜頂事件T的失效概率；qn代表第n個底事件的失效概率；n為底事件編號，n=1，2，…，10。

假定目標臍帶纜的最小割集用E1，E2，…，E10來表示，則目標臍帶纜頂事件T的失效概率Q為[13]

(2)

根據目標臍帶纜各底事件的失效概率[14]，由式(1)和式(2)可得目標臍帶纜各底事件的關鍵重要度，如表3所示。

表3 目標臍帶纜各底事件的關鍵重要度Table 3 Critical importance of basic events of the subsea umbilical

由表3可知，目標臍帶纜電纜單元出現故障的關鍵重要度最大，說明電纜單元對目標臍帶纜可靠性影響最大，是臍帶纜的薄弱環節，應給與足夠的關注。

4 FTA分析結果及改進措施

由目標臍帶纜FTA定性分析可知，電纜單元、護套及鎧裝的重要性最大，備用鋼管單元次之，輸送液壓及化學藥劑的鋼管單元重要性最小；由目標臍帶纜FTA定量分析可知，在電纜單元、護套及鎧裝中，電纜單元出現故障的關鍵重要度最大，是臍帶纜的薄弱環節，應針對電纜單元提出改進措施以提高目標臍帶纜的可靠性。

從臍帶纜設計、制造和運行監測的角度給出針對電纜單元的改進措施：

(1) 臍帶纜設計時應備用電纜單元，這樣萬一電纜單元出現故障時，可以使用備用電纜進行電力傳輸，大大提高電纜單元及臍帶纜的可靠性。

(2) 臍帶纜截面布局設計時，應注意電纜單元的擺放位置，可使用有限元溫度場分析的方法確定電纜單元散熱效果最好的布局。

(3) 統計數據表明，臍帶纜電纜單元發生故障的主要形式為絕緣層失效[14]，因此在臍帶纜成纜制造時，應設置合適的牽引力、成纜半徑和成纜角度，以避免電纜單元的絕緣層受損，降低臍帶纜使用時電纜發生故障的概率。

(4) 臍帶纜運行時，應對電纜單元進行在線溫度、局部放電等檢測，盡早發現問題，及時進行處理，降低故障風險。

5 結 語

本文使用FTA方法對目標臍帶纜進行可靠性研究，建立了目標臍帶纜的故障樹模型，通過定性和定量的分析，識別出目標臍帶纜的薄弱環節為電纜單元，并從臍帶纜設計、制造和運行監測的角度提出針對電纜單元的改進措施。這對提高臍帶纜的可靠性，保證水下生產系統長期可靠運行及海洋油氣資源的正常開發具有積極的意義。

[1] Bai Y,Bai Q.Subsea Engineering Handbook [M].Burlington:Elsevier,2010.

[2] International Organization for Standardization.Petroleum and natural gas industries.Design and operation of subsea production systems.Part 5:Subsea umbilicals [S].2009.

[3] Witz J A,Tan Z.On the flexural structural behaviour of flexible pipes,umbilicals and marine cables [J].Marine Structures,1992,5(2-3):229.

[4] S?vik S,Bruaseth S.Theoretical and experimental studies of the axisymmetric behaviour of complex umbilical cross-sections [J].Applied Ocean Research,2005,27(2):97.

[5] Steinkjer O,Sodahl N,Grytoyr G.Methodology for time domain fatigue life assessment of risers and umbilicals [C].ASME 2010 29th International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering,2010:177.

[6] Ruan W,Bai Y,Peng C.Static analysis of deepwater lazy-wave umbilical on elastic seabed [J].Ocean Engineering,2014,25:73.

[7] Custódio A B,Vaz M A.A nonlinear formulation for the axisymmetric response of umbilical cables and flexible pipes [J].Applied Ocean Research,2002,24(1):21.

[8] Parsinejad F,Kassner C,Kurtz M,et al.Friction,contact pressure and non-linear behavior of steel tubes in subsea umbilicals [C].ASME 2013 32nd International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering,2013.

[9] Zerbst U,Stadie-Frohb?s G,Plonski T,et al.The problem of adequate yield load solutions in the context of proof tests on a damaged subsea umbilical [J].Engineering Failure Analysis,2009,16(4):1062.

[10] Trarieuxa F,Lyonsb G J,Patel M H.Investigations with a bandwidth measure for fatigue assessment of the Foinaven dynamic umbilical including VIV [J].Engineering Structures,2006,28(12):1671.

[11] Collong S,Kouta R.Fault tree analysis of proton exchange membrane fuel cell system safety[J].International Journal of Hydrogen Energy,2015,40(25):8248.

[12] Chi C-F,Lin S-Z,Dewi R S.Graphical fault tree analysis for fatal falls in the construction industry[J].Accident Analysis & Prevention,2014,72:359.

[13] 維齊利.故障樹手冊[M].疏松桂，唐信青,譯.北京：原子能出版社，1987.

[14] Det Norske Veritas.Offshore Reliability Data Handbook [M].Trondheim:OREDA Participants,2009.

FaultTreeAnalysisoftheUmbilicalofSubseaProductionSystem

XU Wen-hu,GUO Hong

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Fault tree analysis (FTA) is applied to analyze the reliability of the subsea umbilical of a gas field in South China Sea both qualitatively and quantitively.The fault tree model of the subsea umbilical is built.The key components of the subsea umbilical are cable,sheath and armour according to the qualitative analysis result and the weakest link,also the most important component,is the cable based on the quantitive analysis result.Based on the analysis results,improvement measures focusing on the cable are put forward in terms of design,manufacturing and operation of the umbilical to reduce the risk of failure and improve the reliability of the umbilical,which is beneficial to the design and safe operation of the subsea umbilical.

subsea production system; umbilical; fault tree; qualitative analysis; quantitive analysis; cable

2015-12-23

國家863計劃(2014AA09A224-2)

許文虎(1981—)，男，工程師，主要從事水下生產系統相關工作。

TE952

A

2095-7297(2016)01-0008-04