故障樹分析法在海洋修井平臺自動排管系統中的應用*

趙 奎，崔海朋

（青島杰瑞工控技術有限公司，山東青島 266061）

0 引言

1 FTA簡介

海洋修井平臺自動排管系統，采用一體化、智能化、網絡化的集成控制系統，完成管柱從管區到鉆臺面的輸送、自動送鉆和自動甩鉆等功能，改變傳統的修井作業模式，減少修井平臺作業人數，提升油田的HSE管理水平。該系統采用機、電、液、氣一體化的設計。為實現自動排管系統中動力貓道機、一層臺擺管機械手、二層臺智能排管系統、修井鐵鉆工等設備的通訊，采用多種現場總線技術，包括Profibus-DP、MPI、RS485等。它的主要作用是連接自動排管系統中的各種自動化工具和司鉆集成一體化控制系統，建立全數字、雙向、多站的通信系統。

從海洋修井平臺自動排管系統的故障處理記錄來看，機械故障、液壓系統故障、電氣系統故障是導致整套系統不能正常工作的幾個主要原因之一，耽誤修井作業，影響生產進度，間接造成較大的經濟損失。因此，將故障樹分析技術[1]（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）引入到海洋修井平臺自動排管系統中，有利于整套系統裝備的運行和維護。

FTA是一種描述事故因果關系的有方向的樹，它通過分析事故的現象、原因、結果，找出預防事故的措施，是系統安全工程中重要的分析方法之一。

1.1 建樹步驟

故障樹建立的步驟主要包含：熟悉系統、確定頂事件和中間事件、調研原因事件、建立故障樹、整理和優化故障樹等[2]。

1.2 建樹方法

建樹方法一般分為人工建樹和計算機建樹兩種。對于海洋修井平臺自動排管系統來說，系統規模屬于中等，采用人工建樹計算復雜，工作量大。因此，根據現場經驗和故障樹理論、采用C#語言編制特定的計算機故障樹分析軟件，建立自動排管系統故障樹，既高效又方便實用。

2 建立自動排管系統故障樹

通過對海洋修井平臺自動排管系統的拓撲結構進行研究，對系統在現場使用過程中出現的故障類型進行分類整理，對故障引起的原因進行深入分析，采用編制的計算機建樹軟件，按照建樹步驟畫出故障樹。

2.1 自動排管系統拓撲圖及原理

海洋修井平臺自動排管系統，由關鍵設備、司鉆房集成控制系統和通訊系統等組成。其中關鍵設備包括一層臺擺管機械手、二層臺智能排管系統、動力貓道機、修井鐵鉆工等自動化設備，這些關鍵設備每個都包含一套獨立的以西門子S7-300PLC（CPU為315-2DP）為控制核心的控制系統。司鉆房控制系統同樣以S7-300PLC為控制核心，實現變頻器、氣動卡瓦、液壓吊卡的控制，同時通過Profibus-DP總線與西門子監控組態屏TP-1500進行通訊。由于設備分散安裝在井架的在鉆臺面、二層臺、管區等不同位置，為走線方便，關鍵設備與司鉆房通過專用的Profibus-DP集線器進行互聯，將這些數字化設備組成Profibus-DP星型網絡[3]。同時司鉆房控制系統通過MPI總線接口與一體化儀表系統、電子防碰系統、智能視覺監控系統進行互聯，實現設備間的信息交互。海洋修井平臺自動排管系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 海洋修井平臺自動排管系統拓撲圖

2.2 建立自動排管系統故障樹

結合海洋修井平臺自動排管系統拓撲圖，以海洋修井平臺“自動排管系統故障”作為頂事件，通過對現場故障引起原因及影響概率進行統計和分析，并結合理論公式，建立故障樹，如圖2所示。建立故障樹，可協助分析引起故障的原因，及時排除故障，有益于指導自動排管系統的安全運行和維修，縮短整套系統的故障解決時間。

圖2 自動排管系統故障樹

如圖2所示，“自動排管系統故障”為頂事件，包含4個主要的中間事件，分別為“機械故障”、“液壓系統故障”、“電氣系統故障”和“其他”。這4個中間事件的故障樹如圖3-6所示。

圖3 機械故障樹

圖4 液壓系統故障樹

圖5 電氣系統故障樹

圖6 其他故障樹

3 故障樹定量分析

自動排管系統故障樹定量分析的目的在于計算頂事件“自動排管系統故障”的發生概率，以此評價系統的安全可靠性。

3.1 基本事件發生概率統計分析

對基本事件發生概率的統計分析，是對自動排管系統故障樹定量分析的基礎，它表征該事件發生的可能性，是客觀論證，而非主觀驗證。在事故樹中，根據各設備實際運行情況、基本事件編號、時間名稱、同時考慮嚴重系數、統計出概率的大小。概率越接近1，表示該事件發生的可能性越大。該故障樹中共有35項基本事件，各事件的概率統計如表1所示。

表1 基本事件概率統計表

3.2 計算頂事件概率

在海洋修井平臺自動排管系統故障樹中，因為X1—X35各個基本事件均是相互獨立的事件，可以按照式（1）計算頂事件“自動排管系統故障”的發生概率：

式中：g為發生頂事件的概率計算函數；qi為第i個基本事件的發生概率；為求n個基本事件的概率積；Φ(X)為故障樹的結構函數，定義如下：

由表1各基本事件的概率以及式（1）計算可得，在海洋修井平臺自動排管系統故障樹中，頂事件發生的概率為0.033 6。

3.3 計算概率重要度

概率重要度可以反映頂事件“自動排管系統故障”概率的大小受各基本事件概率增減的影響的程度[4]，采用式（2）進行計算：

結果如表2所示。

表2 基本事件概率重要度表

3.4 計算臨界重要度

臨界重要度表征基本事件的重要度，可以從自身概率的大小和敏感度的強弱兩個方面來進行衡量。其計算公式為：

結果如表3所示。

表3 基本事件臨界重要度表

在海洋修井平臺自動排管系統故障樹中，通過對故障樹的定量分析，可以在系統出現故障后，制定合理的故障排除方案，有效地定位導致發生故障的原因，避免出現故障時無從下手，使得排除故障更有針對性、目的性和合理性。

4 故障樹定性分析

在對海洋修井平臺自動排管系統故障樹進行定性分析中，主要進行最小割集、最小徑集和重要度分析。采用編制的計算機建樹軟件來進行定性分析和計算[5]。

4.1 計算最小割集

最小割集本質上是一種集合，表征頂事件發生的最低限度[6]。數量越多，表征系統相對越危險。根據數學和統計學上割集計算方法，計算得到在頂事件“自動排管系統故障”中存在30個最小割集為

通過計算最小割集分析，分析出系統中潛在的風險源，有效地對事故進行管控，從而提高整套系統的安全性和可維護性。

4.2 計算最小徑集

最小徑集質上也是一種集合，表征頂事件不發生的最低限度。數量越多，表征系統相對越安全。事故樹最小徑集越多，系統就越安全。根據數學和統計學上割集計算方法，計算得到在頂事件“自動排管系統故障”中存在6個最小徑集，公式為

利用最小徑集、結合客觀條件和經濟因素、可選擇控制事故的最佳方案。

4.3 計算結構重要度

結構重要度表征基本事件對頂事件的貢獻大小。對各基本事件進行結構重要度排序，便于按照順序安排防護措施，加強控制。

在對海洋修井平臺自動排管系統故障樹中，計算的公式為

根據計算結果，并結合現場故障處理報告，得到該系統的結構重要度為

5 結束語

在海洋修井平臺自動排管系統應用故障樹分析法對系統進行定量分析和定性分析。應用效果表明，該法可以有效幫助系統維護人員進行故障定位、故障診斷和故障處理，減少海洋平臺運維成本，縮短設備的檢修周期，提升油田HSE管理水平，具有較高的實用價值。