FMEA 分析在頂驅(qū)動力系統(tǒng)中的應(yīng)用

高 瀚,王洋紳,王 博,孫鈺淇

（1.北京石油機械有限公司,北京 102206；2.中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司,北京 102206）

頂部驅(qū)動鉆井裝置是集鉆井工藝技術(shù)和機電液一體化的油氣鉆采專用設(shè)備,其發(fā)展與應(yīng)用完全順應(yīng)了世界鉆井工業(yè)發(fā)展趨勢,尤其是針對越來越多的非常規(guī)井、深井、超深井、復雜井及海洋鉆井等需求,頂驅(qū)已經(jīng)成為油氣鉆采作業(yè)的必需裝備。動力系統(tǒng)作為頂驅(qū)的核心系統(tǒng),其可靠性是頂驅(qū)穩(wěn)定運行的決定性保障,動力系統(tǒng)的故障不僅會使裝備全面停擺,更可能帶來嚴重的井下風險或事故。利用失效模式及影響分析（Failure Mode and Effect Analysis,FMEA）,對頂驅(qū)動力系統(tǒng)進行量化的失效分析,以獲得全面可信的故障預防數(shù)據(jù),可將風險控制及質(zhì)量管理貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、應(yīng)用全生命周期[1]。本研究對頂驅(qū)的動力系統(tǒng)涉及到的所有動力部件,分析各種潛在故障模式及其影響,梳理歸納出所有的故障,分析評估每種故障模式的影響及其后果,同時給出降低或消除每種故障模式及其風險的方法,提出可以采取的設(shè)計、預防、改進措施,提高動力系統(tǒng)的可靠性。

1 FMEA 及頂驅(qū)各系統(tǒng)

1.1 FMEA

失效模式及影響分析（Failure Mode and Effects Analysis, FMEA）是一種始于20 世紀50 年代的可靠性分析方法,近年來逐步推廣應(yīng)用至航空、機械、汽車等工業(yè)領(lǐng)域[2-3]。在工業(yè)設(shè)備的研制改進中,FMEA 方法的應(yīng)用可體現(xiàn)以下流程：

1.1.1 集中收集數(shù)據(jù),調(diào)研生產(chǎn)、應(yīng)用環(huán)節(jié),細化各種故障模式。

1.1.2 分析影響,對梳理出的故障進行可量化的分析。

1.1.3 制定措施,對超出接收標準的故障模式進行改進,在設(shè)計階段針對可能發(fā)生的故障進行改進,盡可能在設(shè)計階段消除故障源頭。

1.1.4 二次評估,對改進后的故障模式進行量化分析。

1.1.5 驗證措施,結(jié)合試驗和應(yīng)用驗證改進及二次評估結(jié)果正確性。

1.1.6 形成模板,將經(jīng)過驗證的分析流程進行標準化,形成可應(yīng)用于設(shè)備整體的有效模板。

1.2 頂驅(qū)及各系統(tǒng)介紹

頂部驅(qū)動鉆井裝置從結(jié)構(gòu)上一般分為：頂驅(qū)本體、導軌與滑車、傳動與控制系統(tǒng)。頂驅(qū)故障樹的建立將在其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,綜合部件功能重新進行系統(tǒng)劃分,常規(guī)頂驅(qū)的關(guān)鍵系統(tǒng)包含：電控系統(tǒng)、液控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、主承載系統(tǒng)、管子處理器及導軌滑車等。

電控系統(tǒng)相當于頂驅(qū)的大腦及中樞神經(jīng),負責指令控制、信號采集、處理、輸出。該系統(tǒng)包含人機界面、PLC、變頻器及配電等,采用工業(yè)總線技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,操作人員根據(jù)現(xiàn)場工況通過司鉆臺進行指令輸入,PLC 參考人工指令和自動控制邏輯,配合變頻器實現(xiàn)頂驅(qū)主電機輸出控制和液壓輔助動作控制等。

液控系統(tǒng)是實現(xiàn)頂驅(qū)輔助動作的重要組成,其功能主要包括平衡本體重量、上卸扣、背鉗夾持釋放、吊環(huán)旋轉(zhuǎn)與傾斜、內(nèi)防噴器開閉等。該系統(tǒng)通過變量泵帶動主泵電機,將液壓油箱內(nèi)的液壓油泵入蓄能器和各液壓執(zhí)行機構(gòu)。存儲于蓄能器中的液壓油用于穩(wěn)定液壓系統(tǒng)壓力,應(yīng)對突發(fā)情況下的供油、補油；主液壓管匯的液壓油通過主閥塊進入各系統(tǒng)回路為液壓執(zhí)行機構(gòu)進行供油,各執(zhí)行機構(gòu)相互獨立。

動力系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為動能輸出,該系統(tǒng)是頂驅(qū)最為核心的輸出部分。主電動機采用減速傳動或直驅(qū)傳動的形式,驅(qū)動主軸為鉆井作業(yè)提供旋轉(zhuǎn)動力。為保證動力系統(tǒng)在不同鉆井工況下的正常運行,除主電動機總成外還包含冷卻系統(tǒng)、剎車裝置、編碼器等。主電動機通常選用交流變頻電動機,在電控系統(tǒng)的指令下可完成無級調(diào)速、正反轉(zhuǎn)、連續(xù)堵轉(zhuǎn)等動作；冷卻系統(tǒng)通過風冷、水冷等方式對主電動機進行循環(huán)冷卻,避免電機過熱；在工況需要頂驅(qū)主電動機保持停止時,剎車裝置持續(xù)剎住主軸防止其轉(zhuǎn)動,在主電機緊急制動或釋放井下鉆柱反扭矩時也要執(zhí)行剎車動作。主承載系統(tǒng)及管子處理器是頂驅(qū)本體的主要組成,該部分承擔了頂驅(qū)的軸向載荷,與井架提升設(shè)備相連以實現(xiàn)頂驅(qū)及管柱的上下行；其中管子處理器能夠獨立于主軸進行驅(qū)動旋轉(zhuǎn),配合執(zhí)行機構(gòu)進行管柱抓取、上卸扣等自動化作業(yè)。

導軌與滑車配合使用實現(xiàn)頂驅(qū)在井架內(nèi)部上下有軌移動,同時承受頂驅(qū)作業(yè)時產(chǎn)生的反扭矩[4]。

2 動力系統(tǒng)的FMEA 分析

根據(jù)頂驅(qū)設(shè)計、生產(chǎn)、使用等過程要求,組織結(jié)構(gòu)工程師、模擬分析工程師、質(zhì)量控制工程師、生產(chǎn)裝配人員、風險控制專家、產(chǎn)品用戶共6 組人員,建立頂驅(qū)動力系統(tǒng)FMEA 分析工作組,集中討論制定頂驅(qū)動力系統(tǒng)的故障樹、FMEA 數(shù)據(jù)準則系數(shù)、系統(tǒng)風險系數(shù)等級、故障失效的接收準則要求以及對應(yīng)風險解決措施[5]。

2.1 動力系統(tǒng)故障樹的建立

對有可能造成動力系統(tǒng)故障的各項因素（包括軟硬件、環(huán)境和人員等）進行分析,建立該系統(tǒng)故障樹,細化故障原因的各種可能組合方式及其發(fā)生的概率[6]。故障樹的建立令我們對動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、故障及維護有更系統(tǒng)、深入的認識,從而在設(shè)計、制造、使用和維護過程中有針對性地高效提高可靠性。根據(jù)相關(guān)流程步驟,建立頂驅(qū)動力系統(tǒng)的故障樹,見圖1。

圖1 頂驅(qū)動力系統(tǒng)故障樹

2.2 動力系統(tǒng)故障模式與影響分析

頂驅(qū)動力系統(tǒng)選用風險優(yōu)先數(shù)（RPN）方法進行評價。RPN 值是能夠反映故障發(fā)生的概率及其后果嚴重性的綜合度量[7],RPN 值與故障的危害性大小成正比,風險優(yōu)先系數(shù)RPN=S×O×D,工作組制定的各系數(shù)準則見表1～表3[8-10]。

表1 動力系統(tǒng)故障失效后果嚴酷度準則

表3 動力系統(tǒng)故障可探測度準則

S- 嚴酷度,一種失效模式對系統(tǒng)或用戶的影響嚴重程度大小。

O- 頻度,一種失效模式在確定時間段內(nèi)發(fā)生的頻率。

D- 可探測度,在系統(tǒng)或用戶受影響前識別和消除失效的概率。

制定風險優(yōu)先系數(shù)等級如下：第一等級：RPN＜60：失效模式風險較低；

第二等級：60≤RPN＜100：失效模式需引起重視,需要制定方案降低風險；

第三等級：RPN≥100：失效模式風險大,必須進行設(shè)計改進。

制定動力系統(tǒng)故障失效接收準則：S＜9,RPN＜60。

經(jīng)過集中討論與驗證,制定頂驅(qū)動力系統(tǒng)的故障分析表,如表4 所示。針對不符合故障接收準則的故障模式原因進行改進,實施對應(yīng)整改措施并進行二次FMEA 分析,使系統(tǒng)所有故障模式風險優(yōu)先系數(shù)均達到接收準則要求。

2.3 動力系統(tǒng)故障模式解決措施與落實

如表4 所示,引起電機失效的過流、缺相因素的風險優(yōu)先系數(shù)為72,屬于第二等級。經(jīng)過對頂驅(qū)動力系統(tǒng)的核對,在設(shè)計過程中對電機進行冗余設(shè)計,該冗余設(shè)計使電機失效因素的發(fā)生頻度降為2；對電機溫度傳感器進行檢測預警控制,該預警設(shè)計使電機失效因素的可探測等級提高為2。因此,電機失效的過流、缺相因素的風險優(yōu)先系數(shù)由72 降為48,風險等級降為第一等級,達到接收準則要求。

表2 動力系統(tǒng)故障頻度準則

表4 頂驅(qū)動力系統(tǒng)FMEA 分析表

頂驅(qū)動力系統(tǒng)的設(shè)計、生產(chǎn)已經(jīng)落實糾正措施。為充分驗證改進措施的有效性,對頂驅(qū)的臺架試驗增設(shè)特殊項,有針對性地檢測主電機溫度傳感器狀態(tài)報警,對比電機數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、特殊項檢測數(shù)據(jù),多次試驗對比數(shù)據(jù)一致性良好,驗證了該類電機故障的可探測性達到較高水平。改進后的頂驅(qū)已有多家用戶使用,目前未發(fā)現(xiàn)有過流、缺相導致的動力系統(tǒng)損壞情況,應(yīng)用證明該系統(tǒng)的可靠性得到有效提高。

3 結(jié)論

動力系統(tǒng)是頂驅(qū)正常工作的決定性系統(tǒng),同時關(guān)乎鉆井作業(yè)的現(xiàn)場安全。本研究通過綜合頂驅(qū)設(shè)計、生產(chǎn)、應(yīng)用過程質(zhì)量控制,利用FMEA 分析方法將產(chǎn)品的潛在失效風險降低。對RPN 風險指數(shù)超過接收準則的主電機故障因素進行梳理改進,制定了增加傳感器狀態(tài)報警和主電機冗余設(shè)計的解決措施,系統(tǒng)可靠性的提高在試驗和應(yīng)用的過程中均獲得驗證。

本研究提出的可靠性分析方法具有較好的適用性,形成了針對頂驅(qū)關(guān)鍵系統(tǒng)的故障分析模板,可以運用該FMEA 分析模板對頂驅(qū)整體或其它關(guān)鍵系統(tǒng)進行高效優(yōu)化,對提高頂驅(qū)的整體可靠性有重要意義。