JC型钻机绞车的故障树分析

张 毅, 翟应虎,孙腾飞,夏环宇

JC型钻机绞车的故障树分析

张 毅1, 翟应虎1,孙腾飞2,夏环宇1

（1.中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京，102249；2.中海油研究总院，北京，100027）

绞车是钻机中主要的工作机之一，目前对绞车系统的研究已经基本成熟，但是对其可靠性的研究还不够完善。本文利用故障树分析方法分析建立了JC型绞车故障树，计算出最小割集和结构函数，通过对其结构重要度大小排序，找出其工作中的薄弱环节，为绞车故障分析系统的设计和应用提供参考依据。

绞车；故障树；结构函数；最小割集

0 引言

绞车是钻机中主要工作机之一，是起升系统的主要设备。它的主要任务是：用来起、下钻具；下套管；悬持静止的钻具；在钻进时，控制钻压、送进钻具；下套管；上、卸钻具丝扣；起吊重物以及进行井场的其他辅助工作。有的绞车也是转盘中间传动机构。在有些钻机中，井架的起放也由绞车来完成。可见，绞车在整个钻井中起着重要的作用。考虑到绞车工作条件恶劣，发生故障的可能性较大，一旦发生故障，就会对钻井设备及人身安全造成重大威胁，为了最大程度的减少绞车故障带来的巨大经济损失，有必要对其进行可靠性分析，找出其薄弱的工作环节，以便查出故障隐患，采取措施；一旦发生了故障，能尽快的查明故障原因，尽早恢复生产。本文针对JC型绞车的故障数据进行分析研究，并绘制出故障树，找出故障原因，发现绞车在运行中潜在的问题，有利于绞车系统故障的预防、预测与控制。

1 故障树分析方法概述

故障树分析法，简称FAT法(Fault Tree Analysis)，它是1961年由贝尔电话试验室的H.A.Watson提出的一种用于可靠性、安全性分析的相对简单、有效的演绎方法。它以一套取自概率论与布尔代数的简单规则，以一些逻辑符号为基础，使用一种从上至下的方法，生成一个能够进行系统可靠性定性与定量评估的逻辑模型。

2 绞车故障的建立及分析

2.1 故障树的建立

(1)在本文中用的事件有顶事件、中间事件(用G表示)和底事件(用X表示)。

a. 顶事件：指被分析的系统不希望发生的事件，它位于故障树的顶端。

b. 中间事件：又称故障事件，它位于顶事件和底事件之间，以矩形符号“”表示。

c. 底事件： 位于故障树底部的事件，在已建成的故障树中，不必再要求分解了。故障树的底事件又分为基本事件和未探明事件用圆圈“”表示。

(2) 在本文中故障树中常用的逻辑门为与门和或门。

a. 与门：表示事件关系的一种逻辑门，仅当所有输入与门的所有输入事件同时发生时，门的输出事件才发生。用符号“”表示

b. 或门：表示至少一个输入事件发生时，输出事件才发生，用符号“”表示。

依据故障树的建树步骤，建立了绞车系统失效故障树，如图1所示。

图1 绞车故障树Fig 1 Winch fault tree

2.2 故障树的定性分析

定性分析的目的是为了找出系统的薄弱环节，而其任务就是找出最小割集。目前对于最小割集的研究较多，常用的两种方法，即富赛尔算法（(下行法)和塞迈特里算法(上行法)。

通过分析可得，故障树中的大多数基本事件都是最小割集，因此给分析带来不便，因此结合故障树的定量分析进一步研究绞车故障树。

2.3 故障树的定量分析

故障树定量分析是在求得最小割集后，给每个底事件赋予一概率值来表示其发生故障的频繁程度(即底事件发生概率)，在概率论的基础上，求解顶事件发生概率以及各底事件的重要度，为有效地控制故障和降低故障率提供重要依据。常用的重要度有概率重要度、结构重要度、关键重要度、相关割集重要度等。

通过以上分析，由（3）式计算整个绞车系统的结构重要度为：

由此看见，在绞车系统失效故障中，销轴的过度磨损、轴承的腐蚀等17个基本事件的结构重要度较大。可见，由于绞车故障形式的多样性，应严格执行日常维护制度，预防顶事件的发生。

3 结论

(1).通过对绞车故障树分析，可以得到绞车系统中销轴的过度磨损以及自身材料的失效、轴承的腐蚀以及自身材料质量原因、刹车盘的热疲劳龟裂、销轴的润滑不良、轴承缺油、刹车盘的磨损失效、刹车盘的有油渍等原因是绞车发生故障最常见的原因。从这些原因中可以看出，其中最常出现故障的零部件为轴承、销轴、刹车盘。因此在日常维护和故障预防中要多加重视。

(2).本文通过对绞车进行故障树分析，得出绞车有不正常噪音、主刹车失灵、结构件失效、防碰天车装置失效四个二级事件，通过各级事件与顶事件间的逻辑关系，可以建立绞车智能诊断系统，从而能实现对绞车系统实时监测和在线诊断软件的开发。

(3).本文首次采用故障树的方法来研究绞车，并得到绞车的故障结构重要度，分析结果与现场中绞车常出现的故障来比较，基本一致。

(4).由于现场资料取得有限，对绞车故障分析可能还不够充分，绞车故障树还需要进一步丰富和完善。

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JC type winch fault tree analysis

Zhang Yi1,Zhai Yinghu1,Sun Tengfei2,Xia Huanyu1
(1.Petroleum Engineering Laboratory of the Ministry of education,China University of Petroleum, Beijing,102249;2.CNOOC Research Institute,Beijing,100027)

Winch is a main working machine of drilling rig.Currently,the research of winch system has been matured,but the study of its reliability is also not perfect.Using the fault tree analysis method, the fault of JC winch system as analyzed and fault tree was drawn.The minimum cut sets and the structure function were obtained and according to the importance of structure function，the relative weak parts of the system were found out．It could be used as reference for the designing and application of the winch system.

winch; flaut tree;the structure function;the minimum cut sets

TE242

A

资助信息：获得国家科技重大专项课题子课题“深水钻井工程设计关键技术研究”（编号：2008ZX05026-001-01）资助