深水防喷器系统FMECA分析

侯国庆，许宏奇，粟 京，刘 健，王 蓓，王卫华

（1.河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘062552；2.中国海洋石油总公司深水钻井船项目组，北京100016；3.中海石油研究总院，北京100027）①

深水防喷器系统FMECA分析

侯国庆1，许宏奇1，粟 京2，刘 健3，王 蓓1，王卫华1

（1.河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘062552；2.中国海洋石油总公司深水钻井船项目组，北京100016；3.中海石油研究总院，北京100027）①

为确定深水防喷器系统中影响可靠性较大的关键单元设备及故障模式，采用F M E C A方法对系统进行了分析。定义了系统基本情况、边界条件、故障模式和判断依据等F M E C A分析的基本要素。分析结果表明，对深水防喷器系统可靠性危害性较大的单元设备为闸板防喷器、控制箱、液压连接器；危害性较大的故障模式有闸板封井不严、节流压井管线外漏、黄箱与蓝箱中有1个所有功能同时不能激活、黄箱或蓝箱中有1箱有1个功能不能激活、黄箱与蓝箱同时有1个功能不能激活。对深水防喷器系统设计、应用及日常维护提出了改进建议。

深水；防喷器；故障分析；F M E C A

深水防喷器系统是保证深水钻井作业安全的关键设备，如果失效将带来严重的后果［1］。2010-04-20，发生在墨西哥湾的井喷事故中，由于深水防喷器系统未能及时有效地控制井喷事故的发生，导致钻井平台沉没、人员伤亡，大量油气喷入海中，引起附近海域严重的生态灾难和环境污染，并且造成巨大的经济损失和资源浪费［2］。可见，为保障钻井作业安全及保护海洋环境，深水防喷器系统应具有极高的可靠性。

F M E C A（Failure M ode，Effects and Criticality A nalysis）［3］——故障模式、影响及危害性分析，作为1种评估系统可靠性的分析方法，已被广泛应用于产品的研发、改进及可靠性研究［4～5］。对深水防喷器系统采用F M E C A分析方法进行可靠性研究，将有助于查找出深水防喷器系统中对可靠性危害较大的单元设备及故障模式，为系统的部件设计、集成与优化、现场应用与维护提供理论依据。

1 F M EC A分析基础

1.1 系统基本情况和系统边界

深水防喷器系统至今无统一的配置技术规范和标准［6］。A PI Standard 53要求水下防喷器系统最少为class 5级并至少配置一个环形防喷器；无论采用何种控制系统，均要求在防喷器系统上配置互为冗余的控制箱（control pods）［7］，也就是俗称的“黄箱”和“蓝箱”。最初的水下防喷器系统由4个闸板防喷器、1～2个环形防喷器组成，随着钻井水深不断增加及对可靠性的要求，近几年海上新增钻井平台深水防喷器系统基本上由6个闸板防喷器和2个环形防喷器组成，通径为476.3 m m（183/4in），大部分系统工作压力为103.5 M Pa（15 000 psi），少部分系统工作压力为69 M Pa（10 000 psi）［8］。依据可靠性研究的目的和F M E C A分析的数据来源，从7个方面定义深水防喷器系统的边界。

1） 深水防喷器系统最上到连接隔水管的挠性接头，最下到连接井口的井口连接器（如图1）。从上到下单元设备配置依次为：挠性接头、环形防喷器、下隔水管连接器、环形防喷器、6个闸板防喷器、井口连接器。节流压井管线及阀门配置在深水防喷器组两侧。其中，2台环形防喷器也可以连接在一起，再连接下隔水管连接器，系统配置顺序对分析结果无影响。深水防喷器系统上还安装有控制箱，用于应急控制的蓄能器组、R O V操作面板等。本文主要分析防喷器系统可靠性，只考虑深水防喷器基本的控制功能，故仅取控制箱进行分析。

2） 挠性接头 位于深水防喷器系统顶部，用于连接隔水管及其附属的节流压井和控制管线并补偿钻井平台的运动。

3） 环形防喷器 连接在挠性接头下端，一般2台连接在一起或通过隔水管连接器连接在一起。用于初始关井和带压起下钻作业，可密封各种钻具；在无钻具情况下，可密封空井。

4） 连接器 包括连接下隔水管总成（Lower M arine Riser Package，L M R P）与下防喷器组的下隔水管连接器和水下防喷器组与井口连接的井口连接器。

5） 闸板防喷器 位于下防喷器组上，可分别安装钻杆剪切闸板总成、套管剪切闸板总成、变径闸板总成、管柱闸板总成、测试闸板总成等。本文仅考虑闸板总成的开关及密封性能，不考虑具体的管柱密封性能及剪切性能。

6） 控制箱 2台，互为冗余，控制防喷器系统各项功能及连接器的解锁与锁紧。深水钻井作业与浅水钻井作业所用控制系统有所不同，本文着重分析深水防喷器系统的故障模式，所取数据均来自于深水钻井的多路电液控制系统（M ultiplex control system）的控制箱。

7） 节流压井管线及阀门。节流压井管线下端通过节流压井阀门与各个防喷器侧出口相连，上端通过挠性接头上的节流压井管线分支与隔水管上的相应管线连接，与钻井平台上的管汇形成节流压井通道，在钻井作业时进行节流和压井作业。

图1 深水防喷器系统配置

1.2 故障模式判据

对于深水防喷器系统，故障模式判据的制定依据是：

1） 只有在运行前的防喷器组测试期间、防喷器运行期间、防喷器安装在井口时发现的与系统有关的失效才算作故障。

2） 可能导致防喷器系统功能全部、部分丧失，带来停机时间损失、经济损失以及正常作业延迟的故障模式。

3） 只考虑故障发生原因明确的故障模式。为计算故障模式的危害度，对发生原因不明确的、小概率的故障不做分析。

依据以上判据及分析资料来源，深水防喷器系统定义了21种故障模式（如表1）。

2 F M EC A分析

2.1 表格制定

依据故障模式对钻井作业、系统功能、平台及人员安全、环境、停机时间所产生的最终影响的严重程度，将深水防喷器系统故障严酷度分为4个等级：Ⅳ类灾难性故障，Ⅲ类致命性故障，Ⅱ类严重性故障，Ⅰ类轻度故障。

以定义的深水防喷器系统为边界，在F M E C A表中列出各设备的故障模式，分析故障模式对系统的影响并计算出每种故障模式的危害度和每一种严酷度下的设备危害度，依据《GJB／Z 1391—2006故障模式、影响及危害性分析指南》［8］完成的深水防喷器系统F M E C A分析，如表1所示。

表1中：α为发生故障的百分比，按文献［9］中统计的每种设备的故障模式发生次数进行计算出每种故障模式发生的百分比；β为发生故障而导致任务失败的条件概率，依据故障模式对目标任务的影响程度在0～1之间取值；λ为设备故障率，d-1，根据计算结果数量级取10-5，依据在钻井作业有效工作时间内每种故障模式实际影响时间计算；t为工作时间，d，依据文献［9］统计的平均每口深水钻井作业时间（58 d）进行分析计算；Cmj为故障模式危害度，根据计算结果数量级取10-5，Cmj＝αβλt；Cr为设备危害度，Cr＝∑Cmj＝∑αβλt，设备给定严酷度下的故障模式危害度之和，根据计算结果数量级取10-5。

表1 深水防喷器系统F M EC A分析数据

续表1

续表1

2.2 分析结论

从表1中可以看出在严酷度Ⅳ类灾难性故障下，深水防喷器系统中危害性影响比较大的3类单元设备依次是闸板防喷器、控制箱、液压连接器。

21种故障模式危害度排序为X13，X15，X18，X20，X19，X5，X1，X6，X3，X16，X8，X17，X14，X7，X9，X4，X2，X21，X10，X11，X12。其中对系统危害性影响比较大的故障模式为：X13、X15、X18、X20、X19，即闸板封井不严、节流压井管线外漏、黄箱与蓝箱中有1个所有功能同时不能激活、黄箱或蓝箱中有1箱有1个功能不能激活、黄箱与蓝箱同时有1个功能不能激活。

2.3 改进建议

2.3.1 闸板防喷器

从分析中可以看出，对系统危害性影响最大的故障模式就是闸板防喷器封井不严。闸板防喷器在发生井涌时，不能有效的封闭井口，为压井作业争取时间，将会导致井喷事故发生。应加强闸板防喷器胶芯密封性能试验，提高闸板防喷器封井作业的可靠性，特别要研究在高温环境下胶芯的密封可靠性，研制耐高温胶芯。在深水防喷器总体设计中，注重闸板防喷器闸板配置的冗余设计，采用大范围变径闸板替代单一的固定闸板或小变径闸板，增加防喷器冗余密封，提高深水防喷器组密封井口的可靠性。

对系统影响较大的另外1个闸板防喷器故障模式是关井失败（危害度虽不高，但后果严重，严酷度达到Ⅳ类）。引起关井失败的原因除了控制系统原因外，主要是由闸板运动部件卡阻引起的。闸板运动部件要有良好的耐腐蚀性，特别是零部件的表面处理措施应符合海洋环境使用条件；闸板轴密封材料既要有良好的密封性能，也要有良好的自润滑性；闸板腔涂覆耐蚀涂层，避免闸板体卡阻在闸板腔内影响闸板关闭。

2.3.2 控制箱

控制箱一般均采用了蓝箱与黄箱冗余设计，但由于各种不可预知的原因，可能导致黄箱与蓝箱中1个或多个功能，甚至全部的功能不能同时激活，无法实现防喷器既定动作，严重时引起井喷甚至导致钻井平台火灾。从F M E C A中分析可以看出，最严重的是黄箱与蓝箱中有1个所有功能同时不能激活。控制箱中所有组件应选用可靠性高的零件，对日常易出现问题的部件进行可靠性试验并进行改进。加强日常控制箱检修与测试，及时更换有故障的部件，避免设备带病工作。当2个控制箱同时发生故障时（黄箱与蓝箱所有功能同时不能激活及黄箱与蓝箱同时有1个功能不能激活），虽说发生故障的几率相对较低，但其后果严重，一旦发生此类故障，应及时启动水下应急控制系统，关闭井口，起出设备进行检修。

2.3.3 液压连接器

液压连接器是在紧急情况下，钻井平台脱离井口时的关键设备。如果液压连接器不能及时解锁或解锁发生故障，钻井平台将处于危险之中。因此，应加强液压连接器解锁系统可靠性试验，确保解锁系统有可靠的解锁性能。对液压连接器结构进行研究及改进，在液压解锁失效时，可借助R O V或其他辅助手段进行解锁。

2.3.4 节流压井管线

从分析中可以看出虽然节流压井管线外漏严酷度仅为Ⅲ类，但对系统的危害性影响还是较大的。因为节流压井管线连接阀门多、接口多，所以泄漏点也较多，因此日常应加强维护，检修后应及时对管路进行试验检漏，发现泄露及时处理，日常检修时应特别注意密封垫环槽的清理。

3 结论

1） 通过对深水防喷器系统进行F M E C A分析，确定闸板防喷器、控制箱、液压连接器是对系统可靠性危害较大的3类单元设备，在深水防喷器系统集成设计、关键单元设备设计及选购、日常使用及维护应作为重点关注对象。应重点加强这几种设备可靠性试验研究，减少使用过程中的故障发生率，以提高整个深水防喷器系统的可靠性。

2） 闸板防喷器封井不严、防喷器组节流压井管线外漏、黄箱与蓝箱中有1个所有功能同时不能激活、黄箱或蓝箱中有1箱有1个功能不能激活、黄箱与蓝箱同时有1个功能不能激活是深水防喷器系统中5个危害性较大的故障模式，在产品设计、现场应用、维护保养中应重点预防该类事故的发生，其中控制箱发生的故障更应该加以重视。

3） 应用F M E C A分析方法查找出了影响系统可靠性比较大的关键单元设备和故障模式，在此基础上借助故障树、质量功能展开等其他研究方法进行深入研究，分析出故障模式发生的具体原因并对产品进行改进，进一步提高深水防喷器系统的可靠性。

［1］ 顾和元，侯国庆，郭雪，等.水下防喷器组控制系统深水模拟试验装置研制［J］.石油矿场机械，2013，42（4）：1-5.

［2］ 段明星，李明亮，陈瑞峰，等.深水防喷器系统可靠性探讨［J］.中国造船，2012，51（增刊2）：297-302.

［3］ 张增照.以可靠性为中心的质量设计、分析和控制［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［4］ 任荣权，于博生，赵众.链条抽油机F M E C A分析及改进建议［J］.石油矿场机械，1995，24（2）：2-5.

［5］ 侯明伟.F M E C A在双吸泵研制过程的应用探索［J］.机械，2010，36（4）：71-73.

［6］ 曹式敬.超深水防喷器组及其控制系统配置探讨［J］.石油钻探技术，2012，40（5）：115-118.

［7］ A PI ST A N D A R D 53 Blowout Prevention Equip ment Systems for Drilling W ells［S］.Fourth Edition.2012.

［8］ GJB／Z 1391-2006，故障模式、影响及危害性分析指南［S］.

［9］ Per H oload，H am mad A wan.Reliability of Deep water Subsea B O P Systems andW ell Kicks［R］.ExproSoft Report，2012.

F M EC A Analysis of Deepwater Subsea B O P System

H O U G uo-qing1，X U H ong-qi1，S U Jing2，LIU Jian3，W A N G Bei1，W A N GW ei-hua1
（1．Rongsheng M achinery M anufacture Ltd．，of H uabei Oilfield，Renqiu062552，China；2．Deep w ater Drilling Unit Project Group，C N O O C，Beijing100016，China；3．C N O O C Research Institute，Beijing100027，China）

F M E C A analysis method was applied to deep water subsea B O P system in order to investigate key unit equip ment and fault m ode in the system for m ore endangered system reliability. F M E C A key element such as system essence thing，boundary condition，determinant criterion of failure m ode was defined.A nalysis resultindicates that key unit equip ments of m ore affecting reliability of deep water subsea B O P severity are ra m B O P，control pods，hydraulic connector.Sim ultaneity，that fault m odes of m ore severity are leakage through a closed ra m，external leakage of choke and killline，loss of all functions one pod，loss of one function one pod，loss of one function both pods.Im proving advice on deep water subsea B O P system，application，and daily maintenance is put forward according to analysis result.

deep water；B O P；fault analysis；F M E C A

1001-3482（2014）08-0052-06

T E951

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.011

2014-01-26

国家高技术研究发展计划（863计划）“深水防喷器组及控制系统工程化研制”（2013 A A09 A220）；国家科技重大

专项“深水半潜式钻井平台及配套技术”（2011Z X05027-001）

侯国庆（1972-），男，河南安阳人，高级工程师，硕士，2008年毕业于河北工业大学机械设计及理论专业，现从事海洋井控装备技术研究工作，E-mail：hou_y0503＠126.co m。