基于蒙特卡罗的立根排放系统可靠性分析

朱晓清， 郑庆元

（常州大学机械工程学院，江苏常州213016）

基于蒙特卡罗的立根排放系统可靠性分析

朱晓清， 郑庆元

（常州大学机械工程学院，江苏常州213016）

立根排放装置是一种多分布类型的复杂系统，运用蒙特卡罗法对其运行可靠性进行分析。对服从指数分布和威布尔分布的系统单元进行随机抽样，运用K-S检验法得出各回路所服从的寿命分布类型。根据所得各回路的分布类型，运用相同的抽样方法得出总系统的寿命分布类型以及分布类型参数，并给出立根排放装置的运行可靠性趋势。求得立根排放装置在运行500 h时的可靠度为0.74。

立根排放装置；蒙特卡罗；分布类型；可靠性

0 引言

石化行业在国民生产中所占的地位非常重要，这就要求石化技术必须与时俱进，通常石油钻井设备包括机械、电磁、液压等部分。自动化立根排放系统是一种新型采油自动化设备，它能替代传统的人工操作，具有一系列的优点。其中自动化钻杆操作系统的优越性主要体现在［1］：第一，立根操作系统可以减少钻台平台工作人员的数量，减少企业的人力财力投入；第二，立根操作系统可以取代传统人工来完成一些比较危险的工作［2］，让高空作业实现自动化，所有动作均可通过远程遥控进行；第三，立根排放系统可以加快工程的进度，单根立根的存取只需要约3 min。随着立根排放系统的复杂化，必须对此类钻井设备进行可靠度分析，其分析过程也比较复杂［3］。本文为了得到较高的系统可靠性分析精度，从组成系统的元件开始分析，对元件所服从的分布类型进行考虑，利用蒙特卡罗法研究各回路的寿命分布类型，从而求出总系统的可靠性模型，了解立根排放装置的运行规律。

1 立根排放系统介绍

立根排放系统由二层台操作系统、钻台操作系统和液压吊卡构成，二层台和钻台操作系统又分别包含有机械手等结构。通过3个子系统的协同工作可以完成钻杆从钻台与钻杆存放区之间的移动，同时该系统还具有整体移动和旋转的功能。

表1 系统元件的可靠性数据

钻台排放装置和二层台排放装置都分别包括：总油路、滑动机构、回转机构、机械手臂机构、机械手爪机构等回路。各回路之间均为串联关系，二层台及钻台的可靠性框图如图1所示。

图1 二层台、钻台可靠性框图

2 立根排放系统可靠性分析

2.1 元件可靠性

根据立根排放装置的组成元件，对其可靠性参数进行查询，可得到系统中各元件的基本可靠性参数，见表1。

2.2 各回路可靠性分析

对各回路中的i个元件，根据其寿命分布类型分别进行蒙特卡罗抽样，得到该回路中各元件的一组寿命抽样值，根据串联系统可靠性原则，各回路可运行时间即为各个元件中抽样寿命的最小值。重复n次抽样，得到各回路的n组寿命抽样值，根据这组抽样值，通过K-S检验法［6］对其服从的寿命分布类型进行检验［7］，检验结果如表2所示。

表2 各回路分布类型的判断

表3 立根排放系统分布类型判断

图2 随机抽样及正态分布拟合概率图

2.3 总系统可靠性分析

根据各个回路的分布类型分别对6个回路进行蒙特卡罗抽样，抽样方法与子回路抽样方法相同，得到立根排放系统的n组寿命抽样值，再用K-S检验法确定出立根排放系统所服从的分布类型，分析结果如表3所示。

由表3可知，立根排放系统服从正态分布和威布尔分布，但因正态分布的测量统计量值较小［8］，故选取正态分布为立根排放装置的可靠性分布模型，分布参数为：均值716，标准差337。蒙特卡罗抽样结果和拟合出的正态分布曲线如图2所示。

图3 立根排放系统可靠性趋势图

从图2可以看出，拟合出的正态分布曲线与蒙特卡罗的抽样结果在运行100 h后基本重合。由抽样数据趋势线可以看出100 h前的立根排放系统可靠度在98%以上，运行比较安全；系统工作500 h，可靠性保持0.74。

3 立根排放系统可靠性规律

立根排放系统运行寿命服从均值为716，标准差为337的正态分布，据此绘制出立根排放系统的可靠性趋势图，如图3（a）；立根排放系统的故障概率密度图，如图3（b）；立根排放系统的故障率函数图，如图3（c）。

由图3（a）可以看出立根排放系统的可靠性趋势及系统故障分布趋势；由图3（b）可以看出立根排放系统的故障概率极值点位于700 h左右；由图3（c）可知，随着立根排放装置运行时间的增长，系统的故障率不断增长，且增长幅度越来越大。

4 结论

针对立根排放系统的可靠性进行研究，给出立根排放装置的可靠性框图。组成系统的元件服从指数分布和威布尔分布两种寿命分布类型，利用蒙特卡罗法分别对指数分布和威布尔分布进行抽样，得出了各回路运行寿命所服从的分布类型。利用相同的抽样方法对各回路运行时间进行随机抽样，得出立根排放系统的寿命分布类型服从正态分布，分布参数为：均值716，标准差337。根据求得的系统分布类型及分布参数，给出立根排放装置的可靠性规律图、故障概率密度图和故障率趋势图。综合分析可知，立根排放装置运行500 h时的可靠度为0.74。由此可见运用蒙特卡罗法对系统进行抽样仿真是很有意义的，在实际工程中可以运用此法来了解系统的可靠性规律，以便对系统采取及时有效的维修措施，确保设备安全稳定运行。

［1］ 刘平全．钻井平台钻杆自动操作系统设计研究［D］．北京：中国石油大学，2010．

［2］ NicholsJ，KirschG．DrillingFacilityDesign-theValueofOperational Input［C］//AADE Technical Conference，Radisson Astrodome Houston，Texas，2003．

［3］ 杨柏光．钻杆立根排放装置机构设计及结构优化［D］．长春：吉林大学，2012．

［4］ 张艳敏，崔学政，杜永彬．水平/垂直钻杆自动操作系统及设计方案［J］．石油矿场机械，2011，40（3）：23-27．

［5］ 牟志忠．机械可靠性-理论·方法·应用［M］．北京：机械工业出版社，2011．

［6］ 何正风．MATLAB概率与数理统计分析［M］．北京：机械工业出版社，2012．

［7］ 于海春．潜油电泵机组使用可靠性研究［D］．大庆：大庆石油学院，2003．

［8］ 徐灏．机械设计手册［M］．北京：机械工业出版社，2000．

（编辑：启 迪）

Reliability Evaluation of Pipe Racking Device Based on Monte Carlo

ZHU Xiaoqing,ZHENG Qingyuan
（College of Mechanical Engineering,Changzhou University,Changzhou 213016,China）

Pipe racking device is a complex system in multiple distribution pattern,monte carlo method is used to evaluate its operation reliability.The unit that obeys exponential distribution and weibull distribution are randomly sampled,the K-S test is used to obtain the life distribution of each circuit.According to the distribution of each circuit, the same sampling method is used to reach the distribution type of pipe racking system and the parameters of the distribution,the operation reliability trend of the pipe racking device is also obtained.The reliability of the pipe racking device is 0.74 when it is running after 500 hours.

pipe racking device;monte carlo;distribution type;reliability

TE 928

A

1002－2333（2014）04－0038－03

朱晓清（1982—），男，工程师，研究方向为数控机床的运行可靠性。

2014-01-13