旋转防喷器动态可靠度模型研究

2016-09-16王岩，辛颖

西部探矿工程 2016年6期

关键词：石油机械喷器失效率

王　岩，辛　颖

（延安职业技术学院，陕西延安716000）

旋转防喷器动态可靠度模型研究

王岩*，辛颖

（延安职业技术学院，陕西延安716000）

旋转防喷器在工作过程中，由于工况和环境等因素的影响，经常会发生失效，出现井下复杂问题甚至造成井喷事故，因此分析旋转防喷器在工作过程中的可靠性就显得尤其重要。从模糊可靠度理论出发，根据旋转防喷器运行时的模糊状态集合，建立动态可靠度模型。应用专家估算出的模糊功能（状态）隶属度和模糊故障（状态）隶属度，得出动态可靠度和动态失效率，进一步可得到旋转防喷器的更换寿命。分析结果表明，动态可靠度模型具有一定的实用价值，不但为旋转防喷器的更换寿命的确定提供了依据，而且对旋转防喷器安全使用和管理都具有十分重要的意义。

旋转防喷器；动态可靠度；模糊可靠度；动态失效率

旋转防喷器是欠平衡钻井施工的必要设备，一旦处在失效的运行状态将造成井喷事故，对经济、人员和设备都会造成重大损失，因此有必要对运行过中的旋转防喷器进行可靠性分析［1］。旋转防喷器可靠性是指，防喷器在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。描述可靠性的指标主要有可靠度、失效率、更换寿命等。本文所研究的动态可靠度，是指旋转防喷器运行到时间t后至下一个时间t+1内，能正常发挥功能的概率。所以，只要知道旋转防喷器在一定的时间内，某一特征量的动态信息，运用相应的数学模型便可得到旋转防喷器运行到任意时刻t的动态可靠度［2］。研究可靠度就是要首先分析失效型式，然后针对其失效型式找出失效规律，可以用失效分布或分布密度来表示。由于旋转防喷器在工作过程中要受到压力、腐蚀、振动、磨损等因素的影响，所以其失效形式多种多样。为此本文从模糊可靠度理论出发，根据旋转防喷器运行时的模糊时序集合，建立动态可靠度模型。根据专家估算出的模糊功能（状态）隶属度和模糊故障（状态）隶属度，得出动态可靠度和动态失效率，进一步可得到旋转防喷器的更换寿命。分析结果表明，动态可靠度模型具有一定的实用价值，不但为旋转防喷器的更换寿命的确定提供了依据，而且对旋转防喷器安全使用和管理都具有十分重要的意义。

1　模糊可靠度理论分析［5］

依据传统的可靠性理论，旋转防喷器总是处于正常状态或故障状态之一，但是处于何种状态是随机的。如果从模糊可靠性理论角度分析，旋转防喷器从正常状态过渡到故障状态，是一个逐渐而模糊的过程，因此可以假设旋转防喷器的状态集合为：

式中：N——防喷器所处的状态总数。

上述分析的是指防喷器在某一时刻的状态，实际上旋转防喷器在工作过程中的状态，是随时间t不断变化的，主要原因是内部零件受到压力、摩擦、磨损等多种形式的作用。因此，公式（1）可以用下式表示：

可以把旋转防喷器的运行状态集合表示为：

如果假定各个状态是相互独立的，以P（si）表示状态si发生的概率，那么。在检测旋转防喷器状态之前，就已经知道了各个状态的发生概率，即，我们把这种概率分布称为先验概率分布。在实际工作中，只依靠先验概率去分析旋转防喷器状态是片面的，因为旋转防喷器运行过程中，伴随有振动、噪声、磨损等动态信息发生。通过对旋转防喷器运行过程中的动态信息进行检测，可以得到相关动态信息源，即X=（x1，…，xi，…，xM），称为概率信息源。这样对于状态s1，…，si，…，sN，所发生的概率就会变为：

式中：

2　动态可靠度模型［6］

我们利用旋转防喷器的运行时序状态集合St，给出模糊功能（状态）子集：

式中：si∈St；t=1，2，…，T，“+”并不表示加法，而是一种联系符号，μNti表示状态si对模糊功能（状态）子集的隶属度。

根据模糊随机事件概率的定义，将模糊功能（状态）概率可表示为：

于是我们可以得出，模糊故障（状态）概率为：

式中：

其中：si∈St；t=1，2，…，T，称为模糊故障（状态）子集，μFti表示状态si对的隶属度。

利用现场专家的经验估算出μNti和μFti的值，专家可以根据旋转防喷器在运行过程中所反映出来的状态，对该状态下的压力、摩擦、磨损等分析，然后再进行估算。根据前面叙述的模糊可靠度理论，我们将旋转防喷器能够在时间t和t+1（获取后验信息的时间）内发挥功能的概率，也就是模糊功能（状态）概率，称为转防喷器的动态可靠度，即：

从上式可以看出，动态可靠度是时间t的函数，而动态失效率可以看成旋转防喷器运行时间t后，单位时间内发生故障的概率，记为：

令Δt=1，再由公式（8）和（10），则上式变为：

由此可见，旋转防喷器动态失效率λ（t）随时间t增加而上升，动态可靠度R（t）随时间t增加而降低。

3　动态可靠度计算［7-12］

在t时刻测量工作中的旋转防喷器的动态信息X，由所测得动态信息量组成概率信息源为：X=（x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10，x11，x12，x13），它们的概率用下式表示：

在X上的模糊信息源为：

式中：

从图1中可以看出，旋转防喷器的运行状态，首先是功能早期阶段，可靠度是随着时间的延长而逐渐减小，失效率是逐渐增加的，主要的原因是旋转防喷器使用初期，材料内部有缺陷、设计不合理和检验疏忽等因素造成。其次是功能稳定阶段，随着旋转防喷器能够适应外部环境的变化，旋转防喷器处于最佳工作状态时期。最后是风险运行阶段，该阶段的失效率是随时间的延长而逐渐增加的，而可靠度是逐渐降低。原因是旋转防喷器老化、磨损、密封泄露等情况的出现。