水下采油樹系統(tǒng)泄漏風(fēng)險分析

1、基于網(wǎng)絡(luò)水下采油樹系統(tǒng)泄漏風(fēng)險分析坤大學(xué)機電生山東 青島266555）安全事故的發(fā)生。文章利用故障樹與（摘要：為研究水下采油樹系統(tǒng)油氣泄漏問題，預(yù)防網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的，建立了水下采油樹系統(tǒng)泄漏的模型，實現(xiàn)了對系統(tǒng)的風(fēng)險評估。融合先驗數(shù)據(jù)和理論，有效地計算故障的概率分布，并計算底的重要度因子，找相對薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對水下采油樹系統(tǒng)泄漏事故風(fēng)險的分析。研究結(jié)果表明：采用故障樹模型和理論的，可以有效地克服傳統(tǒng)故障樹分析的局限性，而且分析結(jié)果與歷史統(tǒng)計經(jīng)驗吻合，驗證了網(wǎng)絡(luò)在評估采油樹系統(tǒng)泄漏風(fēng)險分析方面的可行性。所得結(jié)論對保證水下采油樹系統(tǒng)安全、正常運行具有重要意義。：采油樹系統(tǒng)；泄漏；故障樹分析；理論；重要

2、度因子號: TE952文獻標(biāo)識碼：ARisk Analysis of Subsea X-Tree System leakage Basedon Bayesian NetworksLiu Jian Zhu Yuankun Qin Haozhi Wang Bingxiang XiaoWensheng(College of Mechanical and Electronic Engineering,University of Petroleum QingDao 266555,)Abstract: In order to study the problem of oil leakage in Subs

3、ea X-tree system and prevent theoccurrence of major safety accidents. In this paper, the fault tree and Bayesian network arecombined, By establishing the Bayesian mof Subsea X-Tree System leakage, to achieve therisk assessment of the system. Combining the prior data with Bayesian theory, the probabi

4、lity distribution of system failure can effectively be calculated, the importance factor of each event iscalculated, and then finds out the weak parts of the system, and to realize the risk analysis ofSubsea X-Tree System leakage accident. The results show that the fault tree mand Bayesianmethod can

5、 effectively overcome the limitations of the traditional fault tree analysis method, and the analysis results are in good agreement with the historical statistical experience, which provesthe feasibility of the Bayesian network method in evaluating the leakage risk analysis of the treesystem. Theis

6、of great significance on guaranteeing operation safety of subsea X-tree.Key words: X-tree System; leakage; fault tree analysis; Bayesian theory; importance0 引言近年來，由于陸上石油和天然氣資源日益枯竭，許多開始將目光投向海洋。而水下生產(chǎn)系統(tǒng)作為海洋油氣資源開采的主要發(fā)展模式，近年來國內(nèi)外對其的研究也越來越多。采油樹系統(tǒng)作為深海采的中轉(zhuǎn)站，其研發(fā)重心正逐步向適用于深水或超深水油氣開發(fā)方向發(fā)展1。其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。，隨著海洋油氣開發(fā)深度的

7、增加以及海洋環(huán)境條件的復(fù)雜性，采油樹正著各種的各樣的，其中最重要是其安全和可靠性問題2。而采油樹作為深海采油氣中轉(zhuǎn)站，因在惡劣環(huán)境中（高溫高壓、強腐蝕、維修等）長期運行工作，因此，采油樹系統(tǒng)泄漏風(fēng)險是相當(dāng)高的，所以對其開展泄漏風(fēng)險分析是必不可少的。生產(chǎn)閥環(huán)空閥采油樹樹帽轉(zhuǎn)換閥生產(chǎn)翼閥XOV環(huán)空翼閥ASVPSVPWVAWV油管掛生產(chǎn)液接口油管環(huán)空接口AMVPMV環(huán)空主閥生產(chǎn)主閥采油樹連接器井口頭井下安全閥SCSSV圖 1 立式采油樹結(jié)構(gòu)示意圖目前，廣泛應(yīng)用于減少海上作業(yè)風(fēng)險分析的技術(shù)主要故障樹、事故樹、可靠性框圖、網(wǎng)絡(luò)（BN）由于靈活的結(jié)構(gòu)故障模式與影響分析、網(wǎng)絡(luò)以及馬爾可夫鏈等。3等人以及應(yīng)用

8、概率理論處理不確定性的優(yōu)勢，近年來得到了越來越多的應(yīng)用。Cai Bao（BN）理論來定量評估三類人為因素導(dǎo)致海上井噴的分析。Wang Guang4應(yīng)用動態(tài)提出一種基于網(wǎng)絡(luò)（BN）的故障模型，用于復(fù)雜天氣環(huán)境對鐵路道岔系統(tǒng)的影響。Bobbio5等人提出了一種將故障樹或者動態(tài)故障樹轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)（BN）的算，有效的將法。Maryam Kalantarnia6等人采用理論和失效評估的相結(jié)合網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r更新發(fā)生的可能性應(yīng)用于系統(tǒng)的失效概率的計算。1 理論1.1概述網(wǎng)絡(luò)理論網(wǎng)絡(luò)（BN）是一個被廣泛應(yīng)用于定量風(fēng)險分析領(lǐng)域的圖形化技術(shù)，它是通過有向無環(huán)圖（directed acyclic graph, DAG）

9、來表示一組隨量和條件依賴的概率圖模型7。其網(wǎng)絡(luò)主要包含節(jié)點、弧和若干條件概率表（conditional probability table, CPT），其中節(jié)點代表變量，而節(jié)點間的有向弧代表的是變量之間的因果8。如圖 2 所示，給出了一個簡單的L1 和 L2 連接。網(wǎng)絡(luò)例子，節(jié)點 A、B 為根節(jié)點，C 為子節(jié)點，跟節(jié)點和子節(jié)點是由弧ABL1L2C圖 2，一個簡單的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)隨網(wǎng)絡(luò)例子量 Xi = X1 ,.,X n 的聯(lián)合概率分布考慮變量的條件依賴P(X)，可以表示為：P ( XiPa ( Xi )P ( X1, XN ) =（1）N )式中， Pa ( Xi ) 表示為變量 Xi (i = 1

10、, n) 所有父節(jié)點的集合，而 P ( X1, XN ) 反映網(wǎng)絡(luò)的特性9。在的是網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點之間的因果是由條件概率函數(shù)決定定理。給定變量 Y，那么 X 的條件概率：的，而條件概率的計算是應(yīng)用P ( X ) P (Y X ) P (Y )P ( XY ) =（2）1.2故障樹理論故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)AT）是一種運用多種圖形元素，按發(fā)生的逆順序進行的邏輯演繹法。它反映了故障之間的因果邏輯，各之間是相互的，發(fā)生或不發(fā)生兩種狀態(tài)，即正?；蚬收?0。雖然 FAT 與 BN 兩種分析方所有法類同，但是故障樹分析考慮因素多，工作量大，計算繁瑣，容易導(dǎo)致較大誤差。1.3故

11、障樹向網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)建立故障樹并轉(zhuǎn)化為 BN，并利用 BN 概率推理求解基本的故障概率，是目前基于 BN 的分析計算的主要研究成果3-6。將故障樹向網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化，其中故障樹和網(wǎng)絡(luò)之間的障樹中邏輯門對應(yīng)是相互對應(yīng)的，即故障樹中的對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，而故網(wǎng)絡(luò)的連接強度，并且網(wǎng)絡(luò)與故障樹各之間的輸入、輸11。出也是一致的。圖 3 給出了故障樹與網(wǎng)絡(luò)一個簡單與或門的PrA=1PrB=1PrA=1PrB=1CCABABPrC=1IA=0,B=0=0 PrC=1IA=0,B=1=1 PrC=1IA=1,B=0=1 PrC=1IA=1,B=1=1PrC=1IA=0,B=0=0 PrC=1IA=0,B=1=0 PrC=

12、1IA=1,B=0=0 PrC=1IA=1,B=1=1CCABAB圖 3 一個簡單與或門的2 實例分析2.1 建立故障樹海底采油樹系統(tǒng)主要由井口連接器，套管，油管懸掛器，堵塞器，樹帽，和各類閥門系統(tǒng)組成12。在正常生產(chǎn)過程中，油氣流經(jīng)井下安全閥和井口連接器到采油樹生產(chǎn)通徑，然后途徑主閥、翼閥，最終轉(zhuǎn)接到生產(chǎn)系統(tǒng)其它。在這個過程中，所有的密封設(shè)備處于惡劣環(huán)境中，易造成泄漏。為了分析海底采油樹系統(tǒng)的油氣泄漏，在圖 4 所示的故障樹邏輯圖中列出所有可能會導(dǎo)致海底采油樹系統(tǒng)油氣泄漏的潛在的危害。為此，我們選擇了采油樹系統(tǒng)油氣泄漏為頂部事件?？紤]到海底生產(chǎn)系統(tǒng)本身有冗余設(shè)計，故其機械部件本身失效是非常罕

13、見的。所以，本文著重考慮油氣生產(chǎn)過程中采油樹系統(tǒng)可能出現(xiàn)密封故障、閥門故障和各連接處故障。TM1M2M3M6M7M8M9M10M11X2X3X6M12X4X7X19M13X20X21M16X22X1X2 XX8X9 X10 X11M15X12 X13X14X23X24X25X2 X26X5M17X15X16X17X18圖 4 采油樹系統(tǒng)的油氣泄漏的故障樹通過對采油樹系統(tǒng)或生產(chǎn)系統(tǒng)油氣泄漏的故障基本收集和調(diào)查它們失效概率的統(tǒng)計。本主要參考文獻13,14,15以及國內(nèi)油氣泄漏方面的據(jù)（先驗概率），如表 1 所示。意見，匯總出失效概率數(shù)3X4M14M4M5表 1 基本及故障概率(Majeed Abi

14、mbola,2015;Won-Woo Yoo,2013;OREDA,2002)部件描述先驗概率后驗概率部件描述先驗概率后驗概率T采油樹系統(tǒng)泄漏X5阻塞器密封失效1.62E-031.68E-02M1采油樹帽泄漏X6生產(chǎn)主閥內(nèi)部泄漏5.17E-035.36E-02M2采油樹閥門泄漏X7節(jié)流閥與管道密封失效4.80E-034.98E-02M3連接器泄漏X8生產(chǎn)翼閥內(nèi)/ 外泄漏1.68E-031.74E-02M4內(nèi)部采油樹帽、頂部阻塞器與件泄漏X9轉(zhuǎn)換閥外泄4.37E-034.53E-02M5樹帽和油管掛之間泄漏X10生產(chǎn)抽汲閥內(nèi)/外泄3.19E-033.31E-02M6主閥未關(guān)閉/ 泄漏X11化學(xué)注

15、射閥泄漏5.62E-035.83E-02M7節(jié)流管線泄漏X12PMV、PWV插頭密封失效4.56E-034.73E-02M8井口-采油樹連接器X13PMV 密封失效1.03E-031.07E-02M9采油樹-跨接管連接器X14PWV 密封失效1.03E-031.07E-02M10樹帽泄漏X15轉(zhuǎn)換閥內(nèi)泄4.37E-034.53E-02M11阻塞器、樹帽泄漏X16環(huán)空翼閥外/ 內(nèi)泄漏1.68E-031.74E-02M12主閥上面閥門密封失效X17環(huán)空抽汲閥內(nèi)/外泄2.48E-032.57E-02M13SCSSV 未按要求關(guān)閉X18過油管線外泄8.23E-038.54E-02M14阻塞器密封失效X

16、19油管掛本體密封失效5.19E-035.39E-02M15轉(zhuǎn)換閥泄漏X20套管、樹體密封失效1.26E-031.31E-02M16SCSSV、PMV、PWV節(jié)流閥未按要求關(guān)閉X2 1井口連接器密封失效4.16E-034.32E-022.2 構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)根據(jù)轉(zhuǎn)換算法，將圖 4 所示的采油樹系統(tǒng)的油氣泄漏的故障樹轉(zhuǎn)化成網(wǎng)絡(luò)，如圖5 所示。從圖 5（a）可以看出，故障樹頂和基本被轉(zhuǎn)化成相對應(yīng)的子節(jié)點和父節(jié)點。并給出子節(jié)點的先驗概率以及節(jié)點之間的條件概率和聯(lián)合概率分布，并利用（NETICA），完成其系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。從圖 5（b）可以看出，在結(jié)合表 1 的故障概率（先驗概率）以及圖 4 故障樹模型，并利用，有

17、效的將故障樹模型轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)。得到完整的采油樹系統(tǒng)油氣泄漏的網(wǎng)絡(luò)拓撲。從整個9.63%。網(wǎng)絡(luò)模型計算可以得知，采油樹系統(tǒng)油氣泄漏發(fā)生的概率為（a）（b）圖 5 采油樹系統(tǒng)的油氣泄漏的網(wǎng)絡(luò)反向推理分析模型2.3應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)對采油樹系統(tǒng)油氣泄漏進行風(fēng)險評估，是將已知的先驗概率作為一組隨M17采油樹環(huán)空泄漏X22跨接管斷裂8.12E-048.43E-03X1采油樹插頭密封失效2.44E-032.53E-02X23節(jié)流閥未按要求關(guān)閉1.42E-031.47E-02X2、樹帽密封失效3.14E-033.26E-02X24SCSSV 未按要求關(guān)閉8.54E-038.86E-02X3樹帽、油管掛密封失效1.62E

18、-031.68E-02X25跨接管-連接器失效7.35E-037.63E-02X4節(jié)流閥密封失效5.26E-035.46E-02X26下部阻塞器密封失效4.80E-034.98E-02量，并按照條件概率的原則對采油樹系統(tǒng)油氣泄漏進行概率推理，進而分析各個節(jié)點對系統(tǒng)的影響程度。底及頂?shù)耐评磉^程16。對圖 5 所建立的網(wǎng)絡(luò)推理能夠點與父節(jié)點之間雙向，即由頂及底和由網(wǎng)絡(luò)進行反向推理時，是在采油樹系統(tǒng)油氣泄漏（1）發(fā)生故障情況下，各節(jié)點發(fā)生的后驗概率：P ( Xi =aj ,T = 1)P (T = 1)P ( Xi =aj|T=1) =, i = 1, 26, j = 0、1（3）在采油樹系統(tǒng)油氣泄

19、漏發(fā)生故障時，可以利用獲得的后驗概率，來出各節(jié)點及中間節(jié)點對系統(tǒng)影響程度，找到其薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)采油樹維修檢修提供參考。圖 7 給出了各部件故障的先驗概率和后驗概率的直方圖?？煽闯觯琗18 和 X24 故障的后驗概率最大，因此，通過利用這些后驗風(fēng)險分析提供參考依據(jù)。，在實際運行中可以對系統(tǒng)進行或，從而為系統(tǒng)整體圖 6采油樹系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)反向推理1.00E-019.00E-028.00E-027.00E-026.00E-025.00E-024.00E-023.00E-022.00E-021.00E-020.00E+00先驗概率后驗概率圖 7 基本先驗概率和后驗概率直方圖如圖 8 所示，給出一年后采油

20、樹系統(tǒng)油氣泄漏故障的概率。時間節(jié)點 0 表示采油樹系統(tǒng)油氣泄漏事故發(fā)生先驗發(fā)生概率，其余時刻為更新之后的后驗概率。隨著時間節(jié)點不斷推移，可以看到一年之后，系統(tǒng)失效的概率增加到 10.99%。X1X4 X7 X10 X13 X16 X19 X22X25失效概率圖 8 12后采油樹系統(tǒng)油氣泄漏故障的概率3 基本重要度分析重要度的意義在于系統(tǒng)發(fā)生故障時能有效地查找系統(tǒng)的失效。在網(wǎng)絡(luò)中，主要是由重要度來表達子節(jié)點與父節(jié)點的失效，它反映了父節(jié)點對子節(jié)點影響的重要程度17。由于網(wǎng)絡(luò)本身具有良推理能力，可以很容易對父節(jié)點 Xi 進行重要度分析。為此本文將重要度因子定義為：a = PYES - pi 100%

21、（4）ipYES其中， ai 表示父節(jié)點 Xi 的重要度因子； pYES 表示父節(jié)點 Xi 發(fā)生節(jié)點（頂）發(fā)生的概率； pi 表示父節(jié)點 Xi 不發(fā)生節(jié)點（頂）發(fā)生的概率。根據(jù)式（4），得到父節(jié)點的重要度因子如圖 8 所示。重要度因子圖 9 基本故障重要度因子由圖 9 可看出，X18、X24 為相對薄弱的環(huán)節(jié)，是最有可能造成采油樹系統(tǒng)的油氣泄漏故障的4 結(jié)論。分析結(jié)果與前者后驗概率分析結(jié)果相同，符合常理。本研究基于網(wǎng)絡(luò)對水下采油樹系統(tǒng)油氣泄漏問題進行了分析。首先，建立油氣泄漏風(fēng)險的故障樹，并應(yīng)用意見，利用網(wǎng)絡(luò)對所建立的故障樹進行轉(zhuǎn)化；其次，結(jié)合先驗概率以及NETICA 計算采油樹系統(tǒng)故障的概率

22、分布，找的薄弱點；最后，通過對基本重要度因子的分析，實現(xiàn)了系統(tǒng)中相對薄弱環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確定位。通過研究采油樹系統(tǒng)泄漏的故障問題，對水下采油樹系統(tǒng)長時間安全、正常作業(yè)具有重要意義。參考文獻.水下采油樹發(fā)展現(xiàn)狀研究J.石油礦場機械, 2015(6):6-13.1,Lu P W,Yuan X B.Research of D evelopm entStatus ofSubsea TreeJ. Oil Field Equipment, 2015(6):6-13.2 Gundersen D H Z. Evaluation of a Subsea Tree After 20 Years ProductionJ.

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