具有中介状态抽油杆柱失效故障树的可靠性分析

1、无具有中介状态抽油杆柱失效故障树的可靠性分析具有中介状态抽油杆柱失效故障树的可靠性分析杨延青（西南石油大学机电学院，四川成都 610500）摘要摘要：传统抽油杆柱可靠性分析常采用传统抽油杆柱可靠性分析常采用“正常正常”和和“失效失效”两级突变模式两级突变模式，未考虑到工程实际中的中介状态，本文在分析了抽油杆失效故障树的基础上，未考虑到工程实际中的中介状态，本文在分析了抽油杆失效故障树的基础上，提出基于提出基于 “安全中介失效安全中介失效”三级工作模式的抽油杆可靠性分析三级工作模式的抽油杆可靠性分析。采用随机采用随机事件的事件的 S S 并运算和并运算和 T T 交运算规则交运算规则，建立具有中

2、介状态抽油杆柱失效故障树可靠建立具有中介状态抽油杆柱失效故障树可靠性向量的计算方法，求出抽油杆工作期间处于各种工作状态的概率，即安全概性向量的计算方法，求出抽油杆工作期间处于各种工作状态的概率，即安全概率，中介概率和失效概率，算例表明分析结果更加符合实际情况。率，中介概率和失效概率，算例表明分析结果更加符合实际情况。关键词：抽油杆柱；中介状态，故障树；概率关键词：抽油杆柱；中介状态，故障树；概率ReliabilityAnalysis for Failure Tree of Sucker Rod String withIntermediate StateAbstract ：Two mutatio

3、ns states of normal and failure have been frequently appliedin the reliability analysis of traditional sucker rod string, without considering theintermediate state in actual engineering. The reliability analysis for sucker rod stringwith three-level mode of Safety-Intermediary-Failure is put forward

4、, based on thefailure tree analysis. A kind of algorithm has been built up for the reliability vector ofthe failure tree of sucker rod string with intermediate state, with application of therules of the S union and T intersection operation in random events. The probability ofsucker rods various work

5、ing state is figured out, it can be also called safety,intermediary and failure probability. As a result, the numerical example shows that theanalysis result matches well with the actual situation.Keywords： Sucker Rod String; Intermediate state; Failure tree; Probability抽油杆的主要失效形式为疲劳断裂和腐蚀疲劳断裂，抽油杆的断脱

6、事故严重影响原油产量，增加了修井费用，提高了原油成本。为了提高抽油杆工作的可靠性和使用寿命，文献1 6从不同角度对抽油杆柱的可靠性进行了研究，对提高抽油杆柱的使用寿命起到了重要作用。把抽油杆柱看成一个系统， 而系统的可靠度是指在规定条件下和规定时间内该系统完成规定功能的概率。 现有的可靠性理论都是把单元和系统的工作状态分为“安全” 和“失效级”, 从安全到失效采取“突变”的模式。然而抽油杆柱的“断裂”或者“失效”本身常常具有随机、模糊、中介等多种不确定性因素，这是个动态的变化过程. 传统的模糊可靠性理论由于引入了模糊工作状态， 因素处理方法不断细化，使得分析模型越来越复杂，计算方法过于烦琐，难

7、以为工程实际所应用 6。基于此，本文在对抽油杆柱故障树分析的基础上，采用具有“安无全中介失效”三级工作模式的单元和系统的可靠性分析方法7 9，运用随机事件的并运算和交运算规则， 同时考虑了故障树基本事件间的失效相关参数的不同取值对系统可靠性的影响， 给出了具有中介状态的抽油杆柱可靠性向量的计算方法。1 理论模型理论模型1.1 可靠性向量可靠性向量具有“安全中介失效”工作状态的单元和系统的可靠性，可以用可靠性向量7-8来表示.,=,RMFP PPR M F 或（1）式中：RP（简记为R）0,1是处于安全状态的概率（简称为安全概率，即传统意义的可靠度）；MP（简记为M）0，1是处于中介状态的概率（

8、简称为中介概率）；FP（简记为F）0，1是处于失效状态的概率（简称为失效概率） .由于3 种状态相互独立且完备，故概率间存在:1RMF(2)的关系. 因此，R,M,F三者中仅有两个独立，总有中介概率:1MRF (3)的关系可以利用. 当M=0时，即蜕化为原有的“安全失效”模式，其可靠性向量为R，F.本文研究具有N 个基本事件的故障树系统的可靠性向量:,R M F (4)的计算方法，条件是已知各基本事件的可靠性向量:,1,2,3.,iiiiR M FinN (5)在分析元和系统的安全状态时，可以把中介状态和失效状态组成“非安全状态”；在分析失效状态时，可以把中介状态和安全状态组成“非失效状态”.

9、 这时，具有“安全失效”模式的并、交模运算规则仍可利用，并能正确地反映中无介状态的影响.1.2 模糊逻辑门算子模糊逻辑门算子传统故障树分析中顶事件的失效概率是利用逻辑门算子对基本事件发生的概率进行运算获得的. 当事件发生的概率采用“安全中介失效”三级工作模式处理时，算子采用模糊逻辑门算子7-10 . 这里仅对与门和或门进行讨论。取事件发生的概率为精确值iP，与门算子为：1nandiiPP（6）式中iP为事件 i 发生的概率，为精确值.如果事件i发生的概率为,iiiR M F，则与门的模糊算子为：1,2,11,2,1,2,11111nnnnnRRRRRR(7)1,2,11,2,1,2,11111

10、1nnnnnFFFFFF (8)式中相关参数在0,1区间取值，相关性越强值越小，中介概率 M 可按公式（3）求得。传统的故障树分析中，或门算子为：11(1)ncrniPR （9）如果事件i发生的概率为,iiiR M F，则或门的模糊算子为：1,2,11,2,1,2,111111nnnnRRRRR （10）1,2,11,2,1,2,11111nnnnnFFFFFF（11）式中相关参数在0,1区间取值， 相关性越强值越小. 中介概率M可按公式(3)求得。2 抽油杆柱故障树分析抽油杆柱故障树分析在抽油杆柱故障树分析中，故障树顶事件选择为抽油杆柱工作失效。对抽油无杆柱系统而言，失效主要包括：断裂失效和

11、丝扣松脱失效。进一步分析发现，引起断裂失效的原因有杆身过度变形、接头公扣疲劳断裂、杆身或接头断裂；引起丝扣松脱的原因有载荷影响和丝扣的非正常连接。每个失效类型可以再进行细分，直到不能再分或者不必再分为止。这里采用文献 6的研究成果。建立故障树后应进行定性分析和定量分析。定性分析是找出故障树中的最小割集，定量分析是根据基本事件发生的概率求出顶事件发生的概率。抽油杆柱的故障树分析，文献 6给出了定量分析的结果，本文引用的数据见表1.根据表1重新建立抽油杆柱失效故障树为图1图1 抽油杆柱失效故障树表1 抽油杆柱基本事件数据代号基本事件结构重要度概率X1非对称循环载荷0.95310.62,0.12,0

12、.26X2杆管机械磨损0.51560.75,0.12,0.13X3抽油杆过度变形0.50000.83,0.14,0.03X4振动、冲击载荷影响0.48430.78,0.11,0.11X5杆身表面质量0.34380.72,0.05,0.23X6材料机械性能0.21880.70,0.05,0.25X7表面介质腐蚀0.17190.60,0.22,0.18：逻辑与：逻辑或P：抽油杆柱失效B：接头丝扣松脱C：断裂失效B1：载荷影响B2：丝扣非正常C1：杆管磨损C2：接头公扣疲劳断裂C3：杆身或接头断裂无3 抽油杆柱可靠性向量的计算抽油杆柱可靠性向量的计算1） 各基本事件相互关联，若相关系数=0.3，则按

13、式（7）（8）求得：1340.78 0.830.641611 0.3 1 0.75 1 0.83cXXRR1341 0.13 1 0.0310.132411 0.30.13 0.03cXXFF1341111 0.64160.13240.2260cXXccMMFR 即：1340.6416,0.2260,0.1324cXX 同理可得：2170.4716,0.1099,0.4185cX X ，31560.4823,0.1124,0.4053cX XX 按 式 （ 10 ）（ 11 ） 求 得1140.8327,0.1112,0.0561BX X 同 理 可 得 :2570.7621,0.0621,0

14、.1758BXX ;0.9284,0.0499,0.0217 。2）各基本事件相互独立，则相关系数=1，则按式（7）（11）0.9663,0.0300,0.0037 4 结论结论（1） 本文提出的具有中介状态的抽油杆柱系统可靠性向量计算方法考虑了零件的实际磨损过程， 很好地描述了抽油杆柱在出现磨损故障之前经历的从完好到故障的逐渐转化过程；（2） 根据现场数据和专家确定的不同值可得到不同抽油杆柱的可靠性向量，也就可以得到不同的安全概率，中介概率和失效概率；（3） 通过计算模糊逻辑门算子，获得顶事件发生的概率。 该方法具有较大的灵活性和适应性， 可将现场和少量试验数据与工程技术人员的经验相结合起来

15、，更符合工程实际。这种可靠性向量的计算方法可以实现程序化，有利于现场推广应用， 克服了传统的抽油杆柱故障树分析法中概率难以精确赋值的缺点。无参考文献：参考文献：1 崔旭明，张玉斌，张连滨。 抽油杆可靠性指标的确定J. 油气田地面工程，1995，12（2）：8- 10.2 刘东伟，王优强。抽油杆断脱故障树分析J. 石油矿场机械， 2007，36（9）：91- 93.3 肖芳淳. 抽油杆疲劳强度价值可靠性分析 J . 钻采工艺， 2000， 23 （6） ：46-47.4 张耀武，张玉斌. 抽油杆柱工作的使用可靠性研究J. 工艺技术经济，1996，15（2）：117- 120.5 付亚荣，蒲祥金.

16、基于疲劳强度的抽油杆柱设计J.重庆石油高等专科学校学报，2001,3（4）：13- 14.6 张玉斌，王景昌，李志杰. 抽油杆的可靠性分析J.大庆石油学院学报，1996，20（3）：65- 69.7 王光远，张鹏. 具有中介状态的工程系统的可靠性分析J. 土木工程学报，2001，34（3）：13- 17.8 王光远，张鹏，陈艳艳，等. 工程结构及系统的模糊可靠性分析M. 南京：东南大学出版社，2001.9Zhang Peng， Lu Dagang， Wang Guangyuan. Reliability analysis of votingengineering systems with intermediate state beforefailureJ. Advancesin Systems Science and Applications，2000，