（安全技术及工程专业论文）闸板防喷器可靠性研究.pdf

r e s e a r c ho nr e l i a b i l i t yo f t h er a mb i o w o u tp r e v e n t e r w a n gd a o b a o ( s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h a n gj i n z h o n g a b s t r a c t t h er a mb o p ( b l o w o u tp r e v e n t e r ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h e s e c o n d a r yw e l lc o n t r o le q u i p m e n t t h er e l i a b i l i t yo fr a mb o p n o to n l yr e l a t e st ot h es m o o t h a n ds a f ed r i l l i n go p e r a t i o n ，b u ta l s ot oe x t r a c t i n go i lo nt i m ea n de n s u r i n gt h es a f e t yo f o p e r a t i n gp e r s o n n e la n de q u i p m e n t t h er a mb o pi ss oi m p o r t a n ti nd r i l l i n g ，h o w e v e r , r e s e a r c hf o c u so nt h er e l i a b i l i t yo f r a mb o pi sv e r yl i t t l e s ob a s e do nt h er a mb o pp r o d u c e db yx i n d em a c h i n ew o r k sa s e x a m p l e ，t h ep h y s i c a ld e s i g n ，m a n u f a c t u r e ，o p e r a t i o n ，f a i l u r em o d ea n dp r o c e s s i n gm e a s u r e w e r ef o u n do u tb ys e a r c h i n gl i t e r a t u r ea n ds i t es u r v e y b a s e do nt h i s ，t h es t r u c t u r eo fr a mb o pw a sd e c o m p o s e df i r s t l yb ym a t u r er e l i a b i l i t y a s s e s s m e n tm e t h o d sa th o m ea n da b r o a d e v e r ye l e m e n tw a sa n a l y z e d ，a n dt h e nt h er a mb o p w a sd i v i d e dt os i xs u b s y s t e m sa c c o r d i n gt ot h e i rf u n c t i o na n dg a tq u a l i t a t i v ea n a l y s i sr e s u l to f e l e m e n t si n c l u d e di ne v e r ys u b s y s t e mb yf m e c a t h es u b s y s t e m sa n de l e m e n t si nf m e c a a n a l y s i ss h e e tw e r ee v a l u a t e da n dq u a n t i z e db ye x p e r ts c o r i n gm e t h o d ，a n dt h er e s u l tw a s t r a n s f o r m e dt o j u d g e m a t r i x e s c o r r e s p o n d i n g t o e v e r ys u b s y s t e mb yu s i n gf u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n s oe v e r ys u b s y s t e mw a sa s s e s s e db yf u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n ，a n dt h em a t r i x e st h a ts h o w e dt h es a f e t yd e g r e eo fr a mb o p w e r et r a n s f o r m e dt o r e l i a b i l i t yr a t e d u r i n gt h ep r o c e s so ff u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ，t h es u b s y s t e mt h a th a dl o w r e l i a b i l i t yw a sc a r r i e do ns e p a r a t ee v a l u a t i o na n dt h ew e a kp a r to ft h es u b s y s t e mw a sf o u n d o u t a tl a s t ，o n ec a l c u l a t i o ns o f tw a sc o m p i l e db yg u im o d u l eo fm a t l a b ，a n dt h ew h o l e f u z z ye v a l u a t i o nm e t h o dw a sb e e nr e a l i z e d t h er e s e a r c ha n dc a l c u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h er i s ko fs e a ls y s t e mb e t w e e nr a m s h a f ta n ds i d e d o o ro ft h er a mb o pi sl a r g e s t t h er i s ko fy - s e a l i n gr i n gi sl a r g e s ti nt h e s e c o n df u z z ye v a l u a t i o na n dn e e df u r t h e rm o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o n k e yw o r d s ：r o mb o p , r e l i a b i l i t yr e s e a r c h ，s y s t e m ，f m e a ，f u z z yc o m p r e h e n s i v e i u d g e m e n t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：羔亟叠日期：加j 。年月2 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部r t ( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：墨薹宝 指导教师签名： 日期：珈知年月z 日 日期：年月 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 该课题研究的意义和目的 防喷器是勘探开发高压油、气田，防止井喷事故发生和平衡钻井压力的关键井控设 备。它能有效保障在生产过程中安全、快速、有效的钻开高压油、气层，控制井口压力。 由于它封闭的井内介质都是高压、易燃的天然气和石油，一旦外泄，则可造成不可估量 的后果，因而要求防喷器系统，在极短的时间内能够迅速、准确无误地执行控制井口压 力、防止井喷的功能【i 】。 闸板防喷器是二级井控设备中最重要的防喷装置之一。闸板防喷器密封可靠、耐高 压、可以长时间的关闭井口；可配备关闭各种钻杆、套管、油管的闸板，可配备关闭空 并的闸板，可配备剪断钻杆的闸板，还可配备在一定范围内变径的闸板。由于闸板防喷 器可以配备具有各种功能闸板，因此其可以实现众多作用。现在使用的闸板防喷器一般 都是由液压控制其开关。闸板防喷器还可以在无控制油压的情况下，或其他紧急情况下 使用手动操作关闭闸板，并在手动关闭的同时锁紧闸板；还可在液压关闭后手动锁紧闸 板。一旦手动锁紧后，即使液压控制失效，仍然可以有效的密封关闭井口。由于具备上 述多种功能和其可靠性能，闸板防喷器是钻探油气井过程中必备的井控设备。在钻探油 气井过程中，安装在井口的闸板防喷器必须随时处于良好的待用状态；在发生溢流关井 后，闸板防喷器必须保持良好的封井状态，保证二级井控压井工作正常进行，保障压井 工作万无一失，才能达到重建井内压力平衡的目的f 2 1 。 通过大量现场调查研究报告和查阅资料表明导致闸板防喷器失效的因素很多，而一 旦闸板防喷器失效，轻则影响油井生产，影响生产进度；重则可能会造成井喷失控，造 成财产损失和人员伤亡，因此对闸板防喷器进行可靠性分析是十分必要而又刻不容缓 的。对闸板防喷器进行可靠性分析可以找出其主要失效形式与薄弱环节，进而在闸板防喷 器的设计、生产、装备、运行、使用中采取相应的措施以提高闸板防喷器的可靠性和使 用寿命。 如何找出闸板防喷器失效模式和薄弱环节，提高其可靠性，稳定其使用时间，保障 油田生产为本文研究的目的。 1 2 可靠性的发展及基础理论 随着现代经济的快速发展和科学技术不断更新，越来越多的人认识到可靠性对于新 产品或者新技术在设计、生产和使用过程的巨大影响力。目前学术界普遍都以某一产品 第一章绪论 在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力作为其可靠性，可靠性已经成为 衡量产品和技术的一个重要指标。特别是随着科学技术的高速发展，设计制造的产品也 不再是由几个或者几十个元件组成，而是由上百、上万甚至是上百万的元件组成，这样 就更加决定了可靠性在分析产品质量和使用性能方面的重要作用【3 】。 从美国2 0 0 3 年哥伦比亚号航空飞机失事，是由飞机上一个或多个隔热瓦失效而引 发的悲剧，直接造成7 名宇航员死亡、航天飞机被毁，到近期2 0 0 9 年也门航空公司客 机坠毁导致1 5 2 人遇难。从前苏联切尔诺贝利核电站4 号反应堆爆炸，当场造成3 0 人 死亡，8 吨多强辐射物泄漏，电站周围6 万多平方公里土地收到直接污染，3 2 0 万人受 到核辐射；到2 0 0 0 年日本首个快中子增殖反应堆的核废料再处理工厂发生含放射性物 质的水泄漏事故，都有效的证明了可靠性研究是必不可少的、是需要长期深入的进行下 去。 可靠性的提出到如今已经有7 0 多年了，它的发展经历了以下几个阶段f 4 j ： 上世纪3 0 4 0 年代的初期发展阶段，这一时期经历了两次世界大战，战争中运输工 具和武器装备大多数不是在战火中被摧毁，而是由于非战争原因造成损失。该现象引起 了军方注意，并开始派专家研究这些武器装备失效发生的规律，可靠性问题就是在这个 时候应运而生的。直到第二次世界大战末期，德国火箭专家r l u s s e n 将v - i i 火箭诱导 装置看成一个串联系统，利用概率乘法，计算出其可靠度为7 5 ，标志着系统可靠性研 究此次开始了。 1 9 5 7 年6 月，美国电子设备可靠性咨询组a g r e e ( a d v i s o r yg r o u po nr e l i a b i l i t yo f e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ) 经过五年的研究发表了著名的军用电子设备的可靠性报告。这 次报告中提出了在研制与生产过程中如何对电子设备可靠性指标进行试验和鉴定的方 法，以及电子设备产品在生产、包装、储存和运输等方面要注意的问题和要求等内容。 这项报告被公认为可靠性理论和方法的奠基性文件。 1 9 5 8 年6 月，美国又成立了以贝尔电话实验室领导人达耐尔为首的可靠性管理研究 委员会，制订可靠性管理计划，颁布可靠性方面的军方标准及手册，并建立了全国性的 可靠性数据交换中心。与此同时，美国的许多学会也成立了可靠性委员会，出版可靠性 方面的专利论文集，举行一年一度的可靠性学术年会。 1 9 5 8 - 1 9 6 2 年间，其它工业发达国家先后仿效美国，大力开展可靠性研究工作。如 日本，成立了可靠性与质量管理研究小组，把美国航天航空及军事工业中的可靠性 研究成果应用到民用工业，尤其是在电子工业中开展p p m ( 甚p 完美的产品管理和把不良 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 品控制在百万分之几) 质量管理和z d ( 零缺陷) 运动，使工业产品质量大幅度提高，获得 良好的质量信誉。 6 0 年代后，由于产品结构日趋复杂，产品工作环境日益严酷，对产品的可靠性要求 越来越高。具体表现在以下五个方面： ( 1 ) 社会科学技术日新月异的发展，出现了大量的复杂产品系统，其功能多，自动化 程度高，元器件、零部件也越来越多。如汽车的零部件数为1 0 4 级，飞机为1 0 5 级，大 型计算机为1 0 6 , - - , 1 0 8 级，而阿波罗飞船有7 6 0 万个元件。 ( 2 ) 产品使用环境条件多样化和严酷化，基至于有些产品需适应多达数以成千上万种 的环境条件。 ( 3 ) 因产品向高级、精密、大型和自动化方向发展，其购置费剧增，停产损失也越来 越大，维修费用增长也十分迅速。几乎为原产品购置费的3 2 0 倍。 ( 4 ) 对产品系统的寿命周期要求越来越高，如通讯卫星要求在5 , - - - 1 0 年内的运转可靠 性不能低于0 9 ，海底电缆的寿命在2 0 - - 一4 0 年。 ( 5 ) 产品更新换代周期越来越短，产品系统的未知因素更增加不可靠性。 这些情况大大促进了可靠性技术研究工作，使可靠性研究从航空航天、电子和尖端 武器部门，迅速扩展到机械、电气、冶金、化工、铁道、船舶、电站、原子能、建筑、 通讯、医药和食品等工业，从复杂的宇宙飞船到日常生活中的洗衣机、复印机和汽车， 甚至可置入人体的细小的心脏起搏器都运用了可靠性设计，明确规定了可靠性指标，也 取得了很多成果和效果。 如1 9 6 1 年，美国贝尔电话实验室的瓦德松( h a w a t s o n ) 首先发明了失效树分析 方法( f t a ) ，以此推测常备发射系统的安全性。 1 9 6 5 年，海阿尔( d f h a a l ) 又进一步发展了失效树构造技术，并把f t a 应用到 工程技术上的安全性与可靠性上。 1 9 6 9 年7 月，由1 2 0 所大学、l5 0 0 0 个单位的4 2 万人共同参加研制，装有7 6 0 万 个元器件和零部件的阿波罗飞船成功登月，说明它可靠性已经达到了很高的水平，以至 于美国航空和航天局( n a s a ) 将可靠性技术列为三大技术成就之一。 日本从美国引进可靠性管理技术并推广应用在民用工业中，例如汽车、电子产品、 工程机械等众多产品，使其可靠性越来越高，产品质量越来越好，从而日货畅销全球， 在激烈的国际贸易竞争中取胜，并成为经济强国。如在5 0 年代，小汽车的保用期仅为 9 0 天或4 0 0 0 英里，而到了7 0 年代一下子提高到5 年或5 万英里。 第一章绪论 相反，产品可靠性差，则会严重地影响到国家的安全与声誉。如1 9 8 4 年1 2 月，印 度博帕尔的农药厂，由于毒气罐阀门失灵，造成了3 0 0 0 人死亡特大事故。 正面的经验和反面的惨痛教训，使越来越多的工业部门认识到可靠性管理的重要 性。目前，国内外许多部门都规定，没有可靠性指标或未进行可靠性设计的产品不能投 产。 我国对于可靠性研究起步较晚，在5 0 年代后期才开始建立可靠性和环境适应性的 试验研究基地，主要调查、研究一些机械和电子产品的使用可靠性及失效情况，并逐步 开展产品可靠性和环境适应性试验。 6 0 年代之后，在钱学森的倡导下，我国在航天、机械、电子、仪表等部门开展大量 的产品可靠性和环境适应性研究与试验，并对产品进行失效机理分析，对设计、原材料、 工艺及技术管理等采取可靠性设计和控制，提高产品可靠性水平。 6 0 - 7 0 年代，随着我国原子弹、氢弹、人造卫星和火箭的先后发射成功，充分显示 出我国的可靠性技术管理水平已赶上当时的国际先进水平。 1 9 7 8 年以后，我国又把可靠性管理技术推广应用在民用产品领域。1 9 7 9 年，中国 电子学会电子产品可靠性和质量管理专业委员会召开了第一次工作会议。1 9 8 0 年，成立 了全国电子产品环境条件与环境试验标准化技术委员会，同年建立了可靠性数据交换 网。十多年来，民用产品可靠性管理也取得了显著成效。1 9 9 2 年5 月，小天鹅牌洗衣机 无故障运行达到5 0 0 0 次，跻身于世界先进行列。 由于我国的可靠性研究发展较晚，在理论和实践、运用方面都有待于进一步深入研 究探讨。虽然石油装备开发领域的可靠性工程还没有完整地开展过，但相近学科及领域 的发展己经为本项研究提供了可以借鉴的经验。也为本课题的研究打下了基础。 1 3 国内外防喷器的研究现状 防喷器是井控设备中的核心设备，用于控制井口压力，保障钻进工作顺利进行，进 而保障了钻进速度及钻井质量。在钻井作业中，一切特殊情况都有可能发生，而一旦发 生了特殊情况则就可能出现溢流、井涌、井喷等危险情况，此时相应的操作人员应立即 发出关井指令，防喷器必须迅速启动关井。如果此时防喷器失效不动作，将会导致井喷， 如果无法遏制住井喷，则会进一步的发生恶性事故，轻则造成设备损坏，重则造成油井 报废、设备烧毁、人员伤亡。因此，作为井控装置的关键部件，在钻井、修井、试油等 作业过程中起着控制井口压力的重大作用的防喷器，其可靠性高低与否是保证钻井作业 顺利进行和人身财产安全的关键环节之一【5 ，3 0 1 。 4 中国石油大学 1 0 ，且口j + 矿坻= 1 以易，b 2 ，b s 作为行构成二级综合评价矩阵： 死2 b ， b ： ： bs b b 。：b 。 b ：，b 笼b ：。 b 。b ，：b 。 ( 2 - 5 ) ( 3 ) 进行二级指标模糊综合评判 对a d 和勘采用加权平均模型进行二级综合评判，即b = a d 木r o = ( b ，b 2 ，以) ， 其中b ，= z ( a ，厂。) ( i 2 l ，2 ，n ) 。根据最大隶属度原则，最大的勿值对应的评语吩 i = 1 就是所要求的最佳评判结果。 二级模糊综合评判的模型框图见图2 1 ： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 1 二级模糊综合评判模型图 f i 9 2 - 1 t h em o d e lv i e wf o rt w os t e pf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 2 1 4 模糊评判结果的清晰化 由于模糊综合评判的结果是模糊向量，无法直观的展现出评判对象的评判结果，为 了直观而明确的确定评判对象的最终评判结果等级，需要对最终评判结果即该结果的模 糊向量进行清晰化处理。现在经常使用的清晰化处理方法有最大隶属度法和重心法。 最大隶属度法在综合评判中是一种比较常用的清晰化方法，对于最终评判向量b ， 运用最大隶属度b o = m a x ( b l ，b 2 ，巩) ，即取出结果向量中的最大值就可得出b d 。此 方法简单易行，但是缺点也是显而易见的，此种方法在清晰化的过程中没有考虑其他隶 属度较小因素的影响和作用，且当最终评判结果向量中最大数值不唯一时，则无法采用 最大隶属度法。由于本文是对闸板防喷器的可靠性进行评估，需对子系统的各个零件因 素都要考虑，如果采用最大隶属度法，则清晰化的结果不够精细，概括的精确量少，所 以不采用此种方法。 如采用重心法( 即加权平均法) 则能消除上述缺点，其计算公式： x ，b ， u = 旦-( 2 - 6 )疗、， b ， l = l 采用重心法来清晰化模糊评判结果能够反映整个系统的因素对评判结果的影响，反 映出整个模糊信息的精确值，由式子我们可以看出，加权系数不同，所得的精确值也就 不同。在此方法中，可以选用所计算出的评判向量6 作为加权系数，如为了突出重要元 素在评判结果中所体现的作用也可以选用评判结果向量平方即o ，) 2 作为加权系数。在此 第二章模糊综合评价方法 式子中x ，表示向量评判等级所对应的重要度赋值。 2 2 层次分析法( a h p 法) 确定因素的权重向量 在综合计算时，评估因素指标权重的确定是决定评估结果是否科学的关键环节。权 重的确定是一个重要而又困难的问题【l 引，平时运用的方法也很多，如传统的凭经验直接 给出的方法、a h p 法、指标权重的聚类分析法、客观性指标权重的未确知测度确定法等。 在这些众多方法中，层次分析法不但对权向量进行定量化判断，而且还可以对这种判断 进行一致性检验，以保证判断不至于偏离一致性过大，综合其优点及成熟的方法过程， 所以本文采用层次分析法来确定因素的权重向量。 2 2 1 层次分析法的产生和发展 层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，简写为a h p ) 是美国宾州大学教授t l s a n y 于7 0 年代初提出的，是一种简单而又有效的系统分析方法。最初层次分析法是从决策 分析发展而来，将定性分析和定量分析相结合，具有系统、灵活、简洁等优点，是分析 多目标、多准则的复杂系统的有力工具。该方法提供了对非定量事件作出定量分析的一 种简便技术，也给出了对人们主观判断客观描述的一种有效步骤，因此在计划制定、资 源分配、政策分析、冲突求解及决策预报等领域得到了广泛应用。 1 9 8 2 年l1 月，在中美能源、资源与环境学术会议上，由h o h o l a m n e z h a d 首先向中 国学者介绍了a h p 方法，a h p 此次进入中国，一些学者开始关注并研究a h p 法。我国 于1 9 8 7 年9 月召开了a h p 学术讨论会，1 9 8 8 年在我国召开了第一届国际a h p 学术会 议，1 4 0 多名中外学者就a h p 得理论和应用进行了交流和讨论。现在，a h p 方法在我 国能源分析、城市规划、经济管理、科研评价等许多领域得到了广泛的重视和运用。f 2 i 】 层次分析法在模糊综合评判中最突出的作用是很好地解决了如何获得权重的问题， 是对模糊综合评判方法的完美补充。当前，层次分析法和模糊综合评判方法的联合使用 已经非常成熟，相关理论和研究屡见不鲜。 2 2 2 层次分析法的基本思想和实施步骤 层次分析法的基本思路是首先找出影响复杂系统的各种主要因素，并将这些因素按 其相互关系、隶属关系构造成递阶的多层结构模型，通过对层层结构中各因素间相对重 要性进行判断和简单的排序计算来解决问题。也就是说层次分析法实际上是一种处理问 题的决策思维方法，它把复杂的问题分解为各个组成因素，将这些因素按支配关系分组 形成有序的递阶层次结构，通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对重要性，然后 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 综合人们的判断一一决定，决策诸因素相对重要性总的顺序。其基本实施步骤如下： ( 1 ) 分析评价系统中各基本要素之间的关系，建立系统的递阶层次结构； ( 2 ) 对同一层次的各元素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较，构造两 两比较判断矩阵，由判断矩阵计算出该矩阵的特征值，并对该矩阵进行一致性检验： ( 3 ) 一致性检验合格以后，由判断矩阵计算被比较要素对于该准则的相对重要度权 重； ( 4 ) 计算各层次要素对系统总目标的合成权重，并对各备选方案排序。 2 2 3 层次分析法的具体过程 ( 1 ) 建立系统的递阶层次结构 ( 2 ) 构造两两比较判断矩阵 判断矩阵是层次分析的基本信息，也是进行各要素优先级权重计算的重要依据。建 立判断矩阵是以上一层的要素斤为判断准则，对下一层次的要素进行两两比较确定判 断矩阵的元素值。在建立层次结构以后，上下层次指标的隶属关系得以确定。假定上一 层次的元素厢为准则，对下一层次的元素彳，彳2 ，彳开有支配关系，在此要在厢 准则下按其相对重要度对各个指标赋予权重。 以n 为判断准则的阶，判断矩阵可表示如下i 表2 - 2 九标度法评判矩阵 t a b l e2 - 2m e t h o do fn i n em a r k sj u d g m e n tm a t r i x f na ia 24 j么。 a ta l la t 2 a o 6 1 1 n a 20 2 1a 2 2 a 2 j a 2 n 么，a i lo i 2 口 a m 爿na n la 2 a j a n n 判断矩阵a 中的元素a f ，表示从判断标准斤考虑要素彳，对要素彳，的相对重要性。 若a i j l ，说明要素a f 比要素彳，重要；若嘞 o 视为对a 偏离一致性程度的度量，并称为a 的一致性指标。此处的k 是判断矩阵a 的最大特征值。求a 的常用公式是：1 2 3 1 a w = 彳一 ( 2 - 9 ) 即对于矩阵a 的特征值a 应该满足： 以薹t 斗, t i 口2 l口2 2 一无口2 ni n 以。i口n 2口m 一 必有一免大于一切的其他特征值，则取此彳为k 进行一致性检验。 对于任意判断矩阵a 都有c ，0 ；且c i = o 当且仅当a 是一致的；可以认为a 的值 越小，a 偏离一致性的程度越小，a 值越大，a 偏离一致性的程度越大。s a a t y 还引入 了随机一致性指标尺，。肼的确定过程是：固定n ，随机的生成若干n 阶正互反矩阵，逐 个计算出他们各自的c i ，并取它们的平均值作为r ，。表2 5 给出了3 - 9 阶判断矩阵的 随机一致性指标【 1 。 第二章模糊综合评价方法 表2 5 评判矩阵的随机一致性指标 t a b l e 2 - 5t h ej u d g m e n tm a t r i xr a n d o mc o n s i s t e n c yi n d e x 矩阵阶数3 456789 r io 5 2 o 8 91 1 21 2 61 3 61 4 11 4 6 在此还将引出一个一致性比率c r 的概念，其定义是： c r ：旦 ( 2 - 1 0 ) 刖 且当c r o 1 时就认为满足了一致性要求，并以a 所对应的归一化后的特征向量， 作为归一化权向量。 ( 3 ) 依据判断矩阵计算各要素的相对权重 如前所述，在确定重要度时，以上一层次的指标为准则，以下一层次的指标对上一 层次的相对重要性为判断矩阵的各元素，在得到每一层指标的相对重要性的九标度判断 矩阵后，就可以进行权重计算。对于每一准则如下的判断矩阵： a = 以l ie l i 2 0 2 j 以2 2 口。i 口n 2 矩阵a 有如下性质：口户0 口 = 石i _ 1 ，2 ，n 口f l = l 得到判断矩阵a = ( 口，) n n ，需进一步计算各指标的相对权值。计算权重向量和特征根 的方法有“和积法”、“方根法”和“根法”。理论上，应该计算各指标权值的精确值即 矩阵a 的特征值，但在一般情况下采用的权值为矩阵a 的近似估计值，实践中通常采 用计算较简单的和积法计算矩阵的特征值的近似值。本文即采用此种方法进行计算，具 体步骤如下： ( 1 ) 将矩阵a 按列归一化 铲寺蛳_ 1 ，2 ，n ) ( 2 1 1 ) 口l u 1u ( 2 ) 将每一列经正规化后的判断矩阵按行相加，即： 彬= j = l ( 3 ) 将得到的和向量正规化，即的权重向量 1 8 ( 2 1 2 ) 协 加 朋 口口； 口 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 矿：y - - , ( i ：l ， 彬 ( 4 ) 计算矩阵的最大特征值k k = 喜翳 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 通过上述计算，得出的结果如果满足一致性检验，则算出的权重向量是可以使用的， 即可以在模糊综合评判中使用该权重。 1 9 第三章闸板防喷器结构功能及f m e a 分析 第三章闸板防喷器结构功能及f 姬a 分析 闸板防喷器是利用液压将带有橡胶胶芯的两块闸板，从左右两侧推向井眼中心，以 达到封闭井口的目的，这种防喷器国内研制最早，现场应用也是最为广泛。 3 1 闸板防喷器介绍 3 1 1 闸板防喷器的用途 闸板防喷器是井控设备的重要组成部分，主要用于钻井、修井、试油试气等作业中， 通过控制井口压力来实现对井内压力、地层压力的控制，有效地防止井喷事故的发生。 在油田井下作业过程中，井涌和井喷会时有发生，为确保安全生产，井口也应装备防喷 器、在空井情况下，可以使用全封防喷器。这种防喷器是将带有橡胶胶芯的两块闸板， 从左右两侧推向井眼中心，封闭井h 。具体有以下几个功能【2 4 】： ( 1 ) 当井内有油管和钻杆而发生溢流或井喷时，能封闭相应尺寸管柱与套管形成的 环形空间。 ( 2 ) 井内无管柱时，可用全封闸板全封井口。 ( 3 ) 特殊情况下，可通过与四通及壳体旁侧法兰出口相连的压井、节流管汇进行钻 井液循环、节流放喷、压井、洗井等特殊作业。 ( 4 ) 必要时半封闸板还可以悬挂管柱，在特殊情况下剪切闸板防喷器可切断管柱达 到封井的目的。 ( 5 ) 与节流、压井管汇配合使用，可有效控制井底压力，实现近平衡压井作业。 闸板防喷器的闸板可用以长期封井。但是需要注意的是半封闸板在封井时不宜上下 活动钻具，因为闸板胶芯不耐磨，容易导致胶芯刺漏，且封井时不能旋转管柱。 3 1 2 闸板防喷器分类 闸板防喷器的种类很多，根据锁紧机构不同可以分为手动锁紧闸板防喷器和液压自 动锁紧闸板防喷器( 2 5 】： ( 1 ) 手动锁紧防喷器一是靠人力旋转手轮，带动锁紧轴旋转，锁紧防喷器闸板； ( 2 ) 液压自动防喷器一是靠液压压力，带动锁紧机构工作，锁紧防喷器闸板。 液压自动锁紧防喷器除了增加了液压自动锁紧机构，其他的部位结构与手动防喷器 相同。 根据所配置的闸板数量来分可以分为【2 6 】： ( 1 ) 单闸板防喷器一壳体只有1 个闸板室，只可安装- - n 闸板； 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) 双闸板防喷器一壳体有2 个闸板室，可安装两幅闸板，其余部分结构与单闸板 防喷器相同； ( 3 ) 三闸板防喷器一壳体有3 个闸板室，可安装三副闸板。 国产有单闸板防喷器和双闸板防喷器，其中双闸板防喷器应用更为广泛，双闸板防 喷器通常安装一副全封闸板和一副半封闸板。三闸板防喷器目前应用比较少，厂家研制 也很少。 3 1 3 闸板防喷器型号说明 闸板防喷器的型号表示如下【2 7 】： 口口口口口一口口 压力：1 4 m p a ( 2 0 0 0 p s i ) ，2 1 m p a ( 3 0 0 0 p s i ) ， 3 5 m p a ( 5 0 0 0 p s i ) ，7 0 m p a ( io o o o p s i ) ， 1 0 5 m p a ( 1 5 0 0 0 p s i ) ，1 4 0 m p a ( 2 0 0 0 0 p s i ) 具体见表3 1 ：f z 一单闸扳防喷器：2 f z 一双闸 ；3 f z _ 一三闸板防喷器 表3 1 通径代号与规格 t h b l e 3 - 1t h el a t u sr e c t i i i l lc o d en a m ea n ds i z e 通径代号通径规格( i n )通径代号 通径规格( i n ) 1 8 7 1 1 6 4 81 譬| 、 2 395 32 0 厶 2 8 1 15 42 1 1 厶 3 51 3 8 6 8 2 6 3 厶 4 31 6 3 ，47 63 0 3 1 4 闸板防喷器闸板工作原理 闸板防喷器的开井、关井动作是靠液压实现的。当液控系统高压油从油管座经过壳 体内部油路进入左右液缸闸板关闭腔时，推动活塞带动闸板轴及左右闸板总成沿壳体闸 板室分别向井口中心移动，直至接触和压紧，达到封井的目的。如封井时间比较长，为 防止关闭腔油压下降，造成密封失效，可转动锁紧手轮，右旋锁紧轴，直至锁紧轴退后 的台肩抵到缸盖为止，这样就可以防止闸板轴后退打开井口【2 8 j 。 2 1 第三章闸板防喷器结构功能及f m e a 分析 当需要开启闸板时，首先左旋锁紧轴，使之复位，再使控制系统高压油进入闸板防 喷器左右液缸闸板开启腔( 与此同时，关闭腔的高压油泄压进入油箱) ，从而推动活塞轴 带动闸板轴及闸板总成向离开井口中心方向运动，打开井口，闸板开关由液控系统换向 阀控制。 液压油流动路线【2 5 】： 关井时：液压油经壳体关闭油路一壳体油路一侧门油路一液缸油路一缸盖油路一液 缸关闭腔 开井时：液压油经壳体开启油口一壳体油路一侧门油路一液缸开启腔。 3 1 5 闸板防喷器的密封 为了实现闸板防喷器可靠的封井效果，必须保证其四处良好的密封结构，否则油气 井是控制不住的。这四处密封是： ( 1 ) 闸板总成前端与管子之间的密封。 闸板总成前端装有前密封橡胶( 胶芯的前部) ，当需要关井时，依靠活塞推力，两个 前密封橡胶环抱管子实现密封。当前密封橡胶严重磨损或撕裂时，高压井液会于此处刺 穿橡胶发生泄漏，从而导致封井失败。全封闸板则为闸板前密封橡胶的相互密封。 ( 2 ) 闸板顶部与壳体之间的密封。 闸板上平面有顶部橡胶( 胶芯的顶部) ，在井e l 高压井液作用下，顶部橡胶紧紧挤压 住壳体凸缘，使井液不致从顶部通孔溢出。 ( 3 ) 侧门与壳体的密封 侧门与壳体的结合面之间装有密封圈。侧门螺栓将侧门和壳体紧固的同时也将密封 圈压紧，使井液不致从此处泄漏。该密封圈并不受到磨损，但在使用过程中，由于腐蚀 作用或者本身老化、变质，因此需按期限规定使用，定时更换。 ( 4 ) 侧门腔与活塞杆之间的密封 侧门腔与活塞杆之间的环形空问装有密封圈，防止高压井液与液压油窜漏。一旦高 压井液冲破橡胶密封圈，井液将进入油缸与液控管路，使液压油遭到污染并损伤液控阀 件。闸板防喷器工作时，活塞杆做往复运动，密封圈不可避免的会受到磨损，久之易导 致密封失效。在封井状态下密封圈失效时，为了紧急恢复其密封效能，此处又设有二次 密封装置。 中目石油 ( 华东) 顽学位论文 3 l6 井压助封原理 闸扳防喷器在井压助封情况如图3 一l 所示剐。 图3 - 2 在关井过程中井压对阿板前部的助封情况 f i 9 3 - 2t h e p r e s s u r e f r o m w e l l - 目b t r a m f o r e p a r te n c a p b a l a t i o n 图3 - 2 所示就是关井动作过程中，井压对闸板前部的助封情况。在关井过程中闸板 第i 章m 板防喷器结构功能厦f m e a 分析 前部有井压p “所形成的阻力。与此同时其后部也有井压p ”所形成的推力。推力与阻 力并不相等，其中阻力较大。设活塞杆截面积为s ，闸扳上两种作用力平衡的结果所产 生的前进阻力应为，8s 。如果不考虑闸板关井过程中的各种摩擦损耗，那么只要油缸 活塞上所受液压油的作用力超过，4s 活塞就可以将闸板推向井眼中心。 3l7 闸板防喷器的自动清砂自动对中功能 闸板室底部有两条想井跟倾斜的清沙槽，当闸板开关动作时，遗留在闸板室底部的 泥涉被闸板捧入清沙槽滑落井内。闸板防喷器的这种自动清沙作用防止了闸扳的堵塞， 减少了闸板的运动阻力与磨损。 在井内有钻具的情况下使用闸板防喷器关井时，由于钻具通常并不处于井眼正中 心，常偏于方，因此钻具有可能被闸板卡住而无法实现封井。为解决井内管子的对中 问题，闸板压块的前方制有突出的导向块与相应的凹槽。当闸板向井眼中心运动时，导 向块可迫使偏心管子移向井眼中心，顺利实现封井( 见图3 _ 3 ) ，关井后导向块进入另一压 块的凹槽内。 圈3 - 3 闸板自动对中示意图 f 睁3t h e d i a g r a m m a t i cs k e t c h r a m a b | oc e n t e r i n g 3l8 常用生产厂家闸板防喷器技术参数 f 1 ) 华北石油荣盛机械制造有限公司 华北石油荣盛机械制造有限公司生产的闸板防喷器技术参数见表3 - 2 。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表3 - 2 华北荣盛机械制造有限公司闸板防喷器技术参数 t a b l e 3 - 2t h er a m - b o pt e c h n i c a lp a r a m e t e r sf r o mr sm a c h i n e r ym a n u f a c t u r el t d f z 3 5 3 5 f z 3 5 7 0 f z 2 3 7 0 f z 2 8 1 0 5 型号 f z 5 4 1 42 f z 3 5 2 1 2 f z 3 5 3 52 f z 3 5 - 7 02 f z 2 3 7 02 f z 2 8 1 0 5 通径，m m 5 3 9 83 4 6 1 3 4 6 1 3 4 6 12 2 8 62 7 9 4 工作压力，m p a 1 42 13 57 07 01 0 5 最高液控压力，m p a 2 l2 12 l2 l2 12 1 控制压力，m p a 8 5 1 0 58 5 1 0 58 5 1o 58 5 1 0 58 5 1 0 59 5 1 0 5 油缸直径2 5 02 5 02 5 03 4 0 2 5 03 4 0 手动锁紧闸板圈数3 6 3 7 2 2 2 4 2 5 3 4 2 7 3 42 5 3 4 2 7 3 4 温度等级 t 2 0 ( - - 2 9 - 1 2 1 ) 堕 2 0 2 03 3 0 07 5 0 03 3 0 07 6 2 2 质量埏 双8 9 8 03 6 2 06 0 0 01 2 4 6 06 0 0 01 2 4 5 0 螺孔分布圆 7 2 3 95 3 3 45 9 16 7 3 1 4 7 6 37 1 1 2 直径m m 上下 连接螺栓尺寸及 m 4 2 * 3 - 2 4m 3 6 * 3 2 0m 4 2 * 3 16 m 4 8 * 3 2 0m 3 9 * 3 16m 5 0 * - 2 0 法兰数量 垫环槽环号 r 7 3r 5 7b x 1 6 0b x 1 5 9b x 1 5 7b x 1 5 8 通径，m m1 0 31 0 37 9 41 0 36 57 7 8 旁侧螺栓尺寸及 m 3 0 * 3 8m 3 0 * 3 8m 3 0 * 3 8m 3 0 * 3 8m 2 2 * 2 5 8 m 3 0 * 3 8 法兰 数量 垫环槽环号l b 7 r 3 7 r 3 5 b x 1 5 5b x 1 5 3b x 1 5 4 长 3 2 0 62 3 4 02 4 0 03 4 0 01 9 5 82 8 3 4 宽 1 1 8 08 3 08 2 81 0 3 09 1 51 0 1 0 外形 9 6 0 ，1 1 3 0 ， 尺寸 单7 0 56 8 09 2 5 7 0 5 1 2 6 5 1 2 5 0 m m 高 1 4 8 5 ，1 6 9 5 ， 双1 3 4 57 9 09 l o ，1 3 6 01 3 4 5 1 0 1 51 9 0 0 1 7 7 5 第三章闸板防喷器结构功能及f m e a 分析 ( 2 ) 国内其他生产厂家 国内其他生产厂家闸板防喷器的技术参数见表3 3 。 表3 3国内其他生产厂家闸板防喷器技术参数 t a b l e 3 - 3 t h er a m - b o pt e c h n i c a lp a r a m e t e r sf r o mo t h e rm a n u f a c t u r e r s 上海第一石油广州石油 厂家重庆矿山机器厂信得石油机械厂 机械厂机械厂 f z 3 5 2 1 f z 3 5 3 5f z 3 5 3 5f z 5 4 - 1f z 3 5 7 0 型号2 f z 3 5 2f z 3 5 2 1 2 f z 3 5 3 52 f z 3 5 3 542 f z 3 5 7 0 1 通径，m m 3 4 6 13 4 6 13 4 6 15 3 9 83 4 6 13 4 6 1 工作压力，m p a2 13 53 5 1 47 0 m p a 2 1 最高液控压力，m p a