超深水打桩锤系统的可靠性分析与分配研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.053

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (4): 485-494 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.053

机械强度设计

超深水打桩锤系统的可靠性分析与分配研究

李江昊¹(

),肖文生¹,于文太²,王鸿雁³(

),刘顺庆²,孙友福¹

^1.中国石油大学（华东）海洋物探及勘探开发装备国家工程研究中心，山东青岛 266555
^2.海洋石油工程股份有限公司安装事业部，天津 300450
^3.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061

Reliability analysis and allocation research of ultra-deep water pile hammer system

Jianghao LI¹(

),Wensheng XIAO¹,Wentai YU²,Hongyan WANG³(

),Shunqing LIU²,Youfu SUN¹

^1.National Engineering Research Center for Marine Geophysical Prospecting and Exploration and Development Equipment, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266555, China
^2.Installation Division, Offshore Petroleum Engineering Co. , Ltd. , Tianjin 300450, China
^3.School of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China

全文: PDF(3572 KB) HTML

摘要：

超深水打桩锤系统的性能直接影响大型海洋油气平台的建设进度。为深入研究超深水打桩锤系统的故障机理，对系统进行可靠性分析与分配研究。首先，对超深水打桩锤系统进行故障模式与影响分析（failure mode and effect analysis, FMEA），并基于FMEA结果提出了一种改进的危害性分析（criticality analysis, CA）方法。然后，运用改进的AGREE（advisory group on reliability of electronic equipment，电子设备可靠性咨询组）分配法及基于FMECA（failure mode, effect and criticality analysis，故障模式、影响与危害性分析）的可靠性分配方法，对超深水打桩锤系统的子系统和零部件依次进行可靠性分配研究。最后，在MATLAB App Designer开发环境下对超深水打桩锤系统的CA及可靠性分配过程进行可视化界面设计。结果表明，超深水打桩锤系统共有27种故障模式，钢桩等9个零部件为系统薄弱环节；经一、二次可靠性分配后，系统可靠度分别为0.999 063 22，0.999 063 27。超深水打桩锤系统的可靠性研究识别了系统的薄弱环节，为其国产化设计提供了一定的理论指导。

关键词： 超深水打桩锤系统; 故障模式、影响与危害性分析; AGREE分配法; 可靠性分配; 可视化界面

Abstract:

The performance of ultra-deep water pile hammer system directly affects the construction progress of large offshore oil and gas platforms. In order to conduct in-depth research on the failure mechanism of ultra-deep water pile hammer system, the reliability analysis and allocation research for the system was carried out. Firstly, the failure mode and effect analysis (FMEA) was conducted on the ultra-deep water pile hammer system, and an improved criticality analysis (CA) method was proposed based on the FMEA results. Then, using the improved AGREE (advisory group on reliability of electronic equipment) allocation method and reliability allocation method based on FMECA (failure mode, effect and criticality analysis), the reliability allocation research was carried out successively for subsystems and components of the ultra-deep water pile hammer system. Finally, the visual interface of the CA and reliability allocation process of ultra-deep water pile hammer system was designed in the MATLAB App Designer development environment. The results showed that there were a total of 27 failure modes in the ultra-deep water pile hammer system, and 9 components such as steel piles were weak links in the system; the system reliability after primary and secondary reliability allocation was 0.999 063 22 and 0.999 063 27, respectively. The reliability study of the ultra-deep water pile hammer system has identified the weak links of the system, which can provide certain theoretical guidance for its domestic design.

Key words: ultra-deep water pile hammer system failure mode, effect and criticality analysis AGREE allocation method reliability allocation visual interface

收稿日期: 2023-02-01 出版日期: 2023-09-04

CLC:

TH 114

基金资助: 工业和信息化部高技术船舶科研项目(CH02N20)

通讯作者: 王鸿雁 E-mail: 375359564@qq.com;wanghy0546@163.com

作者简介: 李江昊（1997—），男，山东济南人，硕士生，从事超深水打桩锤系统可靠性研究，E-mail: 375359564@qq.com，https://orcid.org/0009-0007-6927-2177

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引用本文:

李江昊,肖文生,于文太,王鸿雁,刘顺庆,孙友福. 超深水打桩锤系统的可靠性分析与分配研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(4): 485-494.

Jianghao LI,Wensheng XIAO,Wentai YU,Hongyan WANG,Shunqing LIU,Youfu SUN. Reliability analysis and allocation research of ultra-deep water pile hammer system[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(4): 485-494.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.053 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I4/485

图1 超深水打桩锤系统应用场景

表1 超深水打桩锤系统常见故障模式

图2 超深水打桩锤系统故障模式统计结果

表2 超深水打桩锤系统故障严酷度评价准则

表3 超深水打桩锤系统零部件危害度分析结果（部分）

图3 超深水打桩锤子系统可靠性框图

表4 AGREE分配法的基本参数

表5 超深水打桩锤子系统可靠性分配结果

图4 基于不同AGREE分配法的超深水打桩锤子系统可靠度对比

子系统	零部件	危害度	权重	失效率	可靠度
液压系统	电液换向阀	0.481 500 089	0.397 324 572	0.000 000 57	0.999 999 43
	其他阀组	0.236 231 488	0.194 933 661	0.000 001 16	0.999 998 84
	液压缸	0.201 032 214	0.165 887 900	0.000 001 36	0.999 998 64
	液压泵	0.274 127 586	0.226 204 789	0.000 001 00	0.999 999 00
	液压油	0.002 978 400	0.002 457 718	0.000 091 89	0.999 908 11
	油箱	0.010 730 027	0.008 854 211	0.000 025 51	0.999 974 49
	蓄能器	0.005 256 000	0.004 337 150	0.000 052 07	0.999 947 93
气压系统	空压机	0.077 528 475	0.547 280 069	0.000 004 63	0.999 995 37
	空气过滤器	0.004 077 639	0.028 784 399	0.000 087 95	0.999 912 05
	油雾器	0.002 340 492	0.016 521 731	0.000 153 23	0.999 846 77
	油压缓冲器	0.003 253 714	0.022 968 243	0.000 110 22	0.999 889 78
	气动阀组	0.054 461 106	0.384 445 558	0.000 006 58	0.999 993 42
电控系统	变压器	0.754 532 522	0.619 613 190	0.000 001 60	0.999 998 40
	可编程逻辑控制器	0.116 946 000	0.096 034 673	0.000 010 35	0.999 989 65
	以太网交换机	0.100 740 000	0.082 726 498	0.000 012 01	0.999 987 99
	断路器	0.031 536 000	0.025 896 991	0.000 038 37	0.999 961 63
	继电器	0.019 146 702	0.015 723 045	0.000 063 20	0.999 936 80
	电磁先导阀	0.030 044 091	0.024 671 852	0.000 040 27	0.999 959 73
	各类传感器	0.164 802 360	0.135 333 750	0.000 007 34	0.999 992 66
机械系统	锤头（锤芯）	1.199 456 633	0.088 258 652	0.000 001 15	0.999 998 85
	砧铁	1.035 610 776	0.076 202 514	0.000 001 34	0.999 998 66
	钢桩	10.737 918 915	0.790 119 645	0.000 000 13	0.999 999 87
	桩帽	0.166 440 000	0.012 247 021	0.000 008 31	0.999 991 69
	锤芯悬吊单元	0.450 817 858	0.033 172 168	0.000 003 07	0.999 996 93
	减震环	0.045 552 000	0.076 052 806	0.000 030 36	0.999 969 64
动力系统	深水电机	0.109 965 513	0.183 596 458	0.000 021 23	0.999 978 77
	压力补偿器	0.030 222 000	0.050 458 112	0.000 077 24	0.999 922 76
	绞车	0.075 435 340	0.125 945 498	0.000 030 94	0.999 969 06
	动态脐带缆	0.050 840 595	0.084 882 550	0.000 045 91	0.999 954 09
	发电机组	0.286 936 809	0.479 064 576	0.000 008 14	0.999 991 86

表6 超深水打桩锤系统零部件可靠性分配结果

图5 超深水打桩锤系统的CA及可靠性分配可视化界面

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