基于时间依赖故障率的水下防喷器系统可用性和测试策略评估方法研究

The subsea blowout preventer system (BOP) plays as a crucial safety barrier to ensure deepwater drilling safety in high temperature and high pressure wells. If the blowout preventer system fails to start up on demand in an emergency, it will lead to serious accidents such as out of blowout control. This project proposes a newly time-dependent-failure-rate method for assessing the availability of subsea BOP systems, illustrating the failure mechanisms and dynamic evolution rules of BOP components in continuous testing and maintenance phases under multiple operating conditions. Analytical formulas integrating state transition are developed for different configurations with no faults, incomplete failures, function failures and waiting for repair. The effects of the non-periodic characteristics, testing false alarms and postponed repairs on the tendency of instantaneous and average availability in different testing strategies are checked in the proposed models. Incorporating historical accident data, expert experience data, and computational simulation data, the dynamic Bayesian network model for the BOP system is presented based on uncertainty analysis, revealing the influence of the dependencies among components and the uncertainty of monitored parameters on the availability of system functions. The key factors such as unavailability, downtime and operational risk are considered to establish a preventive testing and maintenance decision-making model that satisfies the safety integrity levels. Therefore, this study contributes to the theories of reliability assessment and maintenance decision-making, improves the safety of offshore oil exploration and exploitation, and is of great significance in theory and practical value in engineering.

水下防喷器系统是确保深水高温高压井钻井安全的关键屏障，如果防喷器系统在紧急情况下需求启动失效，将会引发井喷失控等重大事故。本项目提出基于时间依赖故障率的水下防喷器系统可用性评估方法，研究多工况下连续测试维护周期内部件失效机理和动态演变规律；提出系统不同配置服役期间无故障、不完全故障、功能故障和待维修状态转移的数学模型，揭示非周期性测试特性、测试过程误警和延迟维修在不同测试策略下对部件瞬时和平均可用度的影响规律；融合历史事故数据、专家经验数据和计算仿真数据，建立基于不确定性分析的深水防喷器系统的动态贝叶斯网络模型，分析部件之间依赖关系和监测参数的不确定性对系统功能可用性的影响；考虑不可用度、停机时间和操作风险等关键因素，建立满足安全完整性等级的预防性测试维护策略模型。本项目研究成果可以丰富系统可靠性评估和维护决策的理论和内容，为我国海洋石油勘探开发保驾护航，具有重要的理论意义和工程应用价值。

水下防喷器系统是确保深水高温高压井钻井安全的关键屏障，能够及时关闭井口有效控制井内压力，如果防喷器系统在紧急情况下需求启动失效，将会引发井喷失控等重大事故。本项目建立水下防喷器系统的故障知识集成模型，对防喷器关键部件故障类型及模式进行了FMECA分析，对深水防喷器系统主要部件的失效模式计算其 RNP，确定了关键部件和主要模式；提出了基于时间依赖故障率的水下防喷器系统可用性评估方法，研究了多工况下连续测试维护周期内机械系统瞬时可用度和平均可用度动态演变规律，并应用RBD驱动的Petri-net方法进行结果对比验证。不同情境下的数值模拟结果的相对误差小于5%，验证了TDFR模型的适用性和合理性。部分行程测试可以降低需求失效概率的值，提高系统的可用性。给定模型参数可以决定测试周期是否满足SIL3。部分行程测试周期可以提高系统可用性，但同时也会带来其他操作上的问题和费用的增加；提出了系统不同配置服役期间无故障、不完全故障、功能故障和待维修状态转移的MMMP模型，揭示非周期性测试特性、测试过程误警和延迟维修在不同测试策略下对部件瞬时和平均可用度的影响规律；系统的降级退化使得其不可用性在非周期测试内变高。结合实际测试和维护情况，预防性测试的非周期性和降级特性对系统可用性影响较大。不完全测试中微小失误会导致系统的不可用性瞬间增大，为预防性测试和维护优化提供有效的决策；融合历史事故数据、专家经验数据和计算仿真数据，建立了基于不确定性分析的深水防喷器控制系统的动态贝叶斯网络模型，分析部件之间依赖关系和监测参数的不确定性对系统功能可用性的影响；考虑不可用度、停机时间和操作风险等关键因素，建立了满足最大可用度，安全完整性等级和最小成本的预防性测试维护策略优化模型。本项目研究成果可以丰富系统可靠性评估和维护决策的理论和内容，为我国海洋石油勘探开发保驾护航，具有重要的理论意义和工程应用价值。

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