沙丘流量穩(wěn)流器質(zhì)量可靠性研究及其應(yīng)用

劉立，白世龍，張秋平，劉興雷

1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司 測試技術(shù)服務(wù)分公司 （黑龍江 大慶 163414）

2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司 質(zhì)量安全環(huán)保部 （黑龍江 大慶 163002）

可靠性設(shè)計(jì)與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的一種常用方法，是解決新產(chǎn)品質(zhì)量可靠性多因素多水平的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)手段，因而質(zhì)量可靠性設(shè)計(jì)在很多領(lǐng)域的研究中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[1]。在油氣田注入井流量測試過程中，按照現(xiàn)行井下流量計(jì)校準(zhǔn)方法的規(guī)定[2]，將儀器下入井下流量計(jì)校準(zhǔn)裝置標(biāo)準(zhǔn)模擬井（油管）內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，模擬井清水介質(zhì)從井口流經(jīng)儀器記錄點(diǎn)的直管段不超過3 m，致使在直管段內(nèi)存在射流、渦流、過渡流、湍流等復(fù)雜的不穩(wěn)定流態(tài)[3]。雖然在模擬井下游設(shè)計(jì)有背壓段[2]，能夠保持流型穩(wěn)定，但流量校準(zhǔn)臺(tái)階部分出現(xiàn)不平穩(wěn)，甚至有的不出直線段，出現(xiàn)部分流量校準(zhǔn)點(diǎn)示值超差現(xiàn)象。如何在井下流量計(jì)校準(zhǔn)時(shí)，使模擬井內(nèi)具有一定流速的清水介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，由不穩(wěn)定流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定流態(tài)，這就需要設(shè)計(jì)并制造一個(gè)高可靠性高質(zhì)量的流量穩(wěn)流器，能夠隨同井下流量計(jì)下入模擬井內(nèi)，將不穩(wěn)定流態(tài)達(dá)到理想的穩(wěn)定流動(dòng)校準(zhǔn)狀態(tài)，使流量校準(zhǔn)臺(tái)階平穩(wěn)，對于提高儀器校準(zhǔn)質(zhì)量及其穩(wěn)流器可靠性設(shè)計(jì)水平尤為重要。

1 穩(wěn)流器質(zhì)量可靠性研究PDCA過程控制

從2018年1月起，由質(zhì)量可靠性專家和工程技術(shù)人員組成專家團(tuán)隊(duì)，針對井下流量計(jì)校準(zhǔn)流量臺(tái)階不平穩(wěn)的問題，研究設(shè)計(jì)流量穩(wěn)流器，主要研究目的是通過改變流量計(jì)校準(zhǔn)裝置標(biāo)準(zhǔn)模擬井筒流型，由不穩(wěn)定流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定流動(dòng)，使流量校準(zhǔn)臺(tái)階測試平穩(wěn)。專家團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了穩(wěn)流器質(zhì)量可靠性研究PDCA循環(huán)控制圖（圖1），依據(jù)PDCA循環(huán)進(jìn)行全過程控制。

圖1 PDCA循環(huán)控制圖

2 穩(wěn)流器質(zhì)量可靠性原理與設(shè)計(jì)指標(biāo)

穩(wěn)流器的研究重點(diǎn)是解決原理方法的適宜性，質(zhì)量可靠性技術(shù)的可行性，達(dá)到穩(wěn)流器理想設(shè)計(jì)指標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性。

2.1 穩(wěn)流器質(zhì)量可靠性研究原理方法

1）原理。經(jīng)研究將流量穩(wěn)流器設(shè)計(jì)成葉片式，利用沙丘形成原理，將穩(wěn)流器葉片做成各種沙丘構(gòu)型，通過組成穩(wěn)流器葉片的形態(tài)、數(shù)量、長度及厚度等各單元影響因子與水平的優(yōu)化組合，持續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，找到最佳試驗(yàn)組合因子與水平，并將穩(wěn)流器加工成型，這種在流量計(jì)校準(zhǔn)裝置標(biāo)準(zhǔn)模擬井中用于穩(wěn)流作用的輔助設(shè)備或裝置，稱為沙丘流量穩(wěn)流器（以下簡稱穩(wěn)流器）。

2）方法。應(yīng)用可靠性分配法，確定穩(wěn)流器各設(shè)計(jì)單元可靠性合理分配值的優(yōu)化解及可靠性指標(biāo)；應(yīng)用質(zhì)量正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定穩(wěn)流器各單元最佳組合試驗(yàn)因子；結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)三維軟件對穩(wěn)流器進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，通過應(yīng)用多種質(zhì)量可靠性方法確定穩(wěn)流器構(gòu)型。

3）準(zhǔn)則。穩(wěn)流器可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要采用簡化設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)，以提高穩(wěn)流器設(shè)計(jì)與應(yīng)用的可靠性、安全性。

2.2 穩(wěn)流器質(zhì)量可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)

穩(wěn)流器為新制造產(chǎn)品，其質(zhì)量可靠性數(shù)據(jù)缺乏，因此聘請專家團(tuán)隊(duì)，采用評分分配法，按照影響穩(wěn)流器可靠性的幾種主要因素進(jìn)行評分，然后根據(jù)評分結(jié)果給穩(wěn)流器各單元分配可靠性指標(biāo)。經(jīng)專家團(tuán)隊(duì)分析研究，選擇故障率λ、可靠度R(t)作為進(jìn)行可靠性分配參數(shù)，主要考慮5種影響因素：復(fù)雜度、技術(shù)成熟度、重要度、環(huán)境條件及工作時(shí)間[4]。每一種因素的分值在1～10。

穩(wěn)流器分配給第i個(gè)分單元的故障率為λi，按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：λi為第i個(gè)分單元的故障率；λs為系統(tǒng)給定的故障率指標(biāo)；Ci為第i個(gè)分單元的評分系數(shù)；ωi為第i個(gè)分單元的評分?jǐn)?shù)；ωi為系統(tǒng)的評分?jǐn)?shù)；γij為第i個(gè)分單元第j個(gè)因素的評分?jǐn)?shù)；其中：i=1，2，…，n，代表分系統(tǒng)或單元的數(shù)量，如穩(wěn)流器的形態(tài)、數(shù)量、長度及厚度等設(shè)計(jì)單元要素,取n=4。j=1，2，…，m，代表分系統(tǒng)或單元的影響因素，如穩(wěn)流器各設(shè)計(jì)單元有復(fù)雜度、技術(shù)成熟度、重要度、環(huán)境條件及工作時(shí)間等5個(gè)可靠性影響因素,取m=5。

設(shè)定穩(wěn)流器系統(tǒng)可靠性指標(biāo)MTBF為500 h，系統(tǒng)可靠度為0.90，月工作時(shí)間為60 h，根據(jù)式（1），請10位相關(guān)的專家對穩(wěn)流器4個(gè)設(shè)計(jì)單元的5個(gè)可靠性設(shè)計(jì)影響因素評分后，取平均值計(jì)算（表1）。

由表1可知，穩(wěn)流器葉片厚度的可靠度為0.995，其復(fù)雜程度最簡單、技術(shù)成熟度最高、重要度較低，可靠度最高，所以對穩(wěn)流器葉片厚度選擇相對比較簡單，經(jīng)研究穩(wěn)流器葉片厚度采用GB 709—2006的鋼板，厚度為1.5～1.8 mm，根據(jù)需要機(jī)械加工成型并進(jìn)行鈍化處理[4]。

表1 穩(wěn)流器可靠性指標(biāo)分配

由表1還可以看出，穩(wěn)流器葉片形態(tài)的可靠度為0.929，其復(fù)雜程度最高、技術(shù)成熟度最低、重要度較高，可靠度最低。因此對穩(wěn)流器葉片形態(tài)選擇相對復(fù)雜，說明葉片形態(tài)單元是穩(wěn)流器整體設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)及關(guān)注要點(diǎn)，需要進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 穩(wěn)流器質(zhì)量可靠性初步設(shè)計(jì)與模擬試驗(yàn)

通過穩(wěn)流器可靠性分配，穩(wěn)流器葉片厚度可以采用現(xiàn)有型材，因此影響穩(wěn)流器試驗(yàn)效果可能有穩(wěn)流器葉片的形態(tài)、數(shù)量、長度3個(gè)單元影響因子。根據(jù)影響穩(wěn)流器各因子的可能取值范圍或構(gòu)型，對穩(wěn)流器每個(gè)影響因子確定水平數(shù)，依據(jù)正交試驗(yàn)表[1]，每個(gè)因子選取3個(gè)水平數(shù)（表2），依據(jù)L9（34），即試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)正交表行數(shù)為9，列數(shù)為4，水平數(shù)為3，共進(jìn)行9組試驗(yàn)（表3）。

表2 L 9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因子水平

根據(jù)表3中每組試驗(yàn)組合，利用SolidWorks計(jì)算機(jī)軟件對穩(wěn)流器進(jìn)行流體動(dòng)態(tài)模擬，設(shè)置滾珠顏色速度球模擬流體質(zhì)點(diǎn)的流速變化。設(shè)滾珠速度球在模擬井筒入口平均速度為1 152.0×10-3m/s，形成一個(gè)速度顏色變化指示條，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)流器Solid Works流體動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)效果圖

這些滾珠速度球經(jīng)過穩(wěn)流器后，觀察并記錄穩(wěn)流器出口速度球的顏色變化及其速度值（表3）。由表3可以看出，經(jīng)過9組試驗(yàn)后，觀察到“A2B3C1”試驗(yàn)組合因子的速度球顏色，在經(jīng)過穩(wěn)流器出口處時(shí)絕大多數(shù)趨于綠色速度球，即趨向于平均速度的顏色球，這里平均速度為1 156.0×10-3m/s，近似設(shè)定平均速度為1 152.0×10-3m/s，說明“A2B3C1”組合因子對試驗(yàn)指標(biāo)影響顯著。

4 穩(wěn)流器質(zhì)量可靠性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

利用標(biāo)準(zhǔn)正交表的特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，見表4。

4.1 數(shù)據(jù)的直觀分析

在表4中，第一列、第二列、第三列中的“1，2，3”分別表示穩(wěn)流器葉片數(shù)量（A）、葉片長度（B）及葉片形態(tài)（C）3個(gè)水平因子；第四列中的“4”表示由人員操作等引起的誤差因子。

通過綜合比較每個(gè)因子對應(yīng)的3個(gè)平均值的大小，其中第6號(hào)試驗(yàn)中因子A取二水平較好，因子B取三水平較好，因子C取一水平較好，使指標(biāo)達(dá)到最佳的試驗(yàn)條件是“A2B3C1”，與SolidWorks計(jì)算機(jī)軟件對穩(wěn)流器流體動(dòng)態(tài)模擬得出的組合因子是一致的。這說明穩(wěn)流器的初步模擬試驗(yàn)與正交試驗(yàn)所得到的最佳試驗(yàn)條件結(jié)果是一致的。

通過綜合比較各個(gè)因子試驗(yàn)結(jié)果的極差R，可知各因子對指標(biāo)影響程度的大小是 RC＞RA＞RB，RC值最大，對穩(wěn)流器指標(biāo)的影響較大，進(jìn)一步說明了依據(jù)沙丘構(gòu)型設(shè)計(jì)穩(wěn)流器形態(tài)是理想的。

4.2 因子的貢獻(xiàn)率分析

通過比較各因子的“貢獻(xiàn)率”衡量因子作用的大小[1]。因子的貢獻(xiàn)率為（S因-f因MSe）/ST；誤差的貢獻(xiàn)率為 fTMSe/ST；S因、ST為因子平方和及總平方和，MS因、MSe分別是因子的均方及誤差的均方，f因、fe分別是因子和誤差的自由度，fT為總平方和的自由度。各因子與誤差的貢獻(xiàn)率見表5。

表3 穩(wěn)流器影響因子與水平模擬試驗(yàn)結(jié)果

表4 穩(wěn)流器影響因子與水平試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表5 穩(wěn)流器影響因子與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)誤差的貢獻(xiàn)率對比

由表5可知，因子C 的水平變化引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)在總平方和中占了66.74%，其次是因子A，而因子B 的水平變化引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)極小，說明穩(wěn)流器葉片形態(tài)，即因子C的貢獻(xiàn)率最大，對整個(gè)穩(wěn)流器的試驗(yàn)結(jié)果影響顯著。

在穩(wěn)流器正交試驗(yàn)中，通過數(shù)據(jù)分析，說明選取穩(wěn)流器最佳試驗(yàn)組合因子“A2B3C1”進(jìn)行生產(chǎn)加工制作的穩(wěn)流器，可以達(dá)到理想的測試結(jié)果。

5 穩(wěn)流器的應(yīng)用效果

2018年4月，穩(wěn)流器定型加工后，對井下流量計(jì)進(jìn)行加裝穩(wěn)流器前后校準(zhǔn)對比試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)穩(wěn)流器推廣應(yīng)用情況以及在油氣田注入井實(shí)際測試應(yīng)用效果，進(jìn)行質(zhì)量可靠性效果評價(jià)。

5.1 應(yīng)用穩(wěn)流器流量校準(zhǔn)效果

選取28支準(zhǔn)確度為2.0級(jí)的新增井下流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，井下流量計(jì)校準(zhǔn)流量上限設(shè)定100 m3/d。

5.1.1 示值超差的流量校準(zhǔn)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

通過統(tǒng)計(jì)28支井下流量計(jì)共840個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，由表6看出，在未加裝穩(wěn)流器時(shí)，共有33個(gè)超差點(diǎn)，超差比率占3.93%，校準(zhǔn)一次合格率71.40%，其示值超差的流量校準(zhǔn)點(diǎn)流型多集中在過渡流及湍流。而加裝穩(wěn)流器后，統(tǒng)計(jì)有5個(gè)超差點(diǎn)，超差比率占0.60%，校準(zhǔn)一次合格率89.30%，加裝穩(wěn)流器后校準(zhǔn)一次合格率明顯提升。

5.1.2 流量校準(zhǔn)曲線臺(tái)階對比

在圖3（a）中，加裝穩(wěn)流器前，第一、二、三循環(huán)部分流量臺(tái)階均出現(xiàn)不平穩(wěn)現(xiàn)象，而圖3（b）中，加裝穩(wěn)流器后，整體3個(gè)循環(huán)流量臺(tái)階均比較平穩(wěn)，說明加裝穩(wěn)流器后提高了流量臺(tái)階測試平穩(wěn)性。

自2018年5月，推廣井下流量計(jì)加裝穩(wěn)流器進(jìn)行校準(zhǔn)合格后，在注入井中進(jìn)行流量測試。通過對比這些井近一年的流量測試資料，流量測試資料優(yōu)質(zhì)率由2018年的97.3%提高到2019年的98.5%，說明井下流量計(jì)應(yīng)用穩(wěn)流器校準(zhǔn)后，流量測試質(zhì)量進(jìn)一步提升。

圖3 某一支井下流量計(jì)流量校準(zhǔn)臺(tái)階對比

5.2 穩(wěn)流器可靠性實(shí)踐效果

5.2.1 穩(wěn)流器操作可靠性實(shí)踐

產(chǎn)品質(zhì)量可靠性不僅要設(shè)計(jì)，也需要管理[5]。產(chǎn)品質(zhì)量可靠性離不開人[6]，只有提高操作人員的素質(zhì)、能力，才能提高穩(wěn)流器操作質(zhì)量的可靠性。

沙丘流量穩(wěn)流器屬于新技術(shù)、新產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員與操作人員在操作前開展JSA質(zhì)量安全評估工作，辨識(shí)存在的風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)遇控制因素，明確風(fēng)險(xiǎn)防范措施，制定有關(guān)穩(wěn)流器操作規(guī)程以及檢查維護(hù)保養(yǎng)制度；在操作中運(yùn)用STOP卡糾正不安全行為，并對操作人員進(jìn)行全面培訓(xùn)，確保穩(wěn)流器正確使用及過程控制，促進(jìn)操作人員熟練掌握穩(wěn)流器操作技能及應(yīng)對能力，進(jìn)一步提高了穩(wěn)流器裝置操作質(zhì)量安全的可靠性。

5.2.2 穩(wěn)流器應(yīng)用可靠性實(shí)踐

2019年7月，10位可靠性專家及相關(guān)技術(shù)人員對穩(wěn)流器推廣應(yīng)用的可靠性效果進(jìn)行再評價(jià)。通過比對表1，設(shè)定穩(wěn)流器系統(tǒng)可靠性指標(biāo)MTBF要求為1 000 h，系統(tǒng)可靠度為0.90，月工作時(shí)間應(yīng)維持60 h，對穩(wěn)流器可靠性應(yīng)用影響因素進(jìn)行評分并計(jì)算（表7）。

由表7可知，穩(wěn)流器葉片形態(tài)的應(yīng)用可靠度為0.975，較表1中設(shè)計(jì)可靠度0.929，提高了0.046；穩(wěn)流器葉片數(shù)量的應(yīng)用可靠度0.981，較表1中設(shè)計(jì)可靠度0.966，提高了0.015。因此兩個(gè)最重要影響因子穩(wěn)流器葉片形態(tài)及數(shù)量的應(yīng)用可靠度較其設(shè)計(jì)可靠度均有所提高，說明了穩(wěn)流器應(yīng)用可靠性達(dá)到其設(shè)計(jì)可靠性要求，提高了井下流量計(jì)流量校準(zhǔn)臺(tái)階的平穩(wěn)性。

表6 井下流量計(jì)加裝穩(wěn)流器前后校準(zhǔn)示值誤差數(shù)據(jù)對比

表7 穩(wěn)流器應(yīng)用可靠性指標(biāo)分配對比

6 結(jié)論

1）基于可靠性設(shè)計(jì)的沙丘流量穩(wěn)流器，運(yùn)用可靠性評分分配法，將影響穩(wěn)流器各單元分配故障率和可靠度因子進(jìn)行分析，明確各單元的可靠性要求，找出穩(wěn)流器系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2）基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的沙丘流量穩(wěn)流器，利用正交表安排試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，借助SolidWorks計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬試驗(yàn)，找出了滿意的試驗(yàn)條件。這說明對于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)切實(shí)可行，達(dá)到了試驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)，提高了穩(wěn)流器質(zhì)量可靠性設(shè)計(jì)水平。

3）沙丘流量穩(wěn)流器的應(yīng)用，適應(yīng)了流量計(jì)校準(zhǔn)裝置標(biāo)準(zhǔn)模擬井筒中各種流型的穩(wěn)流，使流量校準(zhǔn)臺(tái)階平穩(wěn)，有效提高了井下流量計(jì)流量校準(zhǔn)及測試質(zhì)量。

4）針對沙丘流量穩(wěn)流器操作過程中JSA風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，糾正不安全行為，制定有效的可靠性保障措施，提高了穩(wěn)流器操作質(zhì)量安全的可靠性。