Application of quality management mechanisms to increase the reliability of operationof the electrical technical complexof underground oil production installations

Full Text

Анализ результатов статистического анализа производственных результатов эксплуатации ЭПУ на нефтегазодобывающих предприятиях (НГДП) говорит об острой необходимости комплексной оценки их деятельности, в которой должны быть объединены технические и экономические механизмы повышения надеж- ности эксплуатации [1]. Теоретической основой технических методов повыше- ния надежности функционирования ЭПУ являются статистический анализ, мате- матическое моделирование и исследования структурно-функциональных свойств конструкций ЭПУ и конкретно погружных электродвигателей (ПЭД) [2]. Для повышения надежности технической системы (ЭПУ и ПЭД) при реализации комплексного технико-экономического подхода к решению этой задачи пред- ставляется целесообразным рассмотреть применение методов и инструментов системы менеджмента качества, таких как диаграмма Каору Исикавы (1952) [3], Валерий Геннадьевич Гольдштейн (д.т.н., проф.), профессор кафедры «Автомати- зированные электроэнергетические системы». Владимир Сергеевич Романов, аспирант. известная также как диаграмма «рыбьей кости» (Fishbone Diagram), или «при- чинно-следственная» диаграмма (Cause and Effect Diagram); метод анализа видов и последствий потенциальных отказов, или FMEA-анализ [4] (Failure Mode and Effects Analysis); диаграмма Вильфредо Парето [5]. Диаграмма К. Исикавы - графический способ исследования и определения наиболее существенных причинно-следственных взаимосвязей между факторами и последствиями в исследуемой ситуации или проблеме. Диаграмма - одна из методик логического анализа и улучшения качества процессов в промышленно- сти, она позволяет выявить ключевые взаимосвязи между различными фактора- ми и более точно понять исследуемый процесс; способствует определению глав- ных факторов, оказывающих наиболее значительное влияние на развитие рас- сматриваемой проблемы, а также предупреждению или устранению действия данных факторов [3]. Эта диаграмма позволяет установить причинно-следственные связи возник- новения отказов ЭПУ и ПЭД. На первом этапе исследования для конкретного технического объекта (в данном случае это ЭПУ) и (или) производственного процесса с его конкретной функцией на основании опыта эксплуатации, преда- варийной истории и технологических нарушений с использованием статистиче- ского материала по отказам ЭПУ и ПЭД [6] определяются все возможные виды дефектов, которые возникли вследствие отказа. Результатом данного анализа служит построение диаграммы причинно-следственной связи для оценки состав- ляющих надежности функционирования ЭПУ, представленной на рис. 1 [7]. Рис. 1. Диаграмма К. Исикавы причинно-следственной связи для оценки составляющих надежности функционирования ЭПУ На рис. 1 в графической форме устанавливается причинно-следственная связь между всевозможными отказами (дефектами, приведшими к отказам) в ра- боте погружного оборудования и надежностью функционирования ЭПУ. Услов- но принято разделение причин отказов на электрические (R=0) [8] и технологи- ческие (нет подачи) [9]. Их содержание подробно представлено ниже. Электрическая причина возникновения отказа элементов электротехниче- ского комплекса ЭПУ, как правило, связана с нарушением нормального состоя- ния его электрической части, электромагнитной совместимости либо с низким качеством сборки и монтажа основных электромеханических и электромагнит- ных устройств в составе ЭПУ [8]. При рассмотрении данной категории отказов следует акцентировать внимание на следующих ее составляющих: а) снижение качества изоляции между жилами и землей. Данный дефект мо- жет возникать по следующим причинам: пробой обмотки статора, который является следствием старения изоля- ции погружного электродвигателя, заводского брака изготовления самого ПЭД [10], перегрева двигателя (как правило, возникает по причине мало- го притока, срыва подачи, негерметичности нососно-компрессорных труб (НКТ), высокой температуры перекачиваемой жидкости и т. д.), повы- шенной вибрации, являющейся одним из немаловажных факторов отказа [11], в результате которой происходят пропуски пластовой жидкости че- рез торцевое уплотнение с последующим пробоем изоляции самого дви- гателя; перегрев, течь и плавление удлинителя. Возникают из-за некачественной эксплуатации установок электроцентробежных насосов (УЭЦН) (частые отключения защиты от турбинного вращения [10], некачественный под- бор УЭЦН (недостаточный приток), частые отключения от защиты срыва подачи (ЗСП) (в насосе газ, отсутствие подачи), частые отключения от ЗП (повышенное содержание количества взвешенных частиц (КВЧ), интен- сивное солеотложение, подклинивание вследствие износа рабочих орга- нов, некачественное электроснабжение), некачественного вывода в ре- монт УЭЦН (несоблюдение регламента по выводу УЭЦН, брак подбора УЭЦН) [11]; повреждение изоляции при спускоподъемных операциях (СПО), что обу- словлено нарушением скорости спуска, наличием посторонних предметов и перекрутом удлинителя кабеля [12]; б) КЗ обмотки ПЭД. Исключение возникновения подобного отказа во мно- гом зависит от герметичности торцевых уплотнений, герметичности токоввода, качества масла, наличия или отсутствия попадания атмосферных осадков в ПЭД при монтаже [7]; в) отсутствие «звезды» (нарушение целостности цепи). Это один из самых сложных комплексных параметров надежности ЭПУ, основными вызывающими факторами которого являются: некачественный ремонт ПЭД, повреждение сростка кабеля при СПО, некачественный монтаж («кабель» - «ПЭД»), замыка- ние датчика на УЭЦН [1, 13]. Технологическая причина отказа (нет подачи), как правило, заключается в нарушении условий функционирования составных элементов УЭЦН вслед- ствие ухудшения или изменения условий эксплуатации [11], низкого качества оборудования и его монтажа. Рассмотрим более подробно преобладающие отка- зы в работе по технологическим причинам: а) закручивание или слом вала УЭЦН в результате возникновения сопротив- ления его вращению. Главными определяющими факторами данного отказа яв- ляются некачественная сборка насоса, кривизна в зоне подвески УЭЦН, солеот- ложения, механические примеси [8, 12]; б) полет (расчленение узла). При рассмотрении отказов в механической ча- сти ЭПУ расчленение узла разделяют на расчленение по НКТ и расчленение по ЭЦН [9]; в первом случае отказ возникает по причинам старения НКТ, некаче- ственной затяжки НКТ, неудовлетворительного качества резьбы, вибрации; во втором случае - из-за брака сборки ЭЦН, старения оборудования, некачествен- ной затяжки резьбовых соединений, динамических ударов [10]; в) заклинивание насоса - частный случай технологического отказа, возника- ющий из-за брака изготовления самого УЭЦН. После проведенного анализа и установления причинно-следственной связи между отказом в работе ЭПУ и основными дефектами, приводящими к отказу, предлагается проводить мониторинг, посредством которого выявляются все не- достатки эксплуатации оборудования скважины, их причины и разрабатываются процедуры в виде корректирующих действий с целью повышения надежности всей системы в целом [2]. Содержание предложенной схемы мониторинга пред- ставлено в табл. 1, 2. Схема мониторинга, изображенная в табл. 1, 2, устанавливает взаимосвязь между явлениями возникновения отказов в работе ЭПУ, причинами их возник- новения, последствиями и предложенными действиями по их исключению в процессе дальнейшей эксплуатации. В данной схеме описаны основные состав- ляющие диаграммы причинно-следственной связи оценки надежности функцио- нирования ЭПУ, приведенной на рис. 1, а именно: для электрической причины возникновения отказа элементов электротехнического комплекса ЭПУ - сниже- ние изоляции между жилами и землей, КЗ обмотки ПЭД, отсутствие «звезды» (нарушение целостности цепи); для технологической причины отказа (нет пода- чи) - полет (расчленение узла), слом вала, клин. Остальные виды технологиче- ских нарушений являются более частными случаями либо следствием рассмот- ренных отказов [13] и устраняется по разработанным алгоритмам согласно табл. 1, 2. Выполненная схема мониторинга с подробным описанием причинно- следственной связи процесса возникновения технологических нарушений ЭПУ и ПЭД послужит незаменимой базой для выполнения дальнейшего исследования по методу FMEA-анализа [4]. Метод анализа видов и последствий потенциальных отказов, или FMEA, яв- ляется эффективным механизмом обеспечения качества действующих и разраба- тываемых сложных технических систем, применяемым для обнаружения и устранения технологических нарушений и сопряженных с ними дефектов либо снижения негативных последствий от них [14]. Его реализация возможна за счет разработки комплекса мероприятий по прогнозированию дефектов (отказов), их анализу на различных жизненных циклах системы (объекта) или отдельно взято- го элемента. Метод FMEA позволяет произвести анализ технологических нарушений на НГДП, спрогнозировать потенциально возможные отказы (дефекты), установить причины и последствия их возникновения, произвести оценку возникающих рис- ков, в частности по выявлению или невыявлению дефектов (скрытые дефекты), и предпринять меры для их устранения, уменьшения вероятности возникновения, профилактики и снижения ущерба от их появления [15]. Таблица 1 Схема мониторинга причин и следствий, связанных с отказом в работе ЭПУ по технологическим причинам Характер отклонений Причины Последствия Действия Слом вала (шлицевой муфты) Заводской брак Скрытый дефект вала Брак комплектации Несоответствие максимально переда- ваемой мощности вала мощности ПЭД Слом вала при рас- клинивании УЭЦН (превышение допу- стимых нагрузок на вал) Выработка ресурса вала ввиду длительной эксплуатации Значительное сни- жение токовых нагру- зок и загрузки ПЭД относительно нор- мальных рабочих зна- чений Отсутствие или снижение производи- тельности УЭЦН Недобор нефти, убытки компании Комплектация узлов и деталей ЭЦН со- гласно утвержденной технической докумен- тации Недопущение дли- тельного воздействия критических нагрузок на УЭЦН при эксплуа- тации и работах по расклиниванию Клин Засорение рабочих органов ЭЦН Нарушение техно- логии эксплуатации УЭЦН Некачественное освоение скважины Работа УЭЦН в зоне недопустимого значе- ния кривизны ствола скважины Повышенный уро- вень вибрации УЭЦН Заклинивание и вы- ход из строя оборудо- вания скважины, оста- нов скважины Недобор нефти, убытки компании Соблюдение техно- логии проведения ГРП и освоения скважины после ГРП Недопущение со- здания высоких де- прессий на ПЗП Промывка рабочих органов УЭЦН Профилактика и предупреждение со- леотложений Полет (расчленение узла) Скрытые дефекты Механические по- вреждения при мон- таже Износ в результате выноса проппанта по- сле ГРП Высокое содержа- ние КВЧ Коррозия в связи с длительной эксплуа- тацией Нарушение техно- логии проведения СПО Усталостное разру- шение металла Полет на забой скважины, останов оборудования Недобор нефти, убытки компании Несоблюдение сро- ков проведения ТОиР, непредвиденные рас- ходы Использование ка- чественных деталей при изготовлении / ремонте Проведение входно- го контроля Действия персонала при подтверждении отказа в соответствии с требованиями ЛНД Применение раз- личных методов борь- бы с коррозией Таблица 2 Схема мониторинга причин и следствий, связанных с отказом в работе ЭПУ по электрическим причинам Характер отклонений Причины Последствия Действия Отсутствие «звезды» Пробой изоляции Брак изготовления Механическое по- вреждение кабеля - нарушение изоляции (токопроводящей жи- лы) Нарушение техно- логии проведения СПО Негерметичность системы Авария по причине КЗ Аварийный останов скважины, недобор нефти, убытки компа- нии Несоблюдение сро- ков проведения ТОиР, непредвиденные рас- ходы Недопущение теп- лового воздействия и нагрузок на электро- часть выше допусти- мых Проведение входно- го контроля Проведение стендо- вых испытаний в пол- ном объеме и в соот- вестствии с требованиями директивных документов КЗ обмотки ПЭД Пробой изоляции Брак изготовления Брак монтажа Низкое качество масла Негерметичность системы Превышение нагру- зок сверх допустимых Заклинивание обо- рудования механиче- ской части ЭПУ Аварийный останов ПЭД, возможен пожар Аварийный останов скважины, недобор нефти, убытки компа- нии Несоблюдение сро- ков проведения ТОиР, непредвиденные рас- ходы Недопущение теп- лового воздействия и нагрузок на электро- часть выше допусти- мых Проведение входно- го контроля Проведение стендо- вых испытаний в пол- ном объеме и в соот- вестствии с требованиями директивных документов Снижение качества изоляции между жи- лами и зем- лей Пробой изоляции кабеля Брак изготовления Брак монтажа Скрытый заводской дефект кабеля Нарушение техно- логии ремонта кабеля Повреждение ка- бельной линии при изготовлении, транс- портировке или монтаже Аварийный останов ПЭД, возможен пожар Аварийный останов скважины, недобор нефти, убытки компа- нии Несоблюдение сро- ков проведения ТОиР, вывод в ремонт обо- рудования, непредви- денные расходы Недопущение нагрузок выше допу- стимых Проведение входно- го контроля Проведение стендо- вых испытаний в пол- ном объеме Проведение всех операций с кабельной линией в соответствии с требованиями действующей НТД и ЛНД На сегодняшний день данный метод представляет собой безотказную мето- дику по повышению надежности ЭПУ и ПЭД НГДП, прошедшую апробацию на промышленных предприятиях автомобилестроения в течение десятков лет и до- казавшую свою эффективность. В рамках данной работы метод FMEA-анализа направлен на решение следу- ющих задач: формирование перечня всех возможных дефектов с выборкой по отка- зам, имеющим наибольшую плотность возникновения и наивысший класс опасности для оборудования, на основании данных статистики о технологических нарушениях на ЭПУ АО «Самаранефтегаз» в Поволж- ском регионе. При этом учитывается опыт изготовления (заводские де- фекты) и испытаний оборудования, а также опыт реальных действий и вероятных ошибок эксплуатирующего персонала в процессе производ- ства, эксплуатации, ТОиР ЭПУ; определение в зависимости от вида предполагаемого отказа (дефекта) возможных отрицательных вариантов его возникновения и анализ тяже- сти сопутствующих последствий с дальнейшей количественной и каче- ственной оценкой их значимости; определение с оценкой частоты причины возникновения для каждого возможного дефекта на основании свойств и особенностей конструк- ции, технологического процесса, условий эксплуатации, ТОиР и т. д.; определение на основе анализа технологического процесса корректно- сти и достаточности предлагаемых и принятых мер по предупреждению дефектов в эксплуатации, их обнаружению и устранению во время про- ведения ТОиР с количественной оценкой возможности исключения воз- никновения дефектов путем фиксации причин их происхождения на этапах эксплуатации и изготовления элементов ЭПУ; оценка в виде численных значений обобщенного балла критичности каждого отказа, дефекта (с его причиной) по так называемому приори- тетному числу риска (ПЧР) [16]. При высоких значениях ПЧР следует произвести усовершенствование технологического процесса или обору- дования, а также выполнить доработку системы мониторинга и диагно- стики, проведения ТОиР, пересмотреть требования правил эксплуата- ции с целью снижения данного показателя. Проведение FMEA-анализа - достаточно сложная процедура, в основе кото- рой лежит работа группы экспертов по техническим направлениям изготовления, эксплуатации и испытания погружного оборудования скважины. На рис. 2 пред- ставлен алгоритм применения метода FMEA-анализа для оценки производствен- ных рисков в эксплуатации парка ЭПУ НГДП. В соответствии с представленным алгоритмом процесс FMEA-анализа [4, 5] условно разделяют на этапы. На пер- вом этапе выполнена выборка дефектов, имеющих наибольшую частоту возник- новения, и составлена диаграмма К. Исикавы [3], предложена схема мониторинга причин и следствий, связанных с технологическим отказом в работе ЭПУ. На следующем этапе выполнена оценка комплексного риска дефекта по критериям, установленным ГОСТ Р 51901.12-2007 (МЭК 60812:2006) «Менеджмент риска. Метод анализа видов и последствий отказов» [16]. Для каждого рассмотренного дефекта следует определить его балл значимо- сти «S», балл возникновения «O» и балл обнаружения «D» [17]. После получения экспертных оценок S, O, D вычисляют приоритетное число риска (ПЧР) [3, 18] (табл. 3): ПЧР  S  O  D . (1) Рис. 2. Алгоритм применения метода FMEA-анализа для оценки производственных рисков в эксплуатации парка ЭПУ НГДП Таблица 3 Основные причины, влияющие на технологический отказ в работе ЭПУ, с вычислением приоритетного значения риска Причины Баллы S O D ПЧР Полет (расчленение узла) 5 4 8 160 Клин 7 6 8 336 Слом вала (шлицевой муфты) 7 5 4 140 Отсутствие «звезды» 6 5 4 130 Снижение изоляции между жилами и землей 8 9 9 648 КЗ обмотки ПЭД 9 8 8 576 Согласно алгоритму работы по методу FMEA-анализа, приведенному на рис. 2, для «обобщенного балла критичности» должна быть установлена величи- на критического значения приоритетного числа риска, так называемая критиче- ская граница (ПЧРгр), которая находится в пределах значений ПЧР 100-125. Для дефектов с ПЧР >100, в некоторых случаях >125, следует вести доработку кон- струкции ЭПУ и ПЭД [16, 19, 20] либо изменение, совершенствование производ- ственного процесса. Анализируя данные, полученные в процессе исследования, можно установить, что все рассмотренные технологические нарушения имеют ПЧР от 130 до 648 и, следовательно, высокий риск возникновения. Данное об- стоятельство еще раз свидетельствует об актуальности темы исследования и необходимости внедрения в производственный процесс добычи углеводородов результатов данной работы. Рис. 3. Диаграмма Парето основных причин, влияющих на отказ в работе ЭПУ НГДП На основании выполненного анализа и проведенных расчетов по методу FMEA-анализа выполняется построение диаграммы Парето [21]. Она использу- ется при выявлении наиболее значимых и существенных факторов, влияющих на возникновение несоответствий или брака. Это дает возможность установить приоритет действиям, необходимым для решения проблемы. Диаграмма Парето и ее графическое отображение - правило Парето - позволяют отделить важные факторы от малозначимых и несущественных [22, 23]. В менеджменте качества применение этого правила показывает, что значи- тельное число несоответствий и дефектов возникает из-за ограниченного числа причин. Часто правило Парето формулируется как 80 на 20 [24, 25]. Например, если применить это правило по отношению к дефектам, то окажется, что 80 про- центов дефектов возникает из-за 20 процентов причин. На графике, представлен- ном на рис. 3, отражены основные причины, ранжированные по значимости вли- яния на отказ в работе ЭПУ. Выводы Обработан и проанализирован статистический материала аварийности ЭПУ и ПЭД в АО «Самаранефтегаз», составлена диаграмма К. Исикавы, позво- ляющая в графической форме установить наиболее существенные причинно- следственные взаимосвязи между факторами и последствиями возникновения технологических нарушений в эксплуатации ЭПУ и ПЭД. На основе диаграммы К. Исикавы выполнен мониторинг, составлена схе- ма мониторинга, которая устанавливает взаимосвязь между явлениями возник- новения отказов в работе ЭПУ и ПЭД, причинами их возникновения, послед- ствиями и предложенными действиями по их исключению в процессе дальней- шей эксплуатации. На данной схеме описаны основные составляющие диаграм- мы причинно-следственной связи оценки надежности функционирования ЭПУ и ПЭД, а именно: для электрической причины возникновения отказа элементов электротехнического комплекса ЭПУ - снижение изоляции между жилами и землей, КЗ обмотки ПЭД, отсутствие «звезды» (нарушение целостности цепи); для технологической причины отказа (нет подачи) - полет (расчленение узла), слом вала, клин. Остальные виды технологических нарушений являются более частными случаями либо следствием рассмотренных отказов и устраняются по разработанным алгоритмам. Составлена и описана оригинальная методика анализа видов и послед- ствий потенциальных отказов, или FMEA-анализ применительно к НГДП. Полу- чены экспертные оценки и рассчитано приоритетное число риска возникновения каждого отказа, позволяющие дать оценку степени влияния факторов на пробле- му надежности функционирования ЭПУ и ПЭД. Установлено, что наивысший риск для предприятия составляют отказы, связанные со снижением изоляции между жилами и землей (ПЧР = 648 баллов), КЗ обмотки ПЭД (ПЧР = 576 бал- лов) и клином УЭЦН (ПЧР = 336 баллов). На основании данных FMEA-анализа составлена диаграмма Парето основных причин, влияющих на отказ в работе ЭПУ НГДП. Выполнена реализация комплексного технико-экономического подхода к решению проблемы повышения надежности технической системы (ЭПУ и ПЭД), основанного на применении методов и инструментов системы менедж- мента качества. Результаты проведенного исследования служат основой для дальнейшего экономического расчета рентабельности производства АО «Сама- ранефтегаз» и принятия взвешенных решений, направленных на устранение уз- ких мест эксплуатации погружного оборудования нефтедобычи.

About the authors

Valery G Goldstein

Samara State Technical University

Email: vgg41@yandex.ru
(Dr. Sci. (Techn.)), Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Vladimir S Romanov

Samara State Technical University

Email: romanov_v.s@mail.ru
Postgraduate student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files