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井口设备高压气密封现场试验事故树分析

文档作者：翁卫东李治垄樊建春李佳玲文档来源： 1．中石化石油工程机械有限公司第四机械厂 2．中国石油大学(北京)，		点击数：	更新时间： 2021年09月17日
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2014年第43卷
第7期第5O页
石油矿场机械
0IL FIELD EQUIPMENT
文章编号：1001—3482(2014)07—0050—05
井口设备高压气密封现场试验事故树分析
翁卫东 ，李治垄 ，樊建春 ，李佳玲
(1．中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北荆州434024；2．中国石油大学(北京)，北京102249)
摘要：在现场对承受高压的井口设备进行气密封试验，对于保障设备运行的安全可靠性具有十分重
要的意义。针对高压井口设备气密封试验系统的装备与工艺特点，系统分析了试验过程的危险及
有害因素，建立了井口设备高压气密封试验事故树，分析了导致爆炸的主要因素，为确定合理的事
故防范体系提供了依据。
关键词：井口设备；高压气密封试验；风险分析；事故树
中图分类号：TE931．1 文献标识码：A doi：10．3969／j．issn．1001—3842．2014．07．013
Fault Tree Analysis of High Pressure Seal Field Test for W ellhead Equipment
W ENG W ei—dong ，LI Zhi—kun ，FAN Jian—chun。，LI Jia—ling
(1．SJ Petroleum Machinery Co．，Jingzhou 434024，China
2．China University of Petroleum (Beijing)，Beijing 102249，China)
Abstract：Carrying out the high pressure gas seal field? test for wellhead equipment is of great
significance for the safety of equipm ent operations．A ccording to the devices and process charac—
teristics of the wellhead equipm ent high pressure seal test system ，the wellhead equipment high
pressure seal test fault tree was established based on analyzing the hazard factors of the whole
test process system atically．The main affecting factors inducing explosion was also analyzed．The
above work laid a foundation for providing reasonable prevention system．
Key words：wellhead equipment；high pressure gas seal test；risk analysis；fault tree
在油气生产中，采油(气)井口装置的密封性，尤
其是气密封性对生产安全有着至关重要的影响。近
年来随着越来越多的高压气井投入生产，井口装置
的压力等级显著提高，对其气密封性提出了更高的
要求，保障井口装置运行安全的难度进一步加大，高
压井口装置的密封失效及泄漏事故时有发生，严重
影响油气开发生产安全。
为确认井口装置的承压能力，确保其在使用过
程中安全可靠，目前国内外普遍采用在车间或现场
对安装好的井口装置进行试压的方法。然而，由于
现场条件限制，国内许多油田主要在车间对即将安
装于油气井的井口设备进行整体试压[1]。通过试压
的井口设备拆卸后，运输到现场进行重新安装，在现
场或只进行简单的水压试验或根本不进行试压即投
入使用。实际上，一旦运输过程保护不当或在现场
安装不正确，极有可能导致井口设备的密封条件达
不到预定标准，导致在实际承压情况下密封失效，从
而引发生产事故。因此，很有必要开发适合现场应
用的井口装置高压气密封试验技术，该项技术的应
用对于改善井口装置的安全状态，降低油气田因井
口泄漏问题导致的整改费用，消除安全生产隐患，避
免安全事故的发生具有十分重要的意义。
然而，由于高压井口装置的现场气密封试验时
采用的最高试验压力通常为井口装置额定压力的
收稿日期：2013—01—18
作者简介：翁卫东(1971)，男，湖北鄂州人，高级工程师，硕士，主要从事企业管理及高压管汇产品的研制工作，E—mail
wwd@ sjpetre．corn。
第43卷第7期 翁卫东，等：井口设备高压气密封现场试验事故树分析
1．5倍，压力极高，试验过程的危险性较大，加之国
内开展井口装置现场气密封试验的历史较短，积累
的相关经验和技术资料十分有限，使该试验过程的
安全保障面临严峻挑战。本文结合高压井口设备气
密封试验系统的装置与工艺特点，系统分析现场试
验过程的危险及有害因素，通过建立井口设备高压
气密封试验事故树，分析试验过程中导致爆炸的主
要因素，为实际现场试验制定安全防范技术措施提
供依据。
l 井口装置现场气密封试验简介
井口装置现场气密封试验系统原理如图1所
示。试验采用不易发生体积变化和化学反应的氮气
作为试压气体。试验原理为：首先由空压机产生低
压空气，低压空气经过干燥、净化后进人制氮系统，
用于制氮系统产生试验用的低压氮气；然后，制氮系
统产生的低压氮气经过中压增压系统增压，经增压
后的氮气经过中压氮气瓶的缓冲，进入高压氮气增
压系统，经其增压后提供试验所需的高压氮气；最
后，利用高压氮气增压系统产生的高压氮气对采油
(气)树进行气密封试验，同时运用查漏设备对试验
的井口装置进行气体泄漏监测。
图1 现场气密封试验原理
制
取
氮
气
井口装置现场气密封试验主要包括布置、检查、
安装、系统调试、水压检测、气密封试验等几个环
节I2]。其试验过程是：布置好设备并检查完毕后，利
用试压管线将气密封试验系统和待试压工件连接
好；待系统调试好，水压检测合格后，开始气密封试
验；当气密封试验压力达到设定值后，稳压查漏；稳
压完成后，泄压结束气密封试验。井口装置现场气
密封试验流程如图2所示。井口装置现场气密封试
验最高的试验压力可高达2lO MPa，危险性极高，因
此在进行试验前有必要先进行水压检测，水压检测
合格后才可进行现场气密封试验。
车辆与设
备的布置
气密封
试验
系统安
装、连接
系统调试
图2 井口装置现场气密封试验流程
2 现场气密封试验危险及有害因素分析
井口装置现场气密封试验中存在的主要危险源
为高压井口装置、高压氮气增压装置、中压氮气钢
瓶、中压氮气压缩机、氮气缓冲罐、空压机、储气罐。
这些危险源潜在的危险性主要表现在，一旦这些设
备发生物理爆炸将可能造成人员伤亡和财产损失。
导致爆炸发生的主要因素有超压、设备缺陷、泄放装
置失效、操作人员操作失误、监控系统失灵等。主要
危险源及其危险等级如表1所示。其中A 级为特
别危险，B级为高度危险，C级为一般危险。特别危
险是指爆炸后会造成严重的人员伤亡和财产损失的
危险。高度危险是指爆炸后会造成较为严重的人员
伤亡和财产损失的危险。一般危险是指爆炸后会造
成较小危害的危险 ]。危险等级划分所依据的标准
规范为《爆炸危险场所安全规定》。其规定了操作压
力大于100 MPa为A级，操作压力大于10 MPa小
于100 MPa为B级，操作压力大于2．5 MPa小于
10 MPa为C级。
表1 井口装置现场气密封试验危险源等级划分
危险源部位 主要危险源 工作压力／MPa危险级别
井口装置现场气密封试验中存在的主要危险及
危害因素如下：
1) 物理爆炸伤害 由于井口装置现场气密封
试验最高试验压力可达到210 MPa的超高压，所以
试验过程极度危险，有可能因为设备缺陷、系统故
障、操作失误、泄压装置失灵等原因造成井口装置超
压爆炸，从而威胁到人员和设备的安全。试验中潜
在的主要物理爆炸危险因素有：井口装置爆炸、中压
竺一
石油矿场机械 2O14年7月
氮气钢瓶组爆炸、储气罐爆炸、氮气缓冲罐爆炸。
2) 触电伤害 由于试验所面临的实际井场条
件千差万别，有些老井场布满了各种高压电线，在气
密封试验过程中，与带电体距离过近或者触碰到高
压电线，都可能导致触电伤亡事故的发生。因此在
试验过程中，要避免与带电体接触过近或触碰高压
电线，尤其吊装作业更要格外注意。
3) 车辆伤害 在试验过程中，试验井场有多
种车辆的活动。由于受井场的地形条件、作业环境、
作业时的气候条件以及人的心理状态等多种因素的
影响，容易发生车辆翻倒、碰撞、碾压、撞人等事故。
4) 噪声危害 在气密封试验过程中，由于空
压机、氮气压缩机、氮气增压装置等运转会产生噪
声，可能对现场人员造成噪声伤害。
井口装置现场气密封试验中，危险、危害因素及
其产生的原因、后果和采取的控制措施如表2所示。
表2 危险和危害因素分析
第43卷第7期 翁卫东，等：井口设备高压气密封现场试验事故树分析 ·53 ·
爆炸及燃烧 电缆线短路、油管破裂
触电 触电
噪声 噪声
I．人员伤亡 I．定期检查车辆
2．设备损坏 2．按机动车驾驶规定操作车辆
i．与带电体距离过近或者
触碰到高压电线
2．设备或线路存在漏电、短 人员伤亡
路、接头松脱、断线碰壳、绝
缘损坏等问题
I．避免与带电体接触过近或触碰高压电线
2．定期检修设备
力
⋯ ⋯
3 井口装置现场气密封试验爆炸事故树
分析
导致爆炸事故的各相关事件符号如表3。通过
分析建立的井口装置现场气密封试验爆炸事故树如
图3所示。
表3 井口装置现场气密封试验爆炸事故树符号含义
符号 事件 符号 事件
T 井口装置爆炸 xz 起跳压力设置过高
A 井口装置超压爆炸 X。制造质量差
A 泄压装置失效 X 未定期校验
Az 压力超过安全值 xs 增压控制系统故障
As 安全阀缺陷 xs 压力传感器故障
A 自动增压系统故障 x 未及时正确地停止增压
As 手工操作失败 Xs 操作人员未注意到超压
As 超过设定压力不起跳 x。设备本体缺陷
B 井口装置失效导致爆炸 X o密封圈失效
B 井口设备失效 X 螺栓失效
Bz 检测监控措施失效 X z缺陷探测设备故障
B 连接部位失效 X 。自动泄压设备故障
B 自动监测系统失效 操作人员未能及时发现
A i d
B 人工监控失效 异常
X 调节装置不灵 敏 ～ 操作 人 员未 及 时启 动 泄
” 放装置
图3 井口装置现场气密封试验爆炸事故树
依据所建立的事故树，采用布尔代数可建立事
故树各事件之间的逻辑关系，即
T — A — —B
一(A ×A：)+ (B ×B2)
一(A。+ X1)×(A4×A5)+ (X。+ B。)×(B ×Bs)
== =[(X2+A。)+x ]×[(x +x。)×(x H-X8)]+
[x。+(X 。+X )]×[(x -I-X 。)×(X +
Xl5)]
一(X + X +X。4-X )× (X ×X7-t-Xs X X8-IX
×X7+x5×X8)+I-x。-I-X1。4-x 1)]×
(X12× X14+X12× Xl5+ X】3×X14+ X13× X】5)
一X3×X5×X7+X1o×X12×Xl44-X3 X ×X8+
X1o×X12×X15+ X1×X5×X8+ X3×X6×
X8+ X9×X1 2×X1 5+ X1o×X13×Xl 5+ X1×
X6×X8+X2×X6×X8+X9×X13×X1 5+X1l×
石油矿场机械 2O14年7月
X1 3×X1 5+ X1×X5×X7+ X3×X6×X7+
X9×X1 2×X14+ Xlo× X1 3×X14+ X2×X5×
X8+ X11×X12×X1 5+ X4× X6×X8+ X1×
X6×X7+ X2×X6×X7+ X9× Xl 3×X14+
X11×X1 3×X14+ X2×X5×X7+ X11×X12×
X1 4+X4×X5×X8+ X4×X6×X7+X4×
X5× X7
由此，可得井口装置现场气密封试验爆炸事故
树的最小割集为
K1一{X3，X5，X7}；K2一{X1o，X1 2，X1 4}；K 3一{X3，
X5，X8)；K4一{X10，X12，X1 5}；K 5一{X1，X5，X8}；
K6一{X3，X6，X8}；K7一{X9，X1 2，X1 5)；K8一{Xl0，
X1 3，X15)；K 9一{X1，X6，X8)；K 一{X2，X6，X8}；
K11一{X9，X13，X1 5}；Kl2一{X1l，Xl 3，Xl 5}；Kl3一
{X1，X5，X7}；K14一{X3，X6，X7}；Kl5一{X9，X1 2，
X14}；K16==={X】o，X1 3，X14}；K1 7一{X2，X5，X8)；
K1 8一{X11，X】2，X1 5}；K1 9一{X4，X6，X8)；K20一
{X1，X6，X7}；K 21一{X9，Xl3，Xl 4}；K22一{Xll，
X1 3，X】4}；K23一{X2，X5，X7)；K 24一{X1l，Xl2，
X1 d}；K25一{X4，X5，X8}；K26一{X4，X6，X7}；
K 27一{X4，X5，X7}
显然，井口装置现场气密封试验爆炸事故树有
27个“最小割集”，含15个基本分析单元。根据事
故树原理，表明井口装置现场气密封试验爆炸有27
种可能途径，只要任何一个最小割集中的基本事件
全部发生，就会导致井口装置现场气密封试验爆炸。
基本事件X 的危险割集总数计算公式为
2 1
。( )一Σ [ (1 ，x )一 (O ，x )] (1)
式中： 为基本事件的个数；2一 为基本事件X ( ≠
)状态组合数；P为基本事件的状态组合序号；X
为2一 状态组合中第P个状态；0 为基本事件不发
生状态值；1 为基本事件发生状态值； (X)为结构
函数， (x)一ⅡX 一rain{x1，X2，⋯ ，X )。
结构重要度系数的计算公式为
( )一 ： [ (1 ，x )一 (o ，x )]
(2)
由此可计算出井口装置现场气密封试验爆炸事
故树基本事件的结构重要度为
(Xs)一j。(X )一 (X )一I (X )
： 0．095 238 095 2
J (Xl2)一k(X1 5)一 (X14)一I (Xl 3)
一0．071 428 571 4
I (X )一J (X。)一 (X。)一J (X 。)一 (X2)
一J (X11)一 (X14)一0．047 619 047 6
这样可得出结构重要度排序为
(X )一 (X )一L(Xs)二==k(Xs)>k(X z)一
(X )一k(Xl )一 (X )>k(X1)一 (X。)一
(X。)一 (X 。)一k(X。)一 (X )一 (X )
显然，x (增压控制系统故障)、x (压力传感器
故障)、x (未及时正确地停止增压)、X (未注意到超
压)的结构重要系数最大，是导致井口装置现场气密
封试验爆炸的最重要条件；x (缺陷探测设备故障)、
X 。(自动泄压设备故障)、x (操作人员未能及时发
现异常)、X (操作人员未及时启动泄放装置)的结构
重要系数位于第二。
4 结论
1) 井口设备现场高压气密封试验的主要危险
源为高压井口装置、高压氮气增压装置、中压氮气钢
瓶、中压氮气压缩机、氮气缓冲罐和储气罐等，是试验
过程中防止物理爆炸的重点防护部位。
2) 系统分析表明：井口设备现场高压气密封试
验过程的主要危险有害因素有物理爆炸、触电、车辆
事故和噪声伤害等。本文分析了导致对应事故的原
因，提出了危险因素的控制措施。
3) 建立了井口设备现场高压气密封试验爆炸
事故树，得出了最小割集；对事故树基本事件的结构
重要度分析表明：增压控制系统故障、压力传感器故
障、未及时正确地停止增压和未注意到超压，是导致
井口装置现场气密封试验爆炸的最重要条件，为试验
过程中重点防范的内容。
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