一种冲击载荷作用下射孔减震系统的可靠性评价方法

1.本发明涉及爆炸冲击领域减震系统可靠性问题，尤其涉及一种冲击载荷作用下射孔减震系统可靠性评价的方法。


背景技术：

2.在爆炸冲击领域，系统可靠性问题不但涉及到人身设备安全，而且与经济效益及社会效益密切相关。保障系统运行过程中的安全可靠性是工程实践中不断追求的目标。因此，在工程上针对性的展开系统可靠性研究具有十分重要的实用价值，现有的可靠性评估方法发展已较为成熟。
3.目前，系统可靠性分析方法在爆炸冲击领域应用广泛，取得的丰硕成果为行业的发展起到了十分有利的推动作用。在爆炸冲击领域，系统的寿命数据往往是用来评估其可靠性的基础。然而，对于一些复杂作业工况而言，很难大量获取系统寿命有效数据。工程上常采用两种方法来解决此类问题，一是基于加速寿命试验来展开可靠性研究。二是基于性能退化来进行可靠性评估。前者受很多实际条件的限制，具有较大的局限性。后者应用广泛、实现性较强，可为系统可靠性评估提供有力的理论支撑。早前，有研究人员率先提出了基于性能退化数据的可靠性理论分析方法。此方法的特点是根据系统的失效机理，利用不同时刻的性能特征数据展开可靠性分析。这样就弥补了工程上无法获取系统失效数据的缺陷，同时可以针对性的对系统失效前状态进行分析。该方法因准确性较高、实用性较强，受到众多研究人员的青睐，得到广泛应用的同时展现了良好的效果。因此，基于性能退化的可靠性技术已成为现实生活中提高系统可靠性、延长系统寿命的关键技术之一。
4.在射孔爆炸冲击过程中，以安装在管柱上的减震器为核心的系统构成了射孔减震系统。射孔减震系统长期处于射孔液环境及复杂力学工况下，其性能会随着运行时间的增加而逐渐退化。与此同时，由于射孔弹爆炸产生的强烈冲击作用，射孔减震系统性能会受冲击影响产生退化。射孔减震系统性能退化甚至失效，会直接导致射孔工况下管柱、封隔器及其他仪器设备的安全性受到严重威胁。因此，有必要针对冲击载荷作用下射孔减震系统的可靠性展开评价，这对于保证射孔爆炸冲击载荷作用下射孔减震系统的安全可靠性具有非常重要的意义。
5.目前，现有技术缺乏能够准确评价冲击载荷作用下射孔减震系统可靠性的方法。如何准确评价射孔爆炸冲击载荷作用下减震系统可靠性，成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供一种冲击载荷作用下射孔减震系统的可靠性评价方法，用以解决如何准确评价射孔爆炸冲击载荷作用下减震系统可靠性问题。
7.本发明实施例提供了一种冲击载荷作用下射孔减震系统的可靠性评价方法，包括：
8.根据射孔减震系统的构成部件及工作环境，分析射孔减震系统运行过程中退化状
态；
9.根据射孔减震系统运行退化状态，应用可靠性理论分析射孔减震系统竞争失效过程；
10.根据射孔减震系统竞争失效过程，结合延迟时间定义射孔减震系统故障双阶段；
11.基于齐次泊松过程建立射孔减震系统故障双阶段随机退化量数学计算模型；
12.根据射孔减震系统随机退化量数学计算模型，建立射孔减震系统双阶段可靠性理论分析模型；
13.根据射孔减震系统可靠性理论分析模型，结合动态冲击载荷数据评价射孔减震系统可靠性。
14.本发明实施例提供的冲击载荷作用下射孔减震系统的可靠性评价方法，针对冲击载荷作用下射孔减震系统退化过程进行了深入分析，通过考虑随机冲击和内部退化相关性，将随机冲击影响纳入已有的延迟时间模型中，并引入减震因子提出了一种新的可靠性模型展开射孔减震系统可靠性分析，并结合数值模拟方法获取了射孔减震系统动态受冲击数据，据此针对射孔减震系统开展了可靠性评价，得到了评价结果并提出了改进措施。综上形成了一套新的完整有效的分析冲击载荷作用下射孔减震系统可靠性的研究方法，为深入分析射孔系统可靠性问题提供了有效的研究手段，可以为石油天然气领域与冲击载荷作用下系统可靠性相关的问题研究提供重要参考。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明提供的冲击载荷作用下射孔减震系统的可靠性评价方法流程图；
17.图2为本发明提供的系统不同类型退化轨迹示意图；
18.图3为本发明提供的系统竞争失效过程示意图；
19.图4为本发明提供的射孔减震系统失效两个阶段的示意图；
20.图5为本发明提供的冲击作用对减震系统退化影响的示意图；
21.图6为本发明提供的射孔减震系统动态冲击数据示意图。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.在射孔爆炸冲击过程中，以安装在管柱上的减震器为核心的系统构成了射孔减震系统。射孔减震系统长期处于射孔液环境及复杂力学工况下，其性能会随着运行时间的增加而逐渐退化。与此同时，由于射孔弹爆炸产生的强烈冲击作用，射孔减震系统性能会受冲击影响产生退化。射孔减震系统性能退化甚至失效，会直接导致射孔工况下管柱、封隔器及
其他仪器设备的安全性受到严重威胁。因此，有必要针对冲击载荷作用下射孔减震系统的可靠性展开评价，这对于保证射孔爆炸冲击载荷作用下射孔减震系统的安全可靠性具有非常重要的意义。目前，现有技术缺乏能够准确评价冲击载荷作用下射孔减震系统可靠性的方法。
24.因此，本发明针对射孔减震系统，考虑冲击载荷作用，应用可靠性理论，结合射孔动力学数据，探索一套准确有效的射孔减震系统可靠性评价方法。以下将结合附图通过多个实施例进行展开说明和介绍。
25.图1为本发明实施例提供的冲击载荷作用下射孔减震系统的可靠性评价方法流程图，如图1所示，本发明实施例提供的冲击载荷作用下射孔减震系统的可靠性评价方法包括但不限于以下步骤：
26.步骤s1，根据射孔减震系统的构成部件及工作环境，分析射孔减震系统运行过程中退化状态；
27.步骤s2，根据射孔减震系统运行退化状态，应用可靠性理论分析射孔减震系统竞争失效过程；
28.步骤s3，根据射孔减震系统竞争失效过程，结合延迟时间定义射孔减震系统故障双阶段；
29.步骤s4基于齐次泊松过程建立射孔减震系统故障双阶段随机退化量数学计算模型；
30.步骤s5，根据射孔减震系统随机退化量数学计算模型，建立射孔减震系统双阶段可靠性理论分析模型；
31.步骤s6，根据射孔减震系统可靠性理论分析模型，结合动态冲击载荷数据评价射孔减震系统可靠性。
32.在本发明实施例中，首先，根据射孔减震系统的构成部件及工作环境，考虑射孔冲击载荷作用，获取射孔减震系统的真实运行工况，确定射孔减震系统运行过程中将会出现的退化状态，分析射孔减震系统失效机制。然后，根据射孔减震系统运行退化状态，应用可靠性理论初步分析系统寿命分布函数、系统可靠度、系统失效概率密度函数及系统失效率，确定上述指标之间的关系，应用可靠性理论初步分析系统退化轨迹模型及系统冲击模型的特点，采用竞争失效模式准确描述射孔减震系统退化失效过程。接着，根据射孔减震系统竞争失效过程，考虑延迟时间作用，确定射孔减震系统的损伤节点和失效节点，分析射孔减震系统节点前后的运行状态，定义射孔减震系统故障的双阶段。随后，根据射孔减震系统故障双阶段，结合射孔减震系统真实受冲击状态，采用齐次泊松过程描述射孔减震系统冲击载荷特征，建立射孔减震系统正常阶段和损伤阶段随机退化量数学计算模型。进一步，根据射孔减震系统正常阶段和损伤阶段随机退化量数学计算模型，建立射孔减震系统正常阶段和损伤阶段持续时间的概率密度函数，通过引入减震系数建立射孔减震系统可靠性理论分析模型。最后，根据射孔减震系统可靠性理论分析模型，获取射孔减震系统动态冲击载荷数据，揭示动态载荷作用机理，计算得到系统减震系数，确定射孔减震系统失效阈值、损伤阈值及损伤阶段持续时间阈值，针对射孔减震系统展开可靠性评价，形成评价结果并提出改进措施。上述过程构成一套完整的冲击载荷作用下射孔减震系统可靠性评价的方法。
33.基于上述实施例的内容，步骤s1中，根据射孔减震系统的构成部件及工作环境，分
析射孔减震系统运行过程中退化状态，具体方法如下：
34.s11，根据射孔减震系统的构成部件及工作环境，考虑射孔冲击载荷作用，获取射孔减震系统的真实运行工况。
35.射孔爆炸冲击载荷作用下，需要在井下射孔器材上安装减震器来降低射孔冲击作用，以减震器为核心的井下工具构成了射孔减震系统。由于射孔减震系统一直处于井筒液体环境及复杂力学条件下，其自身性能会随着时间推移而发生退化。与此同时，其性能也会受外界条件作用的影响。其中，射孔爆炸冲击是典型的工况之一，由于射孔弹爆炸产生的强烈冲击作用，射孔减震系统性能会受冲击影响产生退化。射孔减震系统性能退化甚至失效，会导致井下安全受到严重威胁。
36.s12，根据射孔减震系统的真实运行工况，确定射孔减震系统运行过程中将会出现的退化状态；
37.s13，根据射孔减震系统的退化状态，分析射孔减震系统失效机制。
38.射孔减震系统在运行过程中，由于时间的推移会出现腐蚀以及疲劳等失效机制。与此同时，射孔减震系统在运行过程会遭受来自射孔弹爆炸载荷的冲击，射孔减震系统用以抵挡射孔爆炸冲击的能力下降，射孔爆炸冲击也导致其退化加速，系统强度也会大大降低。以上因素影响达到一定程度时，射孔减震系统会出现失效现象。
39.基于上述实施例的内容，步骤s2中，根据射孔减震系统运行退化状态，应用可靠性理论分析射孔减震系统竞争失效过程，具体方法如下：
40.s21，根据射孔减震系统运行退化状态，应用可靠性理论初步分析系统寿命分布函数、系统可靠度、系统失效概率密度函数及系统失效率之间的关系。其中，可靠性理论包括系统退化轨迹、系统冲击模型等。
41.具体地，根据射孔减震系统运行退化状态，系统可靠性是指系统在一定工况和时间内不发生失效的概率，系统的寿命常常采用随机变量x(x≥0)来描述，其分布函数为：
42.f(t)＝p{x≤t},t≥0
ꢀꢀ
(1)
43.其中，f(t)为寿命分布，t为规定的时间。
44.系统在t时刻之前不发生失效的概率即系统可靠度为：
45.r(t)＝1
‑
f(t)＝p{x>t}
ꢀꢀ
(2)
46.上述方程为关于时间t的可靠度的函数表达式，且r(0)＝1，r(+∞)＝0。
47.系统的失效概率密度函数为：
[0048][0049]
系统失效率是指其运行t时间后出现失效的概率，可表示为：
[0050][0051]
在上述方程(1)～(4)中，系统寿命分布函数、系统可靠度、系统失效概率密度函数及系统失效率之间存在一定的关系，通过求取其中一个指标，可将另外三个指标确定。
[0052]
s22，根据射孔减震系统运行退化状态，应用可靠性理论初步分析系统退化轨迹模型及系统冲击模型的特点，采用竞争失效模式准确描述射孔减震系统退化失效过程。
[0053]
具体地，根据射孔减震系统运行退化状态，退化轨迹模型的主要思路是基于系统
退化数据，采用数学模型或物理失效方程来描述系统性能退化情况。在模型选择时，需根据数据采用合理的模型进行拟合，尽可能准确描述系统的实际退化情况。系统的退化量随时间变化情况称为退化速率，不同的退化速率对应着不同形状的退化轨迹，如图2所示。在应用退化轨迹模型展开系统可靠性分析时，四个最主要的因素分别为退化轨迹、伪寿命、失效阈值以及寿命分布。退化轨迹以系统性能退化量随时间变化函数来表达。失效阈值是基于系统真实的失效机理而获得，作为系统失效的判别指标。
[0054]
由射孔减震系统运行退化状态可知，射孔减震系统本身包含多种结构，其所处环境也复杂多变，系统会因为本身性能退化而发生失效。此外，由于受外界环境影响，系统还可能出现突发失效，例如受冲击作用。因此，可以将这类系统的失效机制分为两种：一种是由于自身不断退化而出现的失效现象。另一种是受外界冲击作用而发生的突发失效。这两种失效机制构成了这类系统的竞争失效模式，如图3所示。
[0055]
基于上述实施例的内容，步骤s3中，根据射孔减震系统竞争失效过程，考虑延迟时间定义射孔减震系统故障双阶段，具体方法如下：
[0056]
s31，根据射孔减震系统竞争失效过程，考虑延迟时间作用，确定射孔减震系统的缺陷节点和失效节点。
[0057]
本实施例中，根据射孔减震系统的真实运行工况，考虑射孔减震系统竞争失效过程，采用延迟时间理论确定射孔减震系统的缺陷节点和失效节点，如图4所示。
[0058]
s32，根据射孔减震系统损伤节点和失效节点，分析射孔减震系统节点前后的运行状态。
[0059]
根据射孔减震系统损伤节点和失效节点，射孔减震系统正常使用阶段出现损伤节点即缺陷点，便进入缺陷阶段，一直持续到失效节点即故障点出现，即射孔减震系统处于故障状态。
[0060]
s33，根据射孔减震系统节点前后的运行状态，定义射孔减震系统故障的正常阶段和损伤阶段。
[0061]
基于上述实施例的内容，在步骤s4中，基于齐次泊松过程建立射孔减震系统双阶段随机退化量数学计算模型，具体方法如下：
[0062]
s41，分析射孔减震系统真实受冲击状态，采用齐次泊松过程描述射孔减震系统冲击载荷特征。
[0063]
具体地，在射孔弹时序引爆过程中，炸药会在井下有限空间内发生持续性爆炸，同时包含炸药之间的互相叠加及干扰。整个过程可以描述为在一定时间范围内的持续性耦合和叠加作用，射孔管柱系统受到的冲击载荷的特点为随机性。因此，可以采用泊松过程来描述射孔管柱系统退化过程。由于射孔弹的单发装药量一般是相同的，认为每一颗射孔弹爆炸对射孔管柱的冲击作用是一致的。因此，射孔爆炸产生的随机冲击过程在时间和空间尺度上是可以视为齐次泊松过程，如图5所示。
[0064]
s42，基于齐次泊松过程，建立射孔减震系统正常阶段和损伤阶段的随机退化量数学计算模型。
[0065]
本实施例中，基于齐次泊松过程，建立射孔减震系统正常阶段随机退化量数学计算模型：射孔减震系统正常状态持续时间用随机变量x表示，则正常阶段的随机退化量可表示为：
[0066][0067]
其中，α、β分别表示初始退化量和退化率；w
i
,i＝1,2,3......表示正常状态下第i次冲击作用下退化增量；n(s,t)表示时间间隔(s,t)内冲击次数，n(t),t≥0。
[0068]
基于齐次泊松过程，建立射孔减震系统损伤阶段随机退化量数学计算模型：与正常阶段类似，射孔管柱系统缺陷状态持续时间用随机变量y表示，其随机退化量取决于缺陷到达时刻x和缺陷状态下受到的冲击情况，可以表示为：
[0069][0070]
其中，v
i
,i＝1,2,...表示缺陷状态下第i次冲击作用下退化增量。
[0071]
基于上述实施例的内容，步骤s5中，根据射孔减震系统随机退化量数学计算模型，建立射孔减震系统双阶段可靠性理论分析模型，具体方法如下：
[0072]
s51，根据射孔减震系统正常阶段随机退化量数学计算模型，建立射孔减震系统正常阶段持续时间的概率密度函数：
[0073][0074]
其中，f
x
(t)表示t时刻射孔减震系统正常阶段持续时间的概率密度函数，n表示射孔减震系统正常阶段冲击次数，φ()表示射孔减震系统正常阶段概率函数，l
d
表示射孔减震系统正常阶段基于时间失效阈值，α表示射孔减震系统正常阶段初始退化量，μ
β
表示射孔减震系统正常阶段退化率增量，μ
w
表示射孔减震系统正常阶段冲击量均值，λ表示射孔减震系统正常阶段可靠性模型系数，σ
β
表示射孔减震系统正常阶段退化率增量方差，σ
w
表示射孔减震系统正常阶段冲击量方差。
[0075]
s52，根据射孔减震系统损伤阶段随机退化量数学计算模型，建立射孔减震系统损伤阶段持续时间的概率密度函数：
[0076][0077]
其中，r
x+y
(t)表示t时刻射孔减震系统损伤阶段持续时间的概率密度函数，p{}表
示射孔减震系统时间条件函数，n表示射孔减震系统损伤阶段冲击次数，φ()表示射孔减震系统损伤阶段失效概率函数，l
d
表示射孔减震系统损伤阶段基于时间失效阈值，α表示射孔减震系统损伤阶段初始退化量，μ
β
表示射孔减震系统损伤阶段退化率增量，μ
w
表示射孔减震系统损伤阶段冲击量均值，λ表示射孔减震系统损伤阶段可靠性模型系数，σ
β
表示射孔减震系统损伤阶段退化率增量方差，σ
w
表示射孔减震系统损伤阶段冲击量方差，l
f
表示射孔减震系统损伤阶段基于冲击失效阈值，μ
v
表示射孔减震系统损伤阶段损伤冲击损伤量均值，σ
v
表示射孔减震系统损伤阶段冲击损伤量方差，γ表示射孔减震系统损伤阶段可靠性模型系数，f
x
()表示射孔减震系统损伤阶段持续时间的概率密度函数。
[0078]
s53，根据射孔减震系统双阶段概率密度函数，通过引入减震系数建立射孔减震系统可靠性理论分析模型：
[0079][0080]
其中，r(t)表示射孔减震系统可靠性理论分析模型，n表示射孔减震系统损伤阶段冲击次数，φ()表示射孔减震系统失效概率函数，l
d
表示射孔减震系统基于时间失效阈值，α表示射孔减震系统初始退化量，μ
β
表示射孔减震系统退化率增量，η为射孔减震系统减震系数，μ
w
表示射孔减震系统冲击量均值，λ表示射孔减震系统可靠性模型系数，σ
β
表示射孔减震系统退化率增量方差，σ
w
表示射孔减震系统冲击量方差，l
f
表示射孔减震系统基于冲击失效阈值，μ
v
表示射孔减震系统损伤冲击损伤量均值，σ
v
表示射孔减震系统冲击损伤量方差，γ表示射孔减震系统可靠性模型系数，f
x
()表示射孔减震系统持续时间的概率密度函数。
[0081]
基于上述实施例的内容，步骤s6中，根据射孔减震系统可靠性理论分析模型，结合动态冲击载荷数据评价射孔减震系统可靠性，具体方法如下：
[0082]
s61，根据射孔减震系统可靠性理论分析模型，获取射孔减震系统动态冲击载荷数据，揭示动态载荷作用机理。
[0083]
本实施例中，根据射孔减震系统可靠性理论分析模型，获取射孔减震系统动态冲击载荷数据，如图6所示。经过减震后，射孔减震系统受冲击有所降低，经减震后射孔减震系统损伤缺陷时刻延长至3700μs，正常阶段射孔管柱系统受到的冲击次数增加为28次，损伤缺陷阶段受到的冲击次数为10次。
[0084]
s62，根据动态载荷作用机理，计算得到系统减震系数，确定射孔减震系统阈值；其中，射孔减震系统阈值包括射孔减震系统失效阈值、损伤阈值及损伤阶段持续时间阈值。
[0085]
本实施例中，根据动态载荷作用机理，计算得到射孔减震系统减震系数为0.6，射孔减震系统的失效阈值为500，缺陷阈值为300，损伤缺陷阶段的持续时间阈值为500。
[0086]
s63，根据射孔减震系统阈值，针对射孔减震系统进行可靠性评价。
[0087]
本实施例中，根据步骤s62得到的射孔减震系统阈值可知，射孔减震系统基于持续时间失效和基于冲击失效的概率均有所降低。射孔减震系统基于冲击失效及持续时间失效的可靠性之间存在差异，这为井下射孔减震系统的定期维护提供了有价值的指导信息。
[0088]
进一步的，在得到射孔减震系统在冲击载荷作用下的可靠性评价结果后，本发明提出如下改进措施：当射孔减震系统基于冲击失效的可靠性较低时，应采取增加减震器及其他优化措施进行维护，以尽可能降低其损坏的概率。当射孔减震系统基于持续时间的失效风险较高时，则应提高损伤缺陷阶段的持续时间阈值，即通过改进射孔减震系统自身的性能，用以提高射孔减震系统的可靠性。
[0089]
综上所述，发明实施例提供了一种冲击载荷作用下射孔减震系统的可靠性评价方法，针对冲击载荷作用下射孔减震系统退化过程进行了深入分析，通过考虑随机冲击和内部退化相关性，将随机冲击影响纳入已有的延迟时间模型中，并引入减震因子提出了一种新的可靠性模型展开射孔减震系统可靠性分析，并结合数值模拟方法获取了射孔减震系统动态受冲击数据，据此针对射孔减震系统开展了可靠性评价，得到了评价结果并提出了改进措施。综上形成了一套新的完整有效的分析冲击载荷作用下射孔减震系统可靠性的研究方法，为深入分析射孔系统可靠性问题提供了有效的研究手段，可以为石油天然气领域与冲击载荷作用下系统可靠性相关的问题研究提供重要参考。
[0090]
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0091]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0092]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。