王彥富， 張　彪， 李玉蓮, 閆培娜

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

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基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的海洋平臺(tái)火災(zāi)事故仿真分析

王彥富， 張彪， 李玉蓮, 閆培娜

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

為動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)海洋平臺(tái)火災(zāi)事故，在分析海洋平臺(tái)火災(zāi)事故主要因素的基礎(chǔ)上，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，構(gòu)建海洋平臺(tái)火災(zāi)事故因果回路圖以及系統(tǒng)仿真模型。運(yùn)用Vensim軟件對(duì)海洋平臺(tái)火災(zāi)事故進(jìn)行仿真模擬，對(duì)海洋平臺(tái)安全水平進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。結(jié)果表明：海洋平臺(tái)火災(zāi)事故是由于人因因素、組織管理因素、設(shè)備因素多因素相互耦合作用，使整個(gè)系統(tǒng)安全水平低于火災(zāi)事故的安全臨界點(diǎn)造成的，三大因素呈現(xiàn)出非線性、高動(dòng)態(tài)關(guān)系。通過仿真模擬可以看出各個(gè)因素隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，可以對(duì)未來火災(zāi)事故出現(xiàn)的概率作出科學(xué)預(yù)測(cè)。

海洋平臺(tái)火災(zāi)事故；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；因果回路圖；動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型

0　引言

海洋平臺(tái)造價(jià)高昂，平臺(tái)上空間狹小、人員相對(duì)密集、設(shè)備眾多且布置緊密，平臺(tái)上的設(shè)備設(shè)施都含有大量的易燃易爆物質(zhì)，稍有不慎就有可能引發(fā)油氣泄漏，從而導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生[1,2]。一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，不僅會(huì)造成巨額經(jīng)濟(jì)損失以及重大人員傷亡，還會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成數(shù)年甚至數(shù)十年無法恢復(fù)的嚴(yán)重污染。例如：2001年，Campos Bay of Brazil state Rio De Janeiro的P-36半潛式平臺(tái)火災(zāi)爆炸事故造成10人死亡，平臺(tái)報(bào)廢，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)10億美元；2005年，印度孟買油田的一號(hào)平臺(tái)(石油產(chǎn)量約占印度石油總產(chǎn)量的百分之三十五)與補(bǔ)給船發(fā)生碰撞，補(bǔ)給船上燃料起火并迅速蔓延到平臺(tái)，最終導(dǎo)致平臺(tái)被完全焚毀，造成49人傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失約23億美元，石油天然氣產(chǎn)量下降1/3；2010年墨西哥灣深水地平線平臺(tái)井噴失控引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，導(dǎo)致11人死亡，17人受傷，在事故發(fā)生后每天有約5 000桶原油源源不斷地流入墨西哥灣。因此，海洋平臺(tái)的安全問題越來越受到社會(huì)各界的重視。

海洋平臺(tái)在海洋石油天然氣開采中占有重要地位，對(duì)海洋平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)警研究十分重要。海洋平臺(tái)是由相互依賴的多個(gè)子系統(tǒng)組成的生產(chǎn)系統(tǒng)，具有高度動(dòng)態(tài)性和多重反饋過程，子系統(tǒng)之間具備非線性關(guān)系。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是根據(jù)控制論、信息論、系統(tǒng)論以及大系統(tǒng)論等有關(guān)理論建立的一種數(shù)學(xué)模型，是研究高階數(shù)、多回路、非線性的一種定量方法。因此，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)海洋平臺(tái)火災(zāi)事故進(jìn)行研究，對(duì)提高海洋平臺(tái)安全水平以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警具有重要的意義。

1　海洋平臺(tái)火災(zāi)致因分析

根據(jù)BSEE統(tǒng)計(jì)，1992年～2013年，墨西哥灣地區(qū)約2 546個(gè)平臺(tái)共發(fā)生2 837起海洋平臺(tái)火災(zāi)事故。1997年～2000年，海洋平臺(tái)火災(zāi)事故發(fā)生頻率超過了100次/年。2006年～2013年，平臺(tái)火災(zāi)發(fā)生頻率高達(dá)127次/年。由于海洋環(huán)境特殊、油氣儲(chǔ)藏復(fù)雜、安全高效技術(shù)和裝備不成熟，海洋平臺(tái)火災(zāi)事故逐年增加。根據(jù)事故描述，總結(jié)發(fā)生火災(zāi)的主要原因?yàn)槿艘蛞蛩?、組織管理因素、設(shè)備因素三個(gè)方面。

1.1人因因素

人是生產(chǎn)中的主體，也是最活躍的因素。人在生產(chǎn)過程中，除受到工作環(huán)境及所操作機(jī)器的影響外，自身因素占主導(dǎo)地位。人除了一些心理及生理的因素外，還受自身基本素質(zhì)的影響，如年齡、工齡、文化程度以及受教育的程度等[3]。海洋事故的廣泛研究和綜述結(jié)果表明，人因因素導(dǎo)致事故的概率高達(dá)70%，只有30%是由于技術(shù)失效導(dǎo)致的[4]。人員生理、心理方面出現(xiàn)問題，導(dǎo)致工作不認(rèn)真、反應(yīng)遲鈍，出現(xiàn)一些危險(xiǎn)行為；人員素質(zhì)不高、技術(shù)不過關(guān)，導(dǎo)致人員違章操作，不僅損壞設(shè)備可靠性甚至直接導(dǎo)致設(shè)備失效[5]；員工操作不當(dāng)以及缺乏現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督管理導(dǎo)致誤開閥門、立管的井口風(fēng)帽被吹走、移動(dòng)附近設(shè)備忘記重新連接等失誤，導(dǎo)致油氣裝置泄漏；員工安全意識(shí)不高，在危險(xiǎn)區(qū)域吸煙；焊接過程不規(guī)范，產(chǎn)生焊接火花四濺等不安全行為都增加了點(diǎn)火概率。在泄漏點(diǎn)修復(fù)過程中由于人員判斷失誤、操作失誤，導(dǎo)致油氣擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)，增加油氣接觸火源的概率。

1.2組織管理因素

所謂組織管理因素，是將“社會(huì)-技術(shù)”系統(tǒng)視為“組織”，凡是影響這一系統(tǒng)的所有變量都可視為組織管理因素。影響海洋平臺(tái)安全與管理系統(tǒng)有關(guān)的因素即為組織管理因素[6]。組織管理缺陷是導(dǎo)致人因失誤以及安全技術(shù)操作失誤的深層原因，是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因。安全教育培訓(xùn)不到位、員工操作技術(shù)水平不高、員工素質(zhì)不高、對(duì)危險(xiǎn)源辨識(shí)能力不強(qiáng)，導(dǎo)致員工對(duì)海洋平臺(tái)的作業(yè)環(huán)境、操作工藝、各個(gè)危險(xiǎn)環(huán)節(jié)及危險(xiǎn)操作沒有深刻地了解，遇到突發(fā)事件不知道如何應(yīng)對(duì)或者采取錯(cuò)誤的應(yīng)對(duì)方法都會(huì)加重事故發(fā)生概率甚至加重事故后果。強(qiáng)化對(duì)設(shè)備管理的力度，對(duì)關(guān)鍵、易發(fā)生故障的部位重點(diǎn)定時(shí)檢查，對(duì)老舊設(shè)備進(jìn)行淘汰，同時(shí)引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，才能消除事故隱患。加大對(duì)安全評(píng)價(jià)、安全文化建設(shè)、安全教育培訓(xùn)等方面的費(fèi)用，構(gòu)建科學(xué)、合理、多元化的安全管理體系才能從根本上預(yù)防事故的發(fā)生。

1.3設(shè)備因素

墨西哥灣平臺(tái)建造時(shí)間比較久，設(shè)備接近老齡化，進(jìn)入失效頻發(fā)期。設(shè)備失效主要表現(xiàn)為設(shè)備發(fā)生泄漏，通過事故統(tǒng)計(jì)，泄漏主要有四種形式：儲(chǔ)罐泄漏、立管泄漏、工藝設(shè)備泄漏以及管道泄漏。儲(chǔ)罐泄漏主要是由儲(chǔ)罐敞開、儲(chǔ)罐頂部溢出以及密封圈泄漏引起。工藝設(shè)備泄漏是指石油、天然氣從井口采油平臺(tái)出來以后到外輸立管應(yīng)急管段閥前初步處理油氣的設(shè)備泄漏，包括壓縮機(jī)、加熱處理器和分離器等設(shè)備。工藝設(shè)備泄漏主要是由閥門泄漏、密封圈泄漏和法蘭泄漏引起的。其中閥門故障、密封圈損壞和腐蝕是導(dǎo)致設(shè)備可靠性降低的主要因素，而油氣裝置內(nèi)部物料腐蝕和外部環(huán)境侵蝕會(huì)導(dǎo)致設(shè)備壁變薄、抗壓與抗溫性能減弱，例如高溫與酸作業(yè)損壞橡膠塑料密封圈將導(dǎo)致密封圈泄漏。

海洋平臺(tái)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，人因因素、設(shè)備因素和組織管理因素這三個(gè)因素構(gòu)成了海洋平臺(tái)整個(gè)安全系統(tǒng)的子系統(tǒng)，形成了統(tǒng)一的整體，三者相互制約、相互依賴，其中某一個(gè)因素或幾個(gè)因素的動(dòng)態(tài)變化，都會(huì)引起海洋平臺(tái)安全水平的變化。

2　海洋平臺(tái)火災(zāi)事故的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

圖1　火災(zāi)事故因果回路圖

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics，簡(jiǎn)稱SD)是由美國(guó)麻省理工學(xué)院的 J．W．Forrester 教授于1956年創(chuàng)立的一種研究復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與動(dòng)態(tài)反饋行為機(jī)制的系統(tǒng)科學(xué)方法[7，8]。根據(jù)第1節(jié)中分析的三個(gè)因素和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)反饋原理，運(yùn)用Vensim軟件構(gòu)建海洋平臺(tái)火災(zāi)事故因果關(guān)系回路圖，如圖1所示。

運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)海洋平臺(tái)火災(zāi)事故進(jìn)行分析，主要共有3條因果回路：

(1) 安全投入↑→人為因素水平↑→海洋平臺(tái)系統(tǒng)安全水平↑→安全投入↓

(2) 安全投入↑→組織因素水平↑→海洋平臺(tái)系統(tǒng)安全水平↑→安全投入↓

(3) 安全投入↑→設(shè)備因素水平↑→海洋平臺(tái)系統(tǒng)安全水平↑→安全投入↓

這3條反饋回路表示，隨著安全投入的增加，影響海洋平臺(tái)火災(zāi)的主要因素安全水平增加，從而增加了海洋平臺(tái)系統(tǒng)安全水平。當(dāng)海洋平臺(tái)安全水平達(dá)到預(yù)期目標(biāo)就會(huì)反饋給安全投入，使安全投入減少。

圖2是在圖1的基礎(chǔ)上，分析了3大致因因素的子系統(tǒng)因果回路圖，從而構(gòu)成海洋平臺(tái)火災(zāi)事故因果總回路圖。

圖2　海洋平臺(tái)火災(zāi)事故因果回路圖

3　海洋平臺(tái)火災(zāi)事故模型構(gòu)建

3.1變量的選擇

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的變量主要包括水平變量、速率變量、輔助變量和常量。該文構(gòu)建的海洋平臺(tái)火災(zāi)事故仿真模型的變量共有152個(gè)，其中，水平變量共有3個(gè)，速率變量共有3個(gè)，輔助變量共有43個(gè)，常量共有103個(gè)。

水平變量包括人的安全行為子系統(tǒng)的安全水平指標(biāo)、組織管理子系統(tǒng)的安全水平指標(biāo)、設(shè)備子系統(tǒng)的安全水平指標(biāo)。速率變量包括單位時(shí)間人的安全行為水平變化量、單位時(shí)間組織管理水平變化量、單位時(shí)間設(shè)備安全水平變化量。輔助變量包括海洋平臺(tái)安全系統(tǒng)的安全水平指標(biāo)、安全思想意識(shí)因子水平的單位時(shí)間變化量、安全操作技術(shù)因子水平的單位時(shí)間變化量等。常量包括單位時(shí)間人的安全行為方面的投入、單位時(shí)間組織管理方面的投入、單位時(shí)間設(shè)備方面的投入等常量。

3.2仿真模型構(gòu)建

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法是通過因果關(guān)系圖、存量流量圖建立結(jié)構(gòu)模型，然后建立方程模型。確定各個(gè)變量以后，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流率基本入樹建模法[9],運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)Vensim仿真軟件構(gòu)建海洋平臺(tái)火災(zāi)事故系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖3所示。

圖3　海洋平臺(tái)火災(zāi)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型

3.3Vensim軟件模擬

選取墨西哥灣某海上平臺(tái)作為研究對(duì)象，對(duì)該海上平臺(tái)的實(shí)際數(shù)據(jù)、該地區(qū)事故統(tǒng)計(jì)信息、平臺(tái)安全評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行量化處理得到仿真參數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入到建立好的方程中進(jìn)行模擬。

(1) 生成仿真運(yùn)行曲線圖如圖4所示，從圖4中可以清晰直觀的觀察到該海洋平臺(tái)安全水平的變化趨勢(shì)。

圖4　海洋平臺(tái)系統(tǒng)安全水平發(fā)展趨勢(shì)圖

(2) 得到人的安全行為子系統(tǒng)、組織管理子系統(tǒng)以及設(shè)備子系統(tǒng)的安全水平變化趨勢(shì)圖，如圖5～圖7所示。

圖5　人的安全行為影響因子的水平變化趨勢(shì)圖

圖6　組織管理影響因子的水平變化趨勢(shì)圖

圖7　設(shè)備影響因子的水平變化趨勢(shì)圖

3.4仿真結(jié)果分析

(1) 通過圖5可以看出：該海洋平臺(tái)在2010年～2013年的安全水平呈現(xiàn)出先降低然后升高的趨勢(shì)。在0～12個(gè)月之間，隨著安全投入的降低，人的安全行為子系統(tǒng)、組織管理水平子系統(tǒng)以及設(shè)備安全水平子系統(tǒng)的速率變化呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，導(dǎo)致海洋平臺(tái)總安全水平降低，安全水平為76分。安全水平與安全投入呈現(xiàn)負(fù)反饋關(guān)系，安全水平下降導(dǎo)致安全投入增加。在12個(gè)月～36個(gè)月之間，安全水平隨著安全投入的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

(2) 從0～1個(gè)月、28個(gè)月～36個(gè)月之間，海洋平臺(tái)安全水平達(dá)到80分以上，處于安全態(tài)。2個(gè)月～5個(gè)月、19個(gè)月～28個(gè)月之間，安全水平在70分～80分之間，此時(shí)海洋平臺(tái)由安全態(tài)向風(fēng)險(xiǎn)態(tài)過渡。5個(gè)月～19個(gè)月之間，安全水平在70分以下，處于風(fēng)險(xiǎn)態(tài)。如果未來保持5個(gè)月～19個(gè)月之間的安全水平，則海洋平臺(tái)有可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)事故。

(3) 從圖5～圖7可知，人的安全行為子系統(tǒng)和組織管理子系統(tǒng)變化速率起伏較大，設(shè)備子系統(tǒng)變化起伏較小。說明人的安全行為和組織管理在單位時(shí)間內(nèi)變化快，更容易出差錯(cuò)。人的安全行為子系統(tǒng)中應(yīng)著重注意安全思想意識(shí)、安全操作技術(shù)、員工心理生理素質(zhì)的變化。設(shè)備子系統(tǒng)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)立管和管道的投入，防止這兩個(gè)主要泄漏源發(fā)生故障，產(chǎn)生泄漏。

(4) 子系統(tǒng)中的組織管理和人的行為水平對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)較大，表明加大兩個(gè)子系統(tǒng)的投入會(huì)提高海洋平臺(tái)系統(tǒng)的整體安全水平，縮短達(dá)到安全水平目標(biāo)值的時(shí)間。

4　結(jié)論

(1) 基于因果回路圖分析海洋平臺(tái)火災(zāi)事故致因因素的邏輯關(guān)系，表明海洋平臺(tái)火災(zāi)事故的發(fā)生是由人的不安全行為、組織管理、設(shè)備安全三大致因因子的相互耦合作用引起的，并對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

(2) 通過Vensim軟件構(gòu)建SD仿真流圖，建立方程闡述各個(gè)致因因子之間的相互關(guān)系，并對(duì)其進(jìn)行定量化的處理。通過實(shí)例對(duì)某海洋平臺(tái)進(jìn)行仿真模擬，從仿真流圖動(dòng)態(tài)地觀察各個(gè)致因因子和整個(gè)海洋平臺(tái)系統(tǒng)安全水平的變化趨勢(shì)，為未來火災(zāi)的發(fā)生做出科學(xué)的預(yù)測(cè)和預(yù)警，從而有效地預(yù)防海洋平臺(tái)火災(zāi)。

(3) 運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)海洋平臺(tái)的安全水平。由仿真結(jié)果可知：不同因子在安全投入影響下的變化量不同，對(duì)子系統(tǒng)產(chǎn)生的影響不同，進(jìn)而影響整體系統(tǒng)安全水平的變化。可大致預(yù)測(cè)海洋平臺(tái)安全水平走勢(shì)，指導(dǎo)平臺(tái)安全生產(chǎn)。

由于海洋平臺(tái)系統(tǒng)中火災(zāi)事故的發(fā)生受內(nèi)外因素影響，致因因素很多。后期將進(jìn)一步定量分析致因因素之間的復(fù)雜關(guān)系，完善海洋平臺(tái)火災(zāi)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

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Analysis of Offshore Platforms Fire Accidents Based on System Dynamics

WANG Yan-fu， ZHANG Biao， LI Yu-lian， YAN Pei-na

(Department of Mechanical and Electronic Engineering， China University of Petroleum，Shandong Qingdao 266580，China)

In order to predict the platform fire accidents dynamically, a causal loop diagram of offshore platform fire accidents and system simulation model were presented based on analyzing the main factors of fire accidents of platform in this paper. Combining with the relevant principles of System Dynamics，a causal loop diagram of offshore platform fire accidents and system simulation model were established. Offshore platforms fire accidents were simulated using Vensim software to achieve dynamic monitoring and early warning of the safety level of offshore platforms. The results show that the offshore platforms fire accidents were caused by the coupling multi-factors of human, organizational and equipment factors and the whole system safety level was lower than the fire accidents of safety critical point. Three main factors show nonlinear and high dynamic relationship, from the simulation results, it can be seen that all the factors' changing trend over time and the probability of fire accidents in the future could be achieved.

fire accidents of offshore platform; System Dynamics (SD); causal loop diagram; dynamic prediction model

2015-11-11

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51409260)，山東省自然基金面上項(xiàng)目(ZR2012EEM023)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(14CX05035A)。

王彥富(1981-)，女，副教授。

1001-4500(2016)04-0045-07

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