劉建成，谷家揚，董智新，劉為民，徐立新，何 力

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116；3.江蘇科技大學(xué) a.海洋裝備研究院;b.船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著新式海洋平臺的不斷發(fā)展更替，棄置平臺的拆解市場潛力巨大。平臺拆解作業(yè)是一項綜合多種技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)性工程，受到多方面風(fēng)險因素的影響，平臺拆解過程中的各類風(fēng)險因素的評估與管控應(yīng)當納入作業(yè)的前期設(shè)計中。目前，棄置生產(chǎn)平臺油氣泄漏與爆炸的預(yù)防措施為洗氣，主要以平臺整體生產(chǎn)流程的清洗方式為主，對工藝容器及設(shè)備一般不再進行單獨清洗[1]，這使得其內(nèi)部仍有殘留大量可燃氣體的風(fēng)險。在海洋復(fù)雜環(huán)境下，設(shè)備、管路老化以及拆解作業(yè)施工引起的腐蝕、疲勞損傷、跌落等因素均易使容器或管路破裂，從而導(dǎo)致發(fā)生油氣泄漏與爆炸事故，因此有必要對殘存油氣泄漏、爆炸的風(fēng)險程度進行定量分析，以保證平臺拆解作業(yè)順利進行。

風(fēng)險評估方法大體可分為定性分析、定量分析和半定量分析。KHAKZAD等[2]和ABIMBOLA等[3]在風(fēng)險概率分析中將Bow-Tie模型與貝葉斯網(wǎng)格相結(jié)合，建立某鉆井平臺井噴事故的概率模型。韓國釜山大學(xué)與Nowatec AS等研究機構(gòu)[4-5]在大量試驗的基礎(chǔ)上，針對浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)上部模塊的油氣火災(zāi)、爆炸事故，提出適用于FPSO碳氫化合物火災(zāi)爆炸定量風(fēng)險評估和管控的完整系統(tǒng)。MENTES等[6]對擴展式系泊系統(tǒng)中操作故障、人為失誤等不確定的風(fēng)險因素進行模糊分析，提出一種適用于擴展式系泊系統(tǒng)的故障診斷及風(fēng)險評估方法。LAVASANI等[7]針對可用數(shù)據(jù)的高度不確定性和模糊性，運用層次分析法建立海洋油氣開發(fā)的風(fēng)險評估模型，并對淺海油氣泄漏進行風(fēng)險評估。WANG等[8]采用故障樹定性方法分析并識別了造成原油儲罐火災(zāi)爆炸的潛在因素，并在缺乏事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計下采用模糊理論確定基本事件的發(fā)生概率，驗證模糊故障樹法的有效性。李奇等[9]介紹定量風(fēng)險分析的理論定義、評估過程、量化結(jié)果和評估標準，對埕北12C平臺的生產(chǎn)設(shè)施進行油氣泄漏定量風(fēng)險評估，并提出降低風(fēng)險的措施，為平臺的安全生產(chǎn)提供重要的指導(dǎo)意見。王鵬[10]利用事件樹結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫確定FPSO中各工藝設(shè)備發(fā)生泄漏事故的歷史頻率，并采用拉丁超立方法抽樣出典型事故場景，提出氣體泄漏及爆炸災(zāi)害的量化風(fēng)險評估框架。王彥富等[11]從事故后果和發(fā)生概率兩個方面探討并構(gòu)建海洋平臺火災(zāi)爆炸風(fēng)險評估流程，提出基于人因組織因素分析的動態(tài)風(fēng)險評估方法。王起全等[12]針對重油催化過程中火災(zāi)爆炸事故的風(fēng)險分析，提出基于事故樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)-保護層分析(Bayesian Network-Layer of Protection Analysis，BN-LOPA)法。余建星等[13]采用定性與定量結(jié)合的模糊綜合評價法，建立適用于海洋平臺的人因可靠性半定量分析模型。李玉蓮[14]基于人因分析及分類系統(tǒng)(Human Factors Analysis Classification System，HFACS)模型，結(jié)合海洋平臺特征和火災(zāi)事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用三角模糊函數(shù)和等級節(jié)點距離公式，確定動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)條件概率，建立適用于海洋平臺人因失誤分析的動態(tài)預(yù)測模型。

本文考慮拆解平臺作業(yè)過程中眾多不確定風(fēng)險因素，針對導(dǎo)管架平臺進行危險源及泄漏風(fēng)險因素的識別分析，結(jié)合模糊故障樹法和事故樹法對拆解作業(yè)過程中油氣泄漏、爆炸的風(fēng)險水平進行定量評估。

1 危險源及風(fēng)險因素識別

平臺棄置后的設(shè)備容器及管路受密閉高溫環(huán)境的影響，內(nèi)部殘留的高膠質(zhì)原油及其他雜質(zhì)經(jīng)長時間沉淀后形成油泥揮發(fā)氣體，與含油清洗污水揮發(fā)氣共同組成泄漏源，構(gòu)成泄漏可燃氣體的主要成分為甲烷。

可燃氣體泄漏的底層原因為設(shè)備及管線發(fā)生破裂損傷。導(dǎo)致破裂損傷的因素是多層次的，按照類別可分為平臺外部因素和平臺自身因素。

外部因素包含自然環(huán)境、人為操作和機械故障等，其中自然因素除風(fēng)、浪、流等海洋典型環(huán)境載荷外，還包括冰雹、雷擊、海冰漂流、海洋地震、火山爆發(fā)等極端自然災(zāi)害。自身因素指設(shè)備及管線等鋼結(jié)構(gòu)由自身受到腐蝕、疲勞、應(yīng)力集中及材料缺陷等原因引起的損傷破裂，其中腐蝕作為造成可見損傷的主要因素，包括高鹽、高濕的強腐蝕性海面環(huán)境對平臺設(shè)備及管線所造成的外腐蝕、設(shè)備管線內(nèi)部殘留原油或混合污水發(fā)酵形成的微生物所造成的內(nèi)部腐蝕以及殘余應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下的應(yīng)力腐蝕。圖1為導(dǎo)致泄漏事故的部分風(fēng)險因素。

圖1 導(dǎo)致設(shè)備及管線破裂損傷的多種因素

2 基于模糊故障樹的泄漏事故概率

2.1 故障樹建立

按照風(fēng)險因素識別內(nèi)容，以主要設(shè)備損傷破裂發(fā)生可燃氣體泄漏為頂層事件，將引起泄漏事故的主要原因分為外力作用和自身累計損傷造成的破裂，并以此選用合適的邏輯門將輸入事件與輸出事件連接起來，對導(dǎo)致事故發(fā)生的深層次原因進行深入推演分析，直至無需探明其發(fā)生原因的基本事件為止。圖2為某導(dǎo)管架平臺油氣泄漏的故障樹分析模型。表1為故障樹基本事件列表。表2為故障樹最小割集列表。

表1 實例平臺油氣泄漏故障樹基本事件

圖2 實例平臺油氣泄漏故障樹模型

如表2所示，該故障樹最小割集共18組，16組最小割集中的基本事件數(shù)量為1，說明泄漏事故大部分是由單獨事件所引發(fā)的。此外，X14×X15和X16×X17的最小割集事件數(shù)量為2，即設(shè)備及管路因內(nèi)腐蝕和外腐蝕事件發(fā)生泄漏，該事故需要2個事件同時發(fā)生，其發(fā)生原因主要為設(shè)備及管線內(nèi)外部的防腐措施可能已經(jīng)失效，多種類腐蝕損傷隨時間持續(xù)累積。

表2 實例平臺油氣泄漏故障樹最小割集列表

2.2 模糊概率計算

為計算某導(dǎo)管架平臺在拆解過程中發(fā)生油氣泄漏事故的模糊概率，邀請5名海工領(lǐng)域?qū)＜覍λ谢臼录l(fā)生的可能性使用自然語言進行打分，并結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論[15]定量轉(zhuǎn)化為該事件發(fā)生的模糊概率。圖3所示為自然語言的模糊數(shù)。

圖3 自然語言的模糊數(shù)

模糊數(shù)形式和λ截集如表3所示，其中模糊語言“很小、小、較小、中等、較大、大、很大”分別使用“VL、L、FL、M、FH、H、VH”進行表示。

表3 模糊數(shù)形式和λ截集

以基本事件X1為例說明計算過程，考慮導(dǎo)管架平臺拆解作業(yè)過程中發(fā)生油氣泄漏的事故背景，5名專家給出基本事件X1“切割樁腿導(dǎo)致垮塌”發(fā)生可能性的打分結(jié)果為“小、小、較小、很小、很小”，認為各專家的權(quán)值相等，因此截集λ下5名專家的平均模糊集為

Wλ=[z1,z2]=[0.08+0.06λ,0.3-0.1λ]

(1)

則基本事件X1的平均模糊函數(shù)關(guān)系式為

(2)

根據(jù)左右模糊排序法將基本事件X1的平均模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為一個清晰的可能性值PFS，則平均模糊函數(shù)的左右模糊可能性值分別為

μL=0.868;μR=0.273

(3)

(4)

基本事件的模糊可能性值PFS轉(zhuǎn)化為模糊概率值，公式為

(5)

基本事件X1“切割樁腿導(dǎo)致垮塌”的模糊概率為P(X1)=2.320×10-4。

其他基本事件下的平均模糊數(shù)及發(fā)生概率如表4所示。

表4 基本事件發(fā)生概率

續(xù)表4 基本事件發(fā)生概率

根據(jù)圖2，利用不交布爾代數(shù)運算法則，得出某導(dǎo)管架平臺發(fā)生油氣泄漏事故的模糊概率Pleak=1.706×10-2。

3 基于事件樹的爆炸事故概率

3.1 事件樹建立

在建立某導(dǎo)管架平臺爆炸事件樹時，采用頂層事件(設(shè)備油氣泄漏)為初始事件，按照事件的自然發(fā)展歷程構(gòu)建事件樹，并根據(jù)邏輯運算法則定量計算平臺爆炸事故的發(fā)生概率。拆解過程中的主要關(guān)注點在于圍繞棄置平臺作業(yè)的工作人員安全，因此僅考慮油氣泄漏后延遲點燃形成的氣體云爆炸事故。圖4為爆炸事故的事件樹模型。

圖4 爆炸事故的事件樹模型

3.2 概率計算

可燃物、助燃物(氧氣)、點火源是爆炸發(fā)生的3個基本條件。點火源的出現(xiàn)具有隨機性，可由點燃概率表示，即指可燃物質(zhì)泄漏后被點燃的可能性，按照點燃的時間順序分為立即點燃與延遲點燃。MOOSEMILLER[16]基于美國化學(xué)工程師協(xié)會的公開數(shù)據(jù)及相關(guān)專家意見，在API 572、API 580/581等指南中關(guān)于油氣泄漏點燃概率推薦方法的基礎(chǔ)上提出一種基于事故場景，考慮設(shè)計、操作和環(huán)境等因素的油氣泄漏點燃概率計算方法。

立即點燃概率(Immediate Ignition Probability，IIP)應(yīng)取決于可燃物質(zhì)的自燃可能性Pai和靜態(tài)放電可能性Psd，其中各因素的影響關(guān)系式為

Pi,i=Pai+Psd=
{1-5 000exp[-9.5(T/AIT)]}+
[0.002 4(p)1/3/(MIE)2/3]

(6)

式中：AIT為可燃氣體泄漏時的壓力；p為可燃氣體泄漏時的溫度；T為泄漏物質(zhì)的自燃點；MIE為泄漏物質(zhì)的最小點火能。

可燃物質(zhì)的自燃可能性Pai可分別取為

(7)

泄漏油氣的延遲點燃概率(Delayed Ignition Probability，DIP)應(yīng)與可燃氣體性質(zhì)、泄漏速率、泄漏持續(xù)時間相關(guān)，其中各因素的影響關(guān)系式為

(8)

式中：Mi為Mmat、Mmag和Mdur的替換項，其分別對應(yīng)可燃氣體性質(zhì)、泄漏速率和持續(xù)時間對預(yù)期點燃概率的影響。

同時，延遲點火導(dǎo)致爆炸的概率Pe,g,i計算式為

Pe,g,i=0.024RF0.435A

(9)

式中：RF為可燃氣體泄漏速率；A為可燃氣體活躍程度修正系數(shù)。

綜上所述，由式(6)～式(9)得出某導(dǎo)管架平臺油氣泄漏后發(fā)生爆炸事故的概率為

Pe=Pleak(1-Pi,i)Pd,iPe,g,i=2.732×10-6

(10)

4 結(jié) 論

以棄置平臺拆解作業(yè)為背景，對某導(dǎo)管架平臺在拆解過程中油氣泄漏與爆炸的風(fēng)險水平進行定量評估，得到以下結(jié)論：

(1) 根據(jù)平臺拆解作業(yè)過程中發(fā)生油氣泄漏的故障樹法推演結(jié)論，導(dǎo)致事故發(fā)生共有20種基本事件，其中18種為事故可能發(fā)生的直接誘因，表明在棄置平臺拆解過程中，須對施工操作、海洋環(huán)境等突發(fā)因素進行重點管控。

(2) 某導(dǎo)管架平臺發(fā)生油氣泄漏事故的概率為Pleak=1.706×10-2，考慮事故的拆解背景和可能的小規(guī)?？扇細怏w泄漏量級，應(yīng)對拆解對象布置可燃氣體監(jiān)測設(shè)備以應(yīng)對事故風(fēng)險。

(3) 在涉及爆炸的多種因素均考慮最危險場景下，某導(dǎo)管架平臺氣體泄漏后發(fā)生爆炸的概率為Pe=2.732×10-6，屬于小概率事件；考慮棄置平臺的拆解背景，爆炸事故風(fēng)險的重點關(guān)注因素為作業(yè)人員安全與作業(yè)設(shè)備防護，應(yīng)對不同平臺發(fā)生爆炸事故的影響范圍進行界定，保障作業(yè)安全。

(4) 針對棄置平臺的拆解作業(yè)，風(fēng)險因素眾多且缺乏事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用故障樹法能夠較為全面地挖掘造成各類事故的底層事件，結(jié)合模糊理論及業(yè)內(nèi)專家評判能夠較好地對油氣泄漏與爆炸的風(fēng)險水平進行定量評估。