基于FSA和FTA的平臺吊裝過程風險分析

穆璟寶

【摘 要】吊物墜落是引起海上鉆井平臺破壞事故的大概率事件，給平臺的安全帶來重大威脅。文章以某自升式鉆井平臺作業(yè)甲板區(qū)域吊裝作業(yè)為研究對象，應(yīng)用FSA的方法，對其墜物風險的因素進行識別，并通過FTA和AHP相結(jié)合的方法對風險進行評估，為降低平臺墜物風險的決策提供參考建議。

【關(guān)鍵詞】FSA;FTA;平臺吊裝

【中圖分類號】TE951.02 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0105-03

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，對石油等資源的需求也日益增加，自2017年開始，我國就已經(jīng)超越美國，成為全球第一大石油消耗國，其中超過60%的石油需要進口，資源的對外依賴度非常高。相較于陸地，海上石油氣資源儲量較大，勘探和開采的程度都較低，但近年來隨著對海上石油氣資源開發(fā)的深入，各類鉆井平臺的事故也頻繁發(fā)生，其中由墜物引起的事故占事故總數(shù)量的34.8%，數(shù)量上所占比重最大，對平臺具有很大的安全威脅[1]。相較于國外，我國對墜物事故的研究起步較晚，1992年發(fā)生在“渤海6號”上的墜物擊穿事故引起了國內(nèi)對這方面研究的重視[2]。

1 綜合安全評估（FSA）概述

綜合風險評估法始于20世紀70年代，主要用于核電廠、化工廠等擁有重大安全責任的工業(yè)部門的安全分析[3]。1988年英國北海的Piper Alpha平臺發(fā)生的爆炸事故，造成了慘重的損失，進而推進了風險評估在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用[4]。為了能夠綜合、全面地考慮影響船舶與海上平臺作業(yè)時安全的各方面因素，需要對風險、費用、受益進行評估，提出有效的風險控制措施。作為一種結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化的風險分析與費效評估方法，綜合安全評估（FSA）在制定國際海事組織（IMO）規(guī)則的應(yīng)用越來越廣泛[5]。

根據(jù)IMO推出的綜合安全評估法（FSA）應(yīng)用指南，其框架主要由下述5個步驟組成[6]（如圖1所示）：①危險識別;②風險評估;③風險控制方案;④費用與受益分析;⑤為決策提供參考建議。

2 自升式平臺墜物碰撞風險識別

風險識別的目的是對研究對象的系統(tǒng)進行評估，對所有可能存在的風險進行識別并排列出危險程度的清單，為下一步的風險分析評估打好基礎(chǔ)。對于平臺吊裝過程中的墜物碰撞的風險識別，分析吊機在何種工況下可能會發(fā)生墜物事故更重要，因此需要對自升式平臺墜物碰撞風險的影響因素進行分析。

故障樹分析（FTA，F(xiàn)ault Tree Analysis）是一種廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的系統(tǒng)工程中的安全性、可靠性的分析方法。它屬于一種介于定量分析和定性分析兩者之間的方法，通過故障樹，可以清晰地展示事件發(fā)生的邏輯關(guān)系，并找出事故發(fā)生的主要原因[7]。

針對某作業(yè)于我國南海的自升式鉆井平臺，以吊機墜物碰撞為頂事件，查閱相關(guān)文獻資料和參考統(tǒng)計[8]，調(diào)研聽取該鉆井平臺相關(guān)設(shè)計、運營管理人員的意見，確定引起墜物碰撞的影響因素主要包括關(guān)鍵結(jié)構(gòu)焊點失效、關(guān)鍵設(shè)備運行故障和防脫鉤裝置失效，具體故障樹如圖2所示。

確定基本事件發(fā)生的概率如下：q1=0.000 3，q2=0.002，q3=0.001，q4=0.008，q5=0.000 1，q6=0.001，q7=0.004，q8=0.002，q9=0.000 02，q10=0.005，q11=0.000 4，q12=0.002，q13=0.01，q14=0.000 02。

將故障樹按照自上而下的方式進行代換，求出其最小割集，并用布爾代數(shù)方程式進行等效轉(zhuǎn)換。頂事件，即吊機墜物發(fā)生的概率，計算公式如下。

公式（1）中，k為最小割集的個數(shù);l為基本事件的序號;q1為序號為1的基本事件發(fā)生的概率;l∈kr表示總數(shù)為k第r個最小割集中的第i個基本事件;l≤r

3 自升式平臺墜物碰撞風險評估

為了對自升式平臺墜物的碰撞風險進行正確的評估，需要確立合理的評價標準體系，該體系是由諸多影響因素構(gòu)成的一個整體，因素之間是相互聯(lián)系又相互制約的，建立該體系應(yīng)遵循系統(tǒng)性、合理性、定性與定量相結(jié)合、針對性和獨立性5個原則。除確定各事件發(fā)生的概率外，還需要確定每個事件的重要程度。

層次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP），是美國匹茲堡大學教授Satty.T.L提出的一種用于處理多要素、多層次的評價系統(tǒng)的分析方法，通過采用定性和定量相結(jié)合的方式，可以解決對復(fù)雜系統(tǒng)的評價問題[9]。該方法的主要步驟如下：①確定系統(tǒng)評價問題的各個要素;②根據(jù)評定尺度，對各個要素的重要度進行兩兩比較，對比較的結(jié)果建立判斷矩陣，并進行一致性檢驗;③通過計算，確定各要素的相對重要程度，即權(quán)重。

影響自升式平臺墜物的碰撞風險的因素和層次都較多，各要素相對重要程度可以由層次分析法獲得。本著更科學、合理、符合實際的情況建立指標體系，采用向平臺相關(guān)設(shè)計、建造、管理方面的專家發(fā)放調(diào)查問卷的方式，對回收的調(diào)查表信息進行歸納整理和總結(jié)，對每個單一影響因素進行求解，并完成一致性檢驗，最終得到較為科學合理的單因素測度權(quán)重。

構(gòu)造的判斷矩陣見表1，表示對上一層某因素、本層次某因素之間重要的比較。

為了使層次分析法的決策判斷定量化，采用標度表對上述形成的判斷矩陣進行度量（見表2）。

指標權(quán)重的計算方法即計算判斷矩陣的特征根及特征向量，對判斷矩陣B，滿足計算其特征根及特征向量，計算公式如下。

公式（2）中，λmax為B的最大特征根，W為與λmax相對應(yīng)的正規(guī)化后的特征向量，W的分量Wi即為相對應(yīng)因素單排序的權(quán)值，即權(quán)重。

最終每個事件的重要度應(yīng)以其發(fā)生的概率和因素單排序的權(quán)值表示，計算公式如下。

公式（3）中，Ic[l]為每個事件要素的重要度;g（q）為每個事件要素發(fā)生的概率;Wi為每個事件要素的單排序的權(quán)值，即權(quán)重。通過計算，每個基本事件的重要度見表3。

通過基本事件的重要度可以看出，是否配備防脫鉤裝置、防脫鉤裝置的性能及可靠度是最重要的基本事件，對減少自升式平臺的墜物風險起重要作用，因人為因素造成的吊機失效及焊接節(jié)點的失效也是重要的因素。同時，墜物事故的風險來自人為失誤和系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)失效等多種因素的影響，為降低事故的風險，不僅需要提高設(shè)備的穩(wěn)定性，還需要完善系統(tǒng)、設(shè)備的檢查制度，提高其可靠性，同時需要加強對操作人員的規(guī)范管理，通過歸納總結(jié)提出降低自升式平臺發(fā)生墜物碰撞事故的主要措施：{1}采用防脫鉤裝置，且加強對其及其他設(shè)備的檢查維護，保證其可靠性;{2}加強對捆綁方法的設(shè)計及吊物焊點的施工規(guī)范及監(jiān)測規(guī)范;{3}提高現(xiàn)場施工、操作、管理人員的通信質(zhì)量，規(guī)范相關(guān)操作;{4}重視現(xiàn)場操作、管理人員的安全教育，加強技術(shù)、管理規(guī)范培訓。

4 結(jié)語

自升式平臺是目前應(yīng)用最廣泛的鉆井作業(yè)平臺，是我國海洋石油氣資源開發(fā)的主力軍，而墜物碰撞是平臺安全作業(yè)的主要威脅之一，針對某作業(yè)于我國南海的自升式鉆井平臺，應(yīng)用綜合安全評估方法，針對其墜物碰撞存在的風險因素進行識別并采用故障樹分析法和層次分析法相結(jié)合的方式對各個因素進行評估，為今后平臺在進行海上石油氣資源開發(fā)時風險管理的決策提供參考建議。

參 考 文 獻

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[3]秦炳軍，張圣坤.海洋工程風險評估的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].海洋工程，1998，16（1）：14-22.

[4]王曉燕.海洋工程的安全風險評估研究[J].山東科學，2005，18（5）：43-47.

[5]秦庭榮，陳偉炯.綜合安全評價（FSA）方法[J].中國安全科學學報，2005，15（4）：88-92.

[6]中國船級社.船舶綜合安全評估應(yīng)用指南[Z].北京.中國船級社，1999.

[7]劉利琴，金偉晨.基于FTA方法的浮式風機基礎(chǔ)——塔柱系統(tǒng)定量風險分析[J].中國海洋平臺，2009，34（1）：79-87.

[8]HOSEYNABADI H A，ORAEE H，TAVNER P J.Fa-ilure modes and effects analysis（FMEA） for wind turbines[J].International Journal of Electrical Power and Energy Systems，2010，32（7）：817-824.

[9]吳兆麟，朱軍.海上交通工程[M].大連：大連海事大學出版社，2004.