基于FSA和FTA的平臺吊裝過程風(fēng)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(fēng)險的因素進(jìn)行識別，并通過FTA和AHP相結(jié)合的方法對風(fēng)險進(jìn)行評估，為降低平臺墜物風(fēng)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(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0105-03

隨著我國經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(fēng)險評估法始于20世紀(jì)70年代，主要用于核電廠、化工廠等擁有重大安全責(zé)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(jìn)而推進(jìn)了風(fēng)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(fēng)險、費(fèi)用、受益進(jìn)行評估，提出有效的風(fēng)險控制措施。作為一種結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化的風(fēng)險分析與費(fèi)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(fēng)險評估;③風(fēng)險控制方案;④費(fèi)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(fēng)險識別

風(fēng)險識別的目的是對研究對象的系統(tǒng)進(jìn)行評估，對所有可能存在的風(fēng)險進(jìn)行識別并排列出危險程度的清單，為下一步的風(fēng)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(fēng)險識別，分析吊機(jī)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(fēng)險的影響因素進(jìn)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(jī)墜物碰撞為頂事件，查閱相關(guān)文獻(xiàn)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(yùn)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(diǎn)失效、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)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(jìn)行代換，求出其最小割集，并用布爾代數(shù)方程式進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換。頂事件，即吊機(jī)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(fēng)險評估

為了對自升式平臺墜物的碰撞風(fēng)險進(jìn)行正確的評估，需要確立合理的評價標(biāo)準(zhǔn)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(dú)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(xué)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(jìn)行兩兩比較，對比較的結(jié)果建立判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn);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(fēng)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(xué)、合理、符合實(shí)際的情況建立指標(biāo)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(jìn)行歸納整理和總結(jié)，對每個單一影響因素進(jìn)行求解，并完成一致性檢驗(yàn)，最終得到較為科學(xué)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(biāo)度表對上述形成的判斷矩陣進(jìn)行度量（見表2）。

指標(biāo)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(fēng)險起重要作用，因人為因素造成的吊機(jī)失效及焊接節(jié)點(diǎn)的失效也是重要的因素。同時，墜物事故的風(fēng)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(fēng)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(qiáng)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(qiáng)對其及其他設(shè)備的檢查維護(hù)，保證其可靠性;{2}加強(qiáng)對捆綁方法的設(shè)計及吊物焊點(diǎn)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(qiáng)技術(shù)、管理規(guī)范培訓(xùn)。

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(fēng)險因素進(jìn)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(jìn)行評估，為今后平臺在進(jìn)行海上石油氣資源開發(fā)時風(fēng)險管理的決策提供參考建議。

參 考 文 獻(xiàn)

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[4]王曉燕.海洋工程的安全風(fēng)險評估研究[J].山東科學(xué)，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(xué)學(xué)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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)——塔柱系統(tǒng)定量風(fēng)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(xué)出版社，2004.