海洋平臺(tái)本質(zhì)安全及事故預(yù)防關(guān)鍵技術(shù)

崔厚璽，楊治華，于曉紅，周怡瀟

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京 100028）

海洋平臺(tái)本質(zhì)安全及事故預(yù)防關(guān)鍵技術(shù)

崔厚璽，楊治華，于曉紅，周怡瀟

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京 100028）

通過(guò)分析平臺(tái)長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的主要影響因素，研究本質(zhì)安全設(shè)計(jì)及事故預(yù)防技術(shù)在平臺(tái)安全運(yùn)行中的應(yīng)用。本質(zhì)安全要求在設(shè)計(jì)源頭減少或消除不安全隱患，設(shè)法降低事故發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度，以增強(qiáng)平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性。事故預(yù)防技術(shù)則是通過(guò)檢測(cè)和診斷等方法對(duì)平臺(tái)可靠性進(jìn)行分析，對(duì)其固有或潛在的危險(xiǎn)及嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)大小提出相應(yīng)的安全措施。本文以NP1-5平臺(tái)為例，分析本質(zhì)安全及事故預(yù)防技術(shù)應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，為今后工程提供借鑒。

海洋平臺(tái)；本質(zhì)安全；事故預(yù)防；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

海洋油氣勘探與開發(fā)的安全性一直受到高度關(guān)注，也是值得深入探討的重要課題。海洋平臺(tái)設(shè)施能否長(zhǎng)周期安全運(yùn)行直接影響到海洋油氣勘探與開發(fā)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。與陸地石油開發(fā)相比，海洋平臺(tái)有其自身的特殊性，是一個(gè)能獨(dú)立生產(chǎn)、處理的自給系統(tǒng)，空間較小、維修不便、生產(chǎn)環(huán)境惡劣、系統(tǒng)緊湊復(fù)雜，諸多因素均對(duì)平臺(tái)設(shè)備的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行產(chǎn)生影響，主要影響因素包括：

（1）海洋平臺(tái)所處的環(huán)境十分復(fù)雜，風(fēng)、海浪、海流、海冰和潮汐時(shí)時(shí)作用于結(jié)構(gòu)，同時(shí)還受到地震作用的威脅。在此環(huán)境條件下，環(huán)境腐蝕、海生物附著、基泥沖刷和基礎(chǔ)動(dòng)力軟化、材料老化、構(gòu)件缺陷和機(jī)械損傷以及疲勞和損傷累積等不利因素都將導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體抗力的衰減，影響結(jié)構(gòu)的服役安全度和耐久性。

（2）平臺(tái)多數(shù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。

（3）多相油流，雜質(zhì)較多，易結(jié)垢堵塞管口。

（4）振動(dòng)導(dǎo)致連接部件松動(dòng)或者斷裂、零部件的加速磨損，管道裂紋、泄漏。

（5）單個(gè)設(shè)備、管道或系統(tǒng)的自身故障。

（6）生產(chǎn)工藝改變及設(shè)備更新導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警限值設(shè)置的不合理。

（7）操作人員技術(shù)水平、經(jīng)驗(yàn)不足，操作不當(dāng)、管理不當(dāng)?shù)热藶橐蛩亍?/p>

（8）檢修及維護(hù)的質(zhì)量不高等。

為此，本文從事故預(yù)防和過(guò)程監(jiān)控兩個(gè)方面研究平臺(tái)安全運(yùn)行的技術(shù)及保障措施，分析本質(zhì)安全和事故預(yù)防技術(shù)在平臺(tái)運(yùn)行中的應(yīng)用，并以NP1-5平臺(tái)為例進(jìn)行分析，總結(jié)安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，查找缺陷并通過(guò)補(bǔ)救措施，盡可能保障平臺(tái)設(shè)施長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，延長(zhǎng)安全運(yùn)行周期。

1 海洋平臺(tái)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)

本質(zhì)安全是指通過(guò)設(shè)計(jì)等手段使生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)系統(tǒng)本身具有安全性，即使在誤操作或發(fā)生故障的情況下也不會(huì)造成事故的功能。具體包括失誤—安全 （誤操作不會(huì)導(dǎo)致事故發(fā)生或自動(dòng)阻止誤操作）、故障—安全功能 （設(shè)備、工藝發(fā)生故障時(shí)還能暫時(shí)正常工作或自動(dòng)轉(zhuǎn)變安全狀態(tài)）。本質(zhì)安全設(shè)計(jì)是保障安全運(yùn)行的源頭，為此需要在設(shè)計(jì)中消除危險(xiǎn)源及事故隱患。海洋平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境與自身特點(diǎn)，要求每個(gè)設(shè)備系統(tǒng)必須具備較高的可靠性甚至必須具有強(qiáng)大的故障自診斷與安全保護(hù)或者自我修復(fù)及自愈性能。

海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)選型應(yīng)以優(yōu)先考慮長(zhǎng)周期運(yùn)行可靠性、兼顧機(jī)組效率為原則。在對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮使系統(tǒng)具有一定的柔性，即系統(tǒng)不僅能適應(yīng)于特定的正常操作狀態(tài)，也適應(yīng)于一定范圍的變化 （即不確定參數(shù)的可能變化區(qū)域）情況?？煽慷炔蛔愕脑O(shè)備應(yīng)考慮冗余設(shè)計(jì)，冗余設(shè)計(jì)可以是在線冗余，設(shè)備發(fā)生故障后，人工或自動(dòng)切換到備用設(shè)備；也可以是快裝結(jié)構(gòu)在庫(kù)冗余，一旦設(shè)備發(fā)生故障，可以用備用設(shè)備很快更換。

海洋平臺(tái)生產(chǎn)工藝設(shè)備與設(shè)施應(yīng)設(shè)置互相獨(dú)立、分別由不同安全裝置完成的一級(jí)及二級(jí)安全保護(hù)系統(tǒng)，以確保對(duì)每個(gè)過(guò)程參數(shù)的監(jiān)控及預(yù)警，必要時(shí)啟動(dòng)糾錯(cuò)、報(bào)警及關(guān)斷功能。平臺(tái)上的安全保護(hù)系統(tǒng)主要包括：壓力安全保護(hù)系統(tǒng)、溫度安全保護(hù)系統(tǒng)、液位安全保護(hù)系統(tǒng)、流動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng)、探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)和應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)。關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)當(dāng)設(shè)置在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，必要時(shí)可設(shè)置專家系統(tǒng)，以確定故障的部位、原因、趨勢(shì)并提出對(duì)策。海洋平臺(tái)、設(shè)備及管道系統(tǒng)的腐蝕防護(hù)措施一定要有效。

2 海洋平臺(tái)設(shè)施長(zhǎng)周期安全運(yùn)行及事故預(yù)防關(guān)鍵技術(shù)

2.1 可靠性分析與故障診斷技術(shù)

海洋平臺(tái)承受多種隨時(shí)間和空間變化的載荷，平臺(tái)結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生疲勞破壞，甚至出現(xiàn)裂紋、腐蝕等損傷，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載能力，從而降低系統(tǒng)的可靠性，因此對(duì)其進(jìn)行全壽命周期內(nèi)可靠性分析非常重要。目前，對(duì)平臺(tái)可靠性分析的研究成果主要集中在通過(guò)建立疲勞模型進(jìn)行分析[3-5]，文獻(xiàn)還提出了平臺(tái)壽命周期內(nèi)動(dòng)態(tài)可靠性分析的概念，并研究了多種失效模式下的可靠性評(píng)估問(wèn)題，取得了較好的效果。對(duì)海洋平臺(tái)的損傷診斷已越來(lái)越受到重視，相關(guān)研究也較多，大都采用ANSYS模擬仿真對(duì)損傷識(shí)別及定位[7-9]，也有基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性變化的損傷診斷[10]。

故障診斷技術(shù)主要是針對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行中存在的非正常狀態(tài)采取的一系列措施。非正常狀態(tài)包括幾個(gè)階段：過(guò)渡、異常、事故、災(zāi)難等。故障診斷與過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)是石油石化行業(yè)連續(xù)穩(wěn)定安全生產(chǎn)的有力保障手段之一。文獻(xiàn) [11]對(duì)石油石化安全生產(chǎn)深入研究后，將目前診斷技術(shù)分為：定量模型方法、定性模型方法和過(guò)程歷史方法。滿永奎教授針對(duì)鉆井平臺(tái)發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了陸地工作人員對(duì)平臺(tái)發(fā)電機(jī)組的故障診斷和遠(yuǎn)程維護(hù)[12]。文獻(xiàn) [13]對(duì)海洋平臺(tái)外輸泵的故障診斷標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題進(jìn)行了研究，提高了診斷的可信度。也有較多文獻(xiàn)針對(duì)平臺(tái)設(shè)施的腐蝕進(jìn)行研究[14-15]，并提出了許多有針對(duì)性的、長(zhǎng)效的腐蝕防護(hù)方法和技術(shù)，保障了海洋平臺(tái)的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。

2.2 關(guān)鍵裝置風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)

海洋平臺(tái)上機(jī)械設(shè)備高度集中，存在大量易燃易爆物質(zhì)及油氣存儲(chǔ)設(shè)備、輸送管道、法蘭、閥門等油氣泄漏源，且裝置大都處于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，稍有不慎就會(huì)造成重大惡性事故。因此，對(duì)關(guān)鍵裝置進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并預(yù)知危險(xiǎn)源，對(duì)預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生意義重大。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是以將事故率和損失程度減少到最低為目的，對(duì)系統(tǒng)或作業(yè)中固有的或潛在的危險(xiǎn)及其嚴(yán)重程度所進(jìn)行的分析和評(píng)估，并以既定指數(shù)、等級(jí)或概率等形式做出定量的表示，根據(jù)形成事故的風(fēng)險(xiǎn)大小，提出相應(yīng)的安全措施。

運(yùn)行裝置所面臨的風(fēng)險(xiǎn)主要是在事故狀態(tài)下發(fā)生爆炸、著火、泄漏、中毒及其設(shè)備損壞等。目前確定設(shè)備失效率的方法用的最多的是基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè) （risk based inspection， RBI） 方法[11]。 RBI追求系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一，對(duì)系統(tǒng)中固有的或潛在的危險(xiǎn)的可能性與后果進(jìn)行科學(xué)分析，給出風(fēng)險(xiǎn)排序，找出薄弱環(huán)節(jié)，以確保安全和減少運(yùn)行費(fèi)用，從而優(yōu)化檢驗(yàn)策略。海洋平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)包括：設(shè)計(jì)階 段 （HAZOP、PHA）、 施工階段 （SCL、LEC）、開車階段、運(yùn)行階段、工藝變更等各階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。近年來(lái)，相關(guān)研究開始針對(duì)海洋平臺(tái)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行研究[16-17]，以更直觀地量化危險(xiǎn)源及風(fēng)險(xiǎn)程度，取得了顯著成效。

2.3 災(zāi)害事故仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

“預(yù)防為主”是安全生產(chǎn)的原則。然而無(wú)論預(yù)防措施如何周密，事故和災(zāi)害總是難以根本杜絕。為了避免或減少事故和災(zāi)害所造成的損失，必須高度重視應(yīng)急預(yù)案的制訂。但目前的應(yīng)急演練主要是照本宣科，這種方式花費(fèi)較大，不可能進(jìn)行多次重復(fù)演練，更不能對(duì)比多種救援方案的后果。因此，開發(fā)災(zāi)害事故仿真系統(tǒng)軟件很有必要。

結(jié)合現(xiàn)有專家經(jīng)驗(yàn)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及仿真技術(shù)，將裝置設(shè)備和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) （事故現(xiàn)場(chǎng)）以3D方式真實(shí)地再現(xiàn)于電腦上[18-20]，模擬化工系統(tǒng)災(zāi)難事故發(fā)生發(fā)展過(guò)程，為災(zāi)難應(yīng)急預(yù)案的研究、制訂和演練工作提供基礎(chǔ)平臺(tái)，使應(yīng)急演練科學(xué)化、智能化、虛擬化，從而訓(xùn)練各級(jí)決策與指揮人員、事故處置人員，發(fā)現(xiàn)應(yīng)急處置過(guò)程中存在的問(wèn)題，檢驗(yàn)和評(píng)估應(yīng)急預(yù)案可操作性和實(shí)用性，提高應(yīng)急能力，為安全運(yùn)行培養(yǎng)更多具有專業(yè)技能的人才。

3 實(shí)例分析

以冀東南堡油田NP1-5平臺(tái)為例，見(jiàn)圖1。該平臺(tái)位于南堡油田1號(hào)構(gòu)造，設(shè)計(jì)水深6.1 m，工程主要包括兩個(gè)井口平臺(tái)和三個(gè)生產(chǎn)平臺(tái)。

在該項(xiàng)目實(shí)施之初，公司就將安全生產(chǎn)放在第一位，從設(shè)計(jì)源頭強(qiáng)調(diào)工程的本質(zhì)安全。采取的主要安全對(duì)策和措施如下： （1）優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，保證系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)科學(xué)、合理； （2）平臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備的選型優(yōu)先采用技術(shù)成熟、可靠、先進(jìn)的設(shè)備； （3）在可能發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)區(qū)域，設(shè)置火氣探測(cè)、監(jiān)控、通風(fēng)和消防設(shè)施，其用電設(shè)備和照明均采用防爆型；（4）對(duì)關(guān)鍵設(shè)備加強(qiáng)監(jiān)控和保護(hù)，如生產(chǎn)電加熱器和計(jì)量電加熱器系統(tǒng)設(shè)有溫度控制裝置以及超溫度報(bào)警自動(dòng)關(guān)斷裝置，確保安全運(yùn)行； （5）設(shè)置過(guò)程控制系統(tǒng)、緊急關(guān)斷系統(tǒng)和火氣探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)主要裝置自動(dòng)控制，保護(hù)設(shè)備、人員的安全； （6）配置應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，以隨時(shí)應(yīng)對(duì)主電源的失電，保證平臺(tái)電源供應(yīng)； （7）通過(guò)增加壁厚、選擇合適的材料以及進(jìn)行涂層等辦法，對(duì)平臺(tái)管道進(jìn)行防腐處理；對(duì)于海底管道采用犧牲陽(yáng)極的防腐蝕措施。

另外，在工程建造、安裝、生產(chǎn)等各階段加強(qiáng)安全管理，提高員工的安全意識(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，注重細(xì)節(jié)，強(qiáng)化危險(xiǎn)源的識(shí)別與防控，制訂科學(xué)合理的維修與改造計(jì)劃，保障平臺(tái)設(shè)施的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

海洋平臺(tái)設(shè)施長(zhǎng)周期安全運(yùn)行是一個(gè)系統(tǒng)工程，影響因素較多，如：工況環(huán)境、運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備本身的可靠性及管理水平等。本文主要研究了本質(zhì)安全及事故預(yù)防技術(shù)在平臺(tái)運(yùn)行中的應(yīng)用。本質(zhì)安全設(shè)計(jì)是安全運(yùn)行的源頭，也是平臺(tái)長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的關(guān)鍵，事故預(yù)防是本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的有效補(bǔ)充，強(qiáng)化對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)、過(guò)程監(jiān)控及可靠性分析，才能確保平臺(tái)安全運(yùn)行，本質(zhì)安全及事故預(yù)防技術(shù)在NP1-5平臺(tái)上的應(yīng)用為今后類似工程提供了借鑒。

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Intrinsic Safety and Fault Prevention Technology for Offshore Platforms

CUI Hou-xi（Engineering Design Institute of China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100028,China）,YANG Zhi-hua,YU Xiao-hong,et al.

Based on analyzing factors affecting long-term operation of offshore platform,the intrinsic safety design and fault prevention technique are studied in this paper.Intrinsic safety means reducing or eliminating the potential safety hazard in design phase and taking measures to reduce accident possibility and severity in order to enhance platform operational stability.Fault prevention technique provides safety measures for platform through inspection and diagnosis to analyze platform reliability and assess intrinsic or potential risks.This paper takes NP1-5 platform for example to analyze the successful experience of applying the intrinsic safety and fault prevention technology and it offers reference for future projects.

offshore platform;intrinsic safety;accident prevention;key technology

TE951

B

1001－2206（2011）增刊－0042－03

崔厚璽 （1982-），男，河南商丘人，工程師，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué) （北京），現(xiàn)從事海洋平臺(tái)設(shè)備及壓力容器設(shè)計(jì)工作。

2011-08-10