單點系泊系統(tǒng)溢油風險管理與防控研究

王云飛，張大剛，康永田，金 浩

(1．青島迪瑪爾海洋工程有限公司，山東 青島 266000；2.中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100192)

單點系泊系統(tǒng)溢油風險管理與防控研究

王云飛1，張大剛1，康永田1，金 浩2

(1．青島迪瑪爾海洋工程有限公司，山東 青島 266000；2.中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100192)

針對單點系泊系統(tǒng)復雜的工作環(huán)境以及較高的溢油風險性，有必要對單點系泊系統(tǒng)整個工作流程以及人員、環(huán)境等因素進行風險分析及評價，并制定相應的監(jiān)督管理制度。在分析整個工作流程的基礎上，采用故障、模式影響分析(FMEA)和事故樹分析(FTA)的方法分別對單點系泊系統(tǒng)和輸油船進行了風險源的辨識。通過分析，得到了單點系泊系統(tǒng)關鍵零部件的故障發(fā)生模式、故障產生的原因以及造成的影響；通過FTA，找到了能夠造成油輪溢油事故發(fā)生的各個基本事件。據此制定相應的維修策略以及溢油監(jiān)督管理措施，可降低溢油污染的危害。

單點系泊系統(tǒng)；油輪；風險源辨識；故障、模式影響分析；事故樹分析

0 引 言

對于單點系泊系統(tǒng)而言，由于其復雜的工作機理和特殊的工作環(huán)境，極易發(fā)生溢油事故。溢油事故一旦發(fā)生，不僅造成巨大的經濟損失，對海洋生態(tài)環(huán)境的破壞更是致命的[1-2]。比如著名的墨西哥灣原油泄漏事故，使得英國石油公司罰款達到了40億美金，污染更是導致墨西哥灣沿岸1 000英里(1英里=1.61 km)長的濕地和海灘被毀、漁業(yè)受損、脆弱物種滅絕的“滅頂之災”。因此，進行單點系泊系統(tǒng)的溢油風險分析、監(jiān)測和檢測，降低溢油風險，在經濟方面和環(huán)境保護方面都具有重要意義。

國內外對于各種水上水下生產設備以及原油運輸設備的溢油研究比較多，比如對于海底管道泄漏的監(jiān)測與檢測、浮式生產儲油船(FPSO)的溢油風險評價、水下關鍵生產設備的溢油評價等[3-5]。但是對于單點系泊系統(tǒng)的故障診斷、可靠性評價、可靠性分析以及風險分析較少。對于單點系泊系統(tǒng)溢油風險的認識不足主要體現在以下幾個方面：(1)對外輸作業(yè)風險認識不足，不能有效識別導致溢油的風險因素；(2)缺乏溢油評價體系；(3)單點系泊系統(tǒng)原油裝卸過程參與的主體包括單點系泊、海底管線、油輪等，缺少對整個單點系泊系統(tǒng)工作流程的風險分析和整個系統(tǒng)的可靠性評價；(4)缺乏必要的安全操作規(guī)范。

隨著單點系泊系統(tǒng)的快速發(fā)展，其應用越來越廣泛，溢油等事故的發(fā)生概率也越來越高。本文將對單點系泊系統(tǒng)整個卸油過程進行風險源辨識工作，對油輪以及單點系泊系統(tǒng)進行風險分析，找出能夠導致溢油事故發(fā)生的原因，加強風險源的監(jiān)測與檢測，從而降低溢油事故發(fā)生的概率。

1 單點系泊系統(tǒng)工作原理和工作流程

單點系泊系統(tǒng)的功能是使超級油輪不用靠泊碼頭，而是系泊在海上的單點浮筒上就可以進行輸油作業(yè)，其優(yōu)點是在系泊期間油輪可以像風標一樣圍繞單點360°全旋轉，因為船頭總是逆著風向和流向，所以油輪對風、浪和流的變化不敏感，始終處于受力最小狀態(tài)。單點系泊系統(tǒng)的分類情況如圖1所示。

圖1 單點系泊系統(tǒng)分類Fig.1 Main types of single-point mooring systems

以懸鏈式錨腿系泊系統(tǒng)為例，整個系統(tǒng)由錨泊系統(tǒng)、單點浮筒、三臂旋轉系統(tǒng)、水下管匯(基盤)、海底管線、水下軟管系統(tǒng)、漂浮軟管系統(tǒng)、系泊纜總成等幾部分組成。單點浮筒是整個單點系統(tǒng)的核心設備，呈圓柱形，為全焊接鋼結構，靠6根錨鏈在海中固定。

與傳統(tǒng)的固定式原油碼頭相比，單點系統(tǒng)具有多方面的優(yōu)勢：

(1) 技術上——單點系泊系統(tǒng)將碼頭由岸邊移至海上，解決了世界上絕大部分港口航道較窄、較淺、規(guī)模較小，不能與大型油輪和超大型油輪發(fā)展相匹配的矛盾。單點系泊系統(tǒng)可以系泊超大型油輪，能發(fā)揮其運輸成本低廉的優(yōu)越性;是邊際油田、深海油田及離岸遙遠油田實現經濟開采的先進技術手段。

(2) 應用上——單點系泊系統(tǒng)可以在7級大風及浪高3～5 m的情況下進行原油裝卸。每年平均工作日達到330個(90%)，對海域條件要求寬松，作業(yè)環(huán)境條件較寬，抵抗惡劣海況能力強，根據需要可設計成抵御50～100年一遇的臺風。

(3) 經濟上——單點系泊系統(tǒng)全部建設投資約為同樣等級的固定碼頭的20%～30%，每噸原油裝卸費用可以減少30%～40%。

單點系泊作業(yè)流程如圖2所示。油輪系泊到單點浮筒后，由港作拖輪將2根水面漂浮軟管吊接到油輪上。油輪操作者將軟管分別接到船上的2個輸油鋼管接口。卸油完成后，由油輪操作者卸開漂浮軟管尾端接頭，在船上加盲法蘭，經每次小于1 m3的高壓水沖洗、裝好盲法蘭后，將漂浮軟管拋到海面，由港作拖輪收好漂浮軟管，準備接卸下一艘油輪。

圖2 單點系泊系統(tǒng)作業(yè)流程Fig.2 Operation process diagram of single-point mooring system

2 單點系泊系統(tǒng)溢油原因分析

通過對溢油事故的統(tǒng)計和分析得出，在整個工作過程中，單點系泊系統(tǒng)和油輪為溢油重大危險源。因此，對單點系泊系統(tǒng)作故障、模式影響分析(FMEA)，以溢油為事故樹頂事件對油輪進行事故樹分析(FTA)，找出導致溢油的各原因和預防措施。

2.1 單點系泊系統(tǒng)FMEA

FMEA是一種廣泛應用的故障分析方法，目的在于通過分析，了解影響系統(tǒng)功能的關鍵零部件的故障情況，尋找方法改進設計。通過對部件本身存在的故障的分析，可以了解故障原因以及故障對系統(tǒng)的影響，以便制定合理的維修策略，保證系統(tǒng)的安全[6]。

FMEA是一種表格分析方法，可以是系統(tǒng)任一層次的展開，簡單、清晰地對系統(tǒng)進行故障模式及其影響的分析。分析步驟為：(1)確定研究對象；(2)對系統(tǒng)進行層次劃分；(3)確定故障模式及其判據；(4)分析故障原因；(5)分析故障模式的影響。單點系泊系統(tǒng)的FMEA分析結果見表1。

表1 單點系泊系統(tǒng)FMEA分析結果Table 1 FMEA analysis of single-point mooring system

2.2 油輪溢油FTA

FAT是一種常用的安全評價方法，采用FAT可以找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為安全對策的制定提供依據，從而達到預防事故、保持系統(tǒng)安全性的目的[7]。FAT包括定性分析和定量分析，定性分析包括求取FAT的最小割集、最小徑集和基本事件的結構重要度分析。

最小割集是導致頂事件發(fā)生的充分必要的基本事件的集合[8]。只要最小割集中的基本事件有一個不發(fā)生，頂事件就不會發(fā)生。最小割集越多，頂事件發(fā)生的途徑越多，系統(tǒng)也就越危險，即最小割集代表系統(tǒng)的危險性。

最小割集的計算就是展開化簡過的事故樹結構函數式，每一項都為頂事件的一個最小割集。對于未化簡事故樹，展開結構函數式后經過布爾代數運算處理才能得出最小割集。

結構重要度指忽略基本事件的發(fā)生概率，只從事故樹的結構上分析基本事件發(fā)生與否對頂事件的影響程度[9]。根據每一基本事件的結構重要度大小，可以區(qū)別每一安全措施的輕重緩急，使得制定的安全措施更加有效，能最大程度地保障系統(tǒng)的安全性。

計算基本事件的結構重要度公式為

(1)

式中：IΦ(xi)為第i個基本事件的結構重要度；kj為第j個最小割集；nj為第kj個最小割集的基本事件個數。

對于油輪溢油進行FTA，首先必須搜集大量溢油事故資料進行分析和整理，從而確定導致溢油事故發(fā)生頻率高、泄漏量大的事故發(fā)生的原因和影響。

根據國際油輪船東防污染委員會對于1974～2005年間各種溢油事故按照泄漏量和事故原因的統(tǒng)計，得到表2所示統(tǒng)計結果。

表2 全球1974～2005年船舶溢油事故次數統(tǒng)計表Table 2 Globe statistics of ships’ oil spill from 1974 to 2005

從表2中可以看到，由于碰撞、擱淺、船體破損和火災爆炸引起的泄漏量大于700 t的事故比例分別占到了28.30%，34.40%，12.55%和8.70%。因此，可以確定由于海損造成的溢油事故占到了總事故的83.95%，是導致溢油事故發(fā)生的最主要因素。此外，根據勞輝[10]編纂的《最近29年我國沿海船舶碼頭溢油50噸以上事故統(tǒng)計》也可以得出，海損是造成油輪溢油事故的最主要原因。因此，本節(jié)主要從海損事故導致的溢油作為頂事件進行展開建模。得到油輪溢油事故樹如圖3所示。對于圖3中符號的說明見表3。

圖3 油輪溢油事故樹Fig.3 Fault tree about oil tanker leakage

表3 油輪溢油事故樹符號說明Table 3 Signs of fault tree about oil tanker leakage

由圖3可以得到最小割集為：{2,4}，{2,9}，{3,10}，{3,11}，{12,14,15}，{13,14,15}，{5,8,20,22}，{6,8,20,22}，{7,8,20,22}，{5,8,21,22}，{6,8,21,22}，{7,8,21,22}，{5,8,20,23}，{6,8,20,23}，{7,8,20,23}，{5,8,21,23}，{6,8,21,23}，{7,8,21,23}，{1,4,8,13,18}，{1,4,13,16,18}，{1,4,8,17,18}，{1,4,16,17,18}，{1,4,8,13,19}，{1,4,13,16,19}，{1,4,8,17,19}，{1,4,16,17,19}。

由以上分析可以得出，該故障樹共有26個最小割集，包括4個二階最小割集、2個三階最小割集、12個四階最小割集以及8個五階最小割集。一般情況下，割集階數越小，發(fā)生溢油事故的可能性就越大，可見，4個二階最小割集和2個三階最小割集直接影響著系統(tǒng)的可靠性，有可能是系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

2.3 單點系泊系統(tǒng)整體溢油原因分析以及應對策略

通過對單點系泊系統(tǒng)的FMEA和對油輪的FTA，可以得到可能導致溢油事故發(fā)生的危險因素，如圖4所示。

由圖4可以看出，單點系泊系統(tǒng)整個輸油過程的溢油風險主要來自于兩個方面，一個是主觀因素，一個是客觀因素。主觀因素包括了人員的能力和管理水平，客觀因素包括了環(huán)境因素和設備因素。依據前文的分析得出，整體的結構強度以及人為因素是影響整個單點系泊系統(tǒng)輸油過程的主要因素，因此，本文從這兩個角度提出必要的控制決策和相關建議。

圖4 溢油風險主要因素Fig.4 Oil spill risk factors

首先需要對整個單點系泊系統(tǒng)和油輪等進行必要的可靠性評價。隨著工作時間的延長，整個結構系統(tǒng)長時間暴露在各種復雜的運行環(huán)境中，各結構材料必然發(fā)生老化、腐蝕變薄，極有可能出現結構變形，甚至發(fā)生斷裂、泄漏等。雖然必要的維護和維修可以在一定程度上降低上述隱患出現的可能性，但整個結構系統(tǒng)的強度降低了，從而大大增加了發(fā)生事故的可能性。因此，對營運中的單點系泊系統(tǒng)進行必要的可靠性評價，可以及時發(fā)現整個系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和結構缺陷，并采取必要的措施對危險源進行重點監(jiān)測和檢測，盡早發(fā)現并解決問題。同時，還需要加強對各設備的維護保養(yǎng)。定期維護保養(yǎng)雖不能徹底解決腐蝕等問題，但是可以在一定程度上降低事故發(fā)生的概率。對于維修和保養(yǎng)，可以選用先進的維修策略，比如以可靠性為中心的維修策略等，將狀態(tài)維修、定期維修和事后維修有效地結合起來。

另外，操作人員以及工作人員水平的高低也直接決定著單點系泊系統(tǒng)工作過程中溢油風險的發(fā)生概率。對于工作人員采取的措施可以從以下方面進行開展：(1)加強對工作人員的教育培訓。一方面要加強職業(yè)技能的培訓，規(guī)定工作人員上崗的必備條件。另一方面，還應加強工作人員心理素質的培訓，尤其是應變能力的培訓?？梢灾贫ㄒ惶讘睉兊哪芰己梭w系，并嚴格把關工作人員的考試、評估和發(fā)證制度。(2)加強主管單位的安全監(jiān)督。相關主管部門應按照國家和地方的相關規(guī)定進行安全監(jiān)督工作，結合單點系泊系統(tǒng)工作環(huán)境和條件的特點，可以與相關科研單位合作，制定有效的安全監(jiān)督管理辦法和手段。

3 結 語

本文將單點系泊系統(tǒng)輸油風險評價與油輪外輸溢油風險評價相結合，分別通過FMEA和FTA對單點系泊系統(tǒng)和油輪系統(tǒng)進行安全分析。通過FMEA，對浮筒系統(tǒng)、旋轉系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、系泊總成、控制系統(tǒng)、應急系統(tǒng)和導航系統(tǒng)等發(fā)生故障的模式、故障發(fā)生的原因以及故障對整個單點系泊系統(tǒng)工作的影響進行了總結，為制定相應的應對策略打下了基礎。在FTA分析中，以油輪溢油為頂事件，搜集大量溢油事故資料并對其進行分析和整理，從而確定了發(fā)生頻率高、泄漏量大的溢油事故發(fā)生的原因和影響。通過上述分析，找到了導致溢油事故發(fā)生的主要因素為主觀因素和客觀因素。分別從主觀因素和客觀因素兩個方面出發(fā)給出了相應的應對策略，指出通過先進的維修維護策略和嚴格的監(jiān)督管理制度，可以在一定程度上降低單點系泊系統(tǒng)溢油事故發(fā)生的概率。這些結果將有助于保障單點系泊系統(tǒng)的安全運行。

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StudyonOilSpillRiskManagementandPreventionforSingle-PointMooringSystems

WANG Yun-fei1， ZHANG Da-gang1， KANG Yong-tian1,JIN Hao2

(1.DMAROffshoreEngineeringInc.,Qingdao,Shandong266000,China; 2.714ResearchInstitute,ChinaShipbuildingIndustryCorporation,Beijing100192,China)

Considering the complex working environment and the high risk of oil spill of single-point mooring systems,it is necessary to do risk evaluation and establish the corresponding monitoring,maintenance,supervision and management system for the whole work flow which includes people,various equipment,environment and so on.We study the single-point mooring system with failure mode and effects analysis (FMEA),and investigate the oil tanker with fault tree analysis (FTA).Through the analysis of the single-point mooring system,the key parts failure modes and the reasons and effects of the failure are obtained.Through the FTA,we get the various basic events that may cause the oil spill.On the basis of the analysis,we can make relevant maintenance policy and supervision and management measures to reduce the risk of oil spill.

single-point mooring system; oil tanker; risk source recognition; failure mode and effects analysis; fault tree analysis

TE88

A

2095-7297(2014)03-0200-07

2014-08-21

王云飛(1987—)，男，碩士，主要從事水下生產設備結構設計、屈曲分析以及安全評價等方面的研究。