基于半定量方法的深水海底管道應(yīng)急維修風(fēng)險評估研究

駱寒冰， 季紅葉， 劉 鑫， 邊大勇， 賈璐瑾

(1.天津大學(xué)船舶與海洋工程系， 天津 300072，2.海洋石油工程股份有限公司維修公司， 天津 300461)

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基于半定量方法的深水海底管道應(yīng)急維修風(fēng)險評估研究

駱寒冰1， 季紅葉1， 劉 鑫1， 邊大勇2， 賈璐瑾2

(1.天津大學(xué)船舶與海洋工程系， 天津 300072，2.海洋石油工程股份有限公司維修公司， 天津 300461)

隨著我國南海深水油氣田的開發(fā)利用，深水海底管道維修研究成了行業(yè)關(guān)心的熱點問題之一。在調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)維修技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成了500 m和1 500 m海底管道維修工藝流程。根據(jù)DNV船級社海洋工程相關(guān)規(guī)范，提出了深水海底管道維修的半定量風(fēng)險評估方法，開發(fā)了相應(yīng)的風(fēng)險評估軟件系統(tǒng)。最后，分析比較了500 m和1 500 m水深海底管道的機械連接器應(yīng)急維修流程，應(yīng)用專家打分法開展了風(fēng)險分析，并推薦了相關(guān)風(fēng)險控制的措施。

深水海底管道；應(yīng)急維修；半定量方法；風(fēng)險評估

risk analysis

0 引言

海底管線是海上油氣開發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分。我國南海海域的地理情況復(fù)雜多變，隨著我國南海海上油氣田的開發(fā)，深水海底管道維修技術(shù)的重要性逐漸突顯。荔灣3-1氣田是我國第一個真正意義上的深水氣田，該氣田位于南海東部、香港東南約300 km處，所處海域深度1 300 m～1 500 m，已于2014年7月建成并穩(wěn)定投產(chǎn)供氣。但是，國內(nèi)對深水油氣田的開發(fā)起步較晚，相關(guān)公司在海底管道維修方面，還沒有超過300 m水深的海底管線維修案例。以前，國內(nèi)的海底管道大多集中鋪設(shè)在灘涂及淺海區(qū)域，通常采用干式維修技術(shù)。惠州19-2 海底管道搶修項目[2]是國內(nèi)工程公司第一次涉及超過100 m(120 m)水深的海底管道維修項目，采取水下更換和封堵相結(jié)合的修復(fù)方案，以動力定位船舶作為海上施工平臺，利用ROV ( 水下機器人) 進(jìn)行管道切割作業(yè)，用搭載漏點檢測設(shè)備進(jìn)行漏點檢測，由飽和潛水員完成水下管段更換和臨時封堵夾具安裝。隨著該項目的完成，國內(nèi)工程公司也積累了一定的深水海底管道維修經(jīng)驗，但是，在開展1 500 m水深的海底管道維修方面仍存在較大的技術(shù)困難。

海底管道工程涉及工序復(fù)雜、所涉專業(yè)廣泛，受惡劣的海洋環(huán)境和復(fù)雜的作業(yè)流程以及設(shè)備條件的制約，投入人力物力巨大且歷時長，在海底管線的設(shè)計、施工、運行及維修各個階段都存在著復(fù)雜多變的安全隱患，具有高投入、高回報、高風(fēng)險的特點，一旦事故發(fā)生，將會造成巨大的經(jīng)濟損失、嚴(yán)重的環(huán)境污染及惡劣的社會影響。相關(guān)海洋工程企業(yè)和科研機構(gòu)一直非常重視海底管道的風(fēng)險評估和風(fēng)險控制問題，并開展了一系列海底管道風(fēng)險分析方面的研究工作。潘家華[3]將Kent編著的《管道風(fēng)險管理手冊》中的管線風(fēng)險評價技術(shù)引入到國內(nèi)，該評價技術(shù)采用半定量風(fēng)險分析法(專家評分法)。余建星等[4]對工程風(fēng)險分析中的風(fēng)險當(dāng)量及其評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。趙東巖等[5]從海底管道失效因素的分析入手，重點研究了海底管道風(fēng)險評估的流程及風(fēng)險等級的劃分方法。管道完整性管理的方法最早由API[6]提出，目的是為了降低事故發(fā)生的可能性。DNV船級社的推薦流程DNV-RP-F116[7]介紹了海底管道系統(tǒng)的風(fēng)險分析和完整性管理方法，并推薦了評估步驟。

國際上Sonsub、Oceaneering、Oil States、Statoil等公司在深水海底管道維修技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，為油田營運商設(shè)計和制造深水海底管道維修所需的主要設(shè)備和工機具，并提供海底管道維修技術(shù)支持。國內(nèi)深水水下維修技術(shù)與國際先進(jìn)水平存在較大差距，隨著南海深水油氣田的開發(fā)，深水海底管線維修技術(shù)的研究迫在眉睫，缺少相關(guān)維修技術(shù)，我國海洋深水油氣資源開采將受到國外工程公司的制約[8]。目前國內(nèi)的海底管道風(fēng)險分析重點關(guān)注管道的設(shè)計、運營階段，對管道維修流程的風(fēng)險評估開展的較少，而海底管道維修對于深水油氣資源的開發(fā)至關(guān)重要。因此，有必要針對深水海底管道應(yīng)急維修問題開展風(fēng)險評估研究工作。

1 深水海底管道應(yīng)急維修風(fēng)險評估原理

1.1 深水海底管道應(yīng)急維修流程

通過調(diào)研海油工程維修公司和深圳海油工程水下技術(shù)有限公司、國外Sonsub公司[9]、Oil States公司的深水海底管道維修方法，總結(jié)了不同水深下海底管道的機械連接器維修、帶壓開孔封堵維修、封堵夾具維修三種方式的維修流程以及所用工機具。不同水深下的管道維修工藝不同，所使用的設(shè)備和工機具也不盡相同，60 m～300 m水深可以使用飽和潛水工藝，500 m以下可能需要使用到單人常壓潛水裝置(ADS)，超過500 m水深只能使用水下機器人(ROV)進(jìn)行作業(yè)。該重點討論500 m和1 500 m水深下的機械連接器維修流程。

500 m水深下的機械連接器維修過程中，需要用到如單人常壓潛水裝具(ADS)、ROV、多功能維修機具、提管架、吸泥機、機械法蘭連接器等多種工機具。維修過程可以劃分為20個步驟，500 m水深機械連接器維修流程如圖1所示。

圖1 500 m水深機械連接器維修流程

1 500 m與500 m水深的機械連接器維修相比有以下四點不同：

(1) 1 500 m不能再使用ADS，這是由于ADS不能在超過500 m的水深處使用；

(2) ROV的靈活性和水下機具設(shè)備的集成程度要求更高；

(3) 水下維修機具和設(shè)備的密封耐壓等級滿足1 500 m水深要求；

(4) 吊纜纜繩材料應(yīng)該選取合成纖維纜。

1.2 深水海底管道應(yīng)急維修風(fēng)險分析方法

圖2 深水海底管線應(yīng)急維修風(fēng)險評估流程圖

海洋工程結(jié)構(gòu)物的風(fēng)險評估方法可以分為以下三類：(1)定性分析方法，即采用專家意見來確定某一危險事件的發(fā)生概率和后果，如:危險與可操作性分析(HAZOP)；(2)定量分析方法，即采用統(tǒng)計方法和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫來確定危險事件的發(fā)生概率和后果，如：故障樹/事件樹分析、敏感性因子法、概率風(fēng)險評估(PRA)等；(3)半定量的分析方法，這是一種介于兩者之間的方法，如：設(shè)施風(fēng)險評估(FRR)。

通常根據(jù)對風(fēng)險事件的頻率以及后果的熟悉程度，判斷選用合適的風(fēng)險分析方法。對于深水海底管道應(yīng)急維修而言，國內(nèi)在技術(shù)方面還處于研究階段，要對其流程中的風(fēng)險事件精確量化難度較大，所以該文采用半定量的風(fēng)險分析方法，具體評估流程如圖2所示。

(1) 定義系統(tǒng)

定義系統(tǒng)的目的在于確定要進(jìn)行風(fēng)險評估的模型，為給深水海底管線應(yīng)急維修系統(tǒng)建模，必須了解整個維修流程以及所用的工機具。

(2) 風(fēng)險辨別

風(fēng)險辨別的目的在于找出所有可能的風(fēng)險，這些潛在的風(fēng)險往往是導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重事故的誘因，其中某些風(fēng)險本身可能就是嚴(yán)重的事故。深水海底管道的維修系統(tǒng)包括多個組成部分，影響系統(tǒng)安全性的因素,包括人員因素、海洋環(huán)境風(fēng)險、設(shè)備故障和設(shè)備作業(yè)風(fēng)險四個方面。在管道維修的過程中任何一個方面出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故發(fā)生，每個方面失效可能由多個影響因素造成，因此要全面的對風(fēng)險源進(jìn)行辨別。

風(fēng)險辨識采用事故樹的方法，對維修過程中的失效影響因素進(jìn)行辨別，并根據(jù)海油工程維修公司和深圳海油工程水下技術(shù)有限公司多次調(diào)研，查閱了國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行了多次修改，得到了500 m及1 500 m水深下三種維修方式的風(fēng)險辨別結(jié)果。

(3) 風(fēng)險分析

風(fēng)險估算的過程采用專家打分的方法。評估過程中所用到的風(fēng)險接受矩陣在DNV船級社的DNV-RP-F116風(fēng)險矩陣基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正，見表1。為了保證風(fēng)險評估結(jié)果的客觀性，參與風(fēng)險打分的人員必須為涵蓋不同學(xué)科背景并具有相關(guān)項目經(jīng)驗的專家，打分過程不應(yīng)受到其它因素的影響，尤其是管理者政治因素的影響。

整個估算過程分為頂層事件評價和底層事件評價兩個部分。對頂層失效事件打分時，專家需權(quán)衡維修流程中所有維修步驟的重要程度，然后給出每個步驟在整個維修流程中所占的權(quán)重值，所有步驟的權(quán)重值之和為1。底層事件評價包括風(fēng)險評價和風(fēng)險等級計算兩個步驟，其中風(fēng)險評價包括頻率評價和后果評價兩部分。

頻率評價等級由低到高分為1～5級，分別表示罕見的、不太可能的、不頻發(fā)的、偶然的和頻繁的，具體的等級對照見表1。

與頻率評價相同，后果評價等級也由低到高分為1～5級。當(dāng)風(fēng)險可能導(dǎo)致人員無傷害，微小環(huán)境影響，微小資產(chǎn)損失(>200元)時，認(rèn)為風(fēng)險后果是可忽略的，等級為1級；當(dāng)風(fēng)險可能導(dǎo)致單個人員的輕微傷害，或者較小的環(huán)境影響，或者較小的資產(chǎn)損失(>2 000元)時，認(rèn)為風(fēng)險后果是微小的，等級為2級；當(dāng)風(fēng)險可能導(dǎo)致單個人員的嚴(yán)重受傷/少量人員的較小傷害，或者重大環(huán)境影響，或者較大資產(chǎn)損失(>20 000元)時，認(rèn)為風(fēng)險后果是重大的，等級為3級；當(dāng)風(fēng)險可能導(dǎo)致單個人員死亡/少量人嚴(yán)重受傷,或者巨大環(huán)境影響，或者重大資產(chǎn)損失(>200 000元)時，認(rèn)為風(fēng)險后果是危險的，等級為4級；當(dāng)風(fēng)險可能導(dǎo)致少量人死亡，或者大規(guī)模環(huán)境影響，或者資產(chǎn)極大損失(>2 000 000元)時，認(rèn)為風(fēng)險后果是嚴(yán)重的，等級為5級。

風(fēng)險量化結(jié)果由后果評價及頻率評價結(jié)果根據(jù)表1所示的矩陣計算得出，根據(jù)量化結(jié)果的大小將風(fēng)險分為五個等級。量化結(jié)果大于1小于6時，風(fēng)險等級為1級，為可接受的風(fēng)險，是無關(guān)緊要的；量化結(jié)果在7～10之間時，風(fēng)險等級為2級，為可接受的風(fēng)險，風(fēng)險較低無需采取措施；量化結(jié)果在11～15之間時，風(fēng)險等級為3級，為可接受風(fēng)險，需制定減小風(fēng)險的措施；量化結(jié)果在16～19之間時，為不可接受風(fēng)險，需要采取一定的措施；量化結(jié)果在20～25之間時，為5級風(fēng)險，為不可接受風(fēng)險，需要立即采取措施。

表1 量化的風(fēng)險接受矩陣

(4) 風(fēng)險評估

風(fēng)險分析結(jié)束后，將分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并通過分析得到風(fēng)險評估結(jié)果。評估結(jié)果通常以報表或者報告的形式輸出，應(yīng)包括以下內(nèi)容：(1)判斷設(shè)計方案是否滿足一定的風(fēng)險準(zhǔn)則；(2)提供選擇方案的各種事故失效概率，以便通過比較做出選擇；(3)找出影響系統(tǒng)風(fēng)險的主要因素，并且提出改進(jìn)意見。

1.3 深水海底管道應(yīng)急維修風(fēng)險分析信息系統(tǒng)

基于上述的風(fēng)險分析方法，采用VB6.0以及ACCESS數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)了深水水下應(yīng)急維修風(fēng)險分析信息系統(tǒng)?？梢葬槍?00 m和1 500 m水深下的帶壓開孔封堵維修、封堵夾具維修以及機械連接器維修三種維修方式開展風(fēng)險分析。軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 深水水下應(yīng)急維修風(fēng)險分析信息系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

為了得到專業(yè)可靠的數(shù)據(jù)，邀請了數(shù)位海洋工程安裝維修領(lǐng)域的專家進(jìn)行獨立客觀地評分，然后將各位專家的評分?jǐn)?shù)據(jù)綜合整理形成原始數(shù)據(jù)庫，并編入軟件供以后用戶參考?？紤]到每個專家的專業(yè)性不盡相同，將根據(jù)各位專家的職稱以及工作年限為專家評定等級。綜合各位專家的打分結(jié)果時根據(jù)式(1)～式(3)進(jìn)行。

(1)

(2)

(3)

式中：wj為第j個頂層事件的權(quán)重值；wij為第i位專家為第j個頂層事件評出的權(quán)重值；qk為第k個底層事件的量化結(jié)果；qik為第i位專家為第k個底層事件評出的量化結(jié)果；ri為第i位專家的等級；n為專家個數(shù)；r為原始數(shù)據(jù)庫的平均專家等級。

該信息系統(tǒng)可以提供三種不同的分析方式:

(1)單獨使用原始數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)分析，也就是直接使用整理出的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析；

(2)單獨使用用戶添加的數(shù)據(jù)分析，用戶重新對風(fēng)險源進(jìn)行打分，然后使用打分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析；

(3)綜合使用用戶的數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)綜合分析，將用戶添加的打分?jǐn)?shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)計算后再進(jìn)行分析。使用綜合數(shù)據(jù)分析時，加權(quán)公式如式(4)、式(5)所示。

(4)

(5)

式中：wj為第j個頂層事件的權(quán)重值；w1j和w0j分別表示用戶為第j個頂層事件添加的權(quán)重值和原始數(shù)據(jù)庫中第j個頂層事件的權(quán)重值；qk為第k個底層事件的量化結(jié)果；q1k和q0k分別表示用戶為第k個底層事件打出的量化結(jié)果和原始數(shù)據(jù)庫中第k個底層事件的量化結(jié)果；r1和r0分別表示用戶的專家等級和原始數(shù)據(jù)庫的平均專家等級。

2 深水海底管道應(yīng)急維修風(fēng)險評估應(yīng)用實例

針對海底管道的機械連接器維修方式，分別考慮500 m和1 500 m水深的情況，進(jìn)行風(fēng)險評估。

2.1 風(fēng)險辨別

以500 m水深機械連接器維修的多功能維修機具回收失效事件為例，事故樹如圖4所示。由于在1 500 m水深的維修過程中不能使用ADS，與該500 m水深的相比，1 500 m水深的事故樹沒有與ADS相關(guān)的幾個風(fēng)險因素。

圖4 維修機具和設(shè)備回收失效事故樹(500 m水深機械連接器維修)

2.2 風(fēng)險分析結(jié)果

根據(jù)原始數(shù)據(jù)庫中的專家打分?jǐn)?shù)據(jù)分析，對500 m和1 500 m水深的機械連接器維修風(fēng)險的專家打分結(jié)果進(jìn)行排序，并篩選出頂層失效事件權(quán)重值排在前三位且底層失效事件量化結(jié)果大于11的失效事件，得到危險失效事件的統(tǒng)計結(jié)果見表2、表3。由表2、表3可以看出：水深500 m時，前三位危險維修步驟分別為維修機具和設(shè)備回收、ADS下放、維修前準(zhǔn)備；而1 500 m水深時，前三位為維修機具和設(shè)備回收、維修前準(zhǔn)備、機械連接器安裝。

500 m水深維修的時候，需要用到ADS設(shè)備，其中有工作人員下去，涉及到人身安全風(fēng)險，因此，與ADS相關(guān)的設(shè)備風(fēng)險比較高。而1 500 m時候，用ROV設(shè)備，主要是財產(chǎn)安全風(fēng)險，因此，人員因素和環(huán)境因素的風(fēng)險相對高一些。

表2 500 m水深機械連接器維修危險失效事件統(tǒng)計表

表3 1 500 m水深機械連接器維修危險失效事件統(tǒng)計表

2.3 風(fēng)險評估及風(fēng)險控制

由風(fēng)險分析結(jié)果可知，500 m和1 500 m水深的機械連接器維修的風(fēng)險都屬于可接受風(fēng)險，但部分風(fēng)險等級較高，需制定相應(yīng)的減小風(fēng)險的措施。

500 m水深時，由于用ADS，高危風(fēng)險側(cè)重于ADS相關(guān)的設(shè)備作業(yè)風(fēng)險和設(shè)備故障。提出以下風(fēng)險控制建議：(1) 在施工前要嚴(yán)格檢查設(shè)備的運行情況、安全性以及環(huán)境適應(yīng)性；(2) 并對維修工藝流程嚴(yán)格把關(guān)，做好可行性與安全性測試；(3) 注意加強一線操作人員的專業(yè)技能培訓(xùn)以及風(fēng)險與安全培訓(xùn)；(4) 合理安排員工的工作時間，避免疲勞操作。

1 500 m水深時，采用了ROV，不需要工作人員下去，高危風(fēng)險側(cè)重于相關(guān)的人員因素和環(huán)境因素。提出以下風(fēng)險控制建議：(1) 加強各部門之間的聯(lián)系性與協(xié)調(diào)性；(2) 增加適當(dāng)?shù)莫剳椭贫?，調(diào)動員工的積極性，將責(zé)任落實到個人；(3) 現(xiàn)場項目組的分工要合理明確，互相配合，避免管理盲區(qū)；(4) 加強環(huán)境監(jiān)測，提前準(zhǔn)備好惡劣海況的應(yīng)對措施。

3 結(jié)論

在開展國內(nèi)外調(diào)研的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了500 m和1 500 m水深下海底管道的機械連接器維修流程。提出了采用半定量分析法的深水海底管道應(yīng)急維修風(fēng)險評估原理，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)風(fēng)險評估信息系統(tǒng)，對兩種水深下的維修流程采用該信息系統(tǒng)開展了風(fēng)險分析工作，并根據(jù)風(fēng)險分析結(jié)果給出了相關(guān)的風(fēng)險應(yīng)對措施。該文的研究成果可以應(yīng)用到深水管道的應(yīng)急維修中，有助于降低維修過程中的風(fēng)險成本，減少事故的發(fā)生，保障人身、財產(chǎn)和環(huán)境的安全。

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Risk Analysis of the Emergency Repairing for Deep-sea Pipeline Using Semi-quantitative Solution

LUO Han-bing1, JI Hong-ye1, LIU Xin1, BIAN Da-yong2, JIA Lu-jin2

(1 Department of Naval Architecture and Ocean engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.Repair Division, Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300461, China)

The research on the emergency repair for the deep-sea pipeline is one of the concern topics for the domestic offshore oil engineering, especially when the gas/oil exploration is moved to the South China Sea. The emergency repairing procedures for the subsea pipelines (flat tube)under 500 m and 1 500 m water depth are developed after the state-of-the-art of relevant techniques are investigated from the domestic and oversea companies. Risk analysis using semi-quantitative assessment solution is suggested according to relevant definitions in DNV rules. Then one code is developed for the risk analysis. Repairing examples using the mechanical connector under 500m and 1 500 m water depth are given. The risk levels are assessed using expert scoring method. Finally, the suggestions are recommended to reduce the probability of accidents.

deep-sea pipeline; emergency repair; semi-quantitative solution;

2015-06-23

國家科技重大專項資助項目(2011ZX05027-005)。

駱寒冰(1976-)，男，副教授。

1001-4500(2016)05-0093-08

P75

A