基于多層次灰色評價法的FPSO外輸溢油風(fēng)險評估

，，

(1.中國海洋石油總公司，北京 100010；2.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司，天津 300457)

FPSO逐漸成為海上油氣開發(fā)主流設(shè)施。FPSO利用卸載系統(tǒng)將油氣儲存在穿梭油船中，大大降低了油氣田操作成本[1-4]。串聯(lián)卸載能夠更好地適應(yīng)惡劣的海上工作環(huán)境，適應(yīng)不同大小的穿梭油船系泊，目前已成為油氣卸載的首要選擇[5]。FPSO在外輸過程中，經(jīng)常會發(fā)生碰撞、海管斷裂、錨纜失效等事故，導(dǎo)致油氣泄漏，進(jìn)而引起火災(zāi)爆炸，不僅造成巨額的經(jīng)濟損失，而且嚴(yán)重威脅海洋生態(tài)環(huán)境。國外有研究表明,以硬件來降低風(fēng)險的做法不能有效減輕海上作業(yè)的風(fēng)險[6]。我國海上溢油風(fēng)險評估研究起步較晚，對FPSO原油外輸作業(yè)過程中的溢油風(fēng)險認(rèn)識更是存在不足。所以建立一套完善的FPSO外輸作業(yè)溢油風(fēng)險評價指標(biāo)體系，進(jìn)行溢油風(fēng)險分級計算，量化評價FPSO外輸作業(yè)溢油風(fēng)險等級,對保障海洋石油安全生產(chǎn)和經(jīng)濟健康發(fā)展,具有重要的實用價值和現(xiàn)實意義。

1 FPSO溢油風(fēng)險源識別及評估體系

風(fēng)險源識別作為風(fēng)險分析的第一步，是整個溢油風(fēng)險分析過程的關(guān)鍵，對評估對象可能存在的所有危險進(jìn)行識別，是一個確定危險存在并定義其性質(zhì)的過程。對于FPSO外輸溢油風(fēng)險，存在于整個原油外輸過程。具體的溢油風(fēng)險分析結(jié)果見表1。

根據(jù)FPSO外輸溢油風(fēng)險源識別，建立FPSO外輸作業(yè)的溢油風(fēng)險評估指標(biāo)體系(見圖1)，其中一級指標(biāo)定義為設(shè)備故障、靠泊和外輸作業(yè)、人員因素和環(huán)境因素，二級指標(biāo)體系依次展開。

圖1 FPSO溢油風(fēng)險評估指標(biāo)體系

2 多層次灰色評價法

通常灰色系統(tǒng)理論是用數(shù)學(xué)方法處理某一層次的監(jiān)測檢測資料，進(jìn)而了解更高一層次的指標(biāo)相互關(guān)系和變化趨勢[7-8]。具體步驟如下。

2.1 確定評價等級

采用制定評價指標(biāo)評分等級標(biāo)準(zhǔn)的方法將定性指標(biāo)U轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)，即用低、一般、較高、高和極高5個風(fēng)險等級表示評價指標(biāo)的風(fēng)險大小，然后分別賦值1，2，3，4，5，數(shù)值越大，相應(yīng)風(fēng)險等級越高[9]。

表1 FPSO外輸作業(yè)溢油風(fēng)險源識別

2.2 確定評價指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)建立的溢油風(fēng)險評價指標(biāo)體系，可確定風(fēng)險指標(biāo)間的隸屬關(guān)系，即評價指標(biāo)的權(quán)重，本研究采用層次分析法求取各因子的權(quán)重，得到目標(biāo)層指標(biāo)的重要性判斷矩陣W。

然后對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗，判斷得到的權(quán)重值是否合理，如果判斷偏移一致性過大，將判斷矩陣的權(quán)向量結(jié)果作為決策依據(jù)是不可靠的[10]。所以求出判斷矩陣的最大特征值λmax后需進(jìn)行一致性檢驗，一致性指標(biāo)CI計算方法為

(1)

式中：λmax為判斷矩陣W的最大特征根；n為階數(shù)。

隨機一致性指標(biāo)RI值見表2。

表2 RI系數(shù)表

隨機一致性比率CR為

(2)

當(dāng)CR<0.10時，判斷矩陣一致性檢驗通過；CR>0.10時，判斷矩陣一致性檢驗失敗，需重新調(diào)整判斷矩陣中的元素。最大特征根對應(yīng)的特征向量經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后，方可作為層次分析的排序權(quán)值。

2.3 建立評價樣本矩陣

假設(shè)有m(m=1,2,…,k)位評價專家，依照評分等級標(biāo)準(zhǔn)對系統(tǒng)中所有評價對象Uij打分，填寫專家評分表。按照評分表，形成所有對象的評價樣本矩陣。

(3)

式中：dijp為第p位專家對系統(tǒng)中評價指標(biāo)Uij的風(fēng)險等級評分。

2.4 確定評價灰類

假設(shè)有n個評價灰類，h表示灰類等級數(shù)，h=1,2,…,n。則評價灰類的白化權(quán)函數(shù)分類如下。

第1灰類。低風(fēng)險(h=1)，設(shè)定灰類?1∈[0,1,2]，白化權(quán)函數(shù)為f1，則有

(4)

第2灰類。一般風(fēng)險(h=2)，設(shè)定灰類?2∈[0,2,4]，白化權(quán)函數(shù)為f2，則有

(5)

第3灰類。較高風(fēng)險(h=3)，設(shè)定灰類?3∈[0,3,6]，白化權(quán)函數(shù)為f3，則有

(6)

第4灰類。高風(fēng)險(h=4)，設(shè)定灰類?4∈[0,4,8]，白化權(quán)函數(shù)為f4，則有

(7)

第5灰類。高風(fēng)險(h=5)，設(shè)定灰類?5∈[5,+∞]，白化權(quán)函數(shù)為f5，則有

(8)

2.5 計算評價系數(shù)、權(quán)向量及權(quán)矩陣

(9)

對于任一評價指標(biāo)Uij，如果將第x個評價因素屬于各個灰類的灰色評價系數(shù)記為，則

(10)

(11)

(12)

2.6 綜合評價

(13)

(14)

故對于第x個評價項目的Ui指標(biāo)綜合評價結(jié)果為

(15)

將各評價灰類等級進(jìn)行賦值，設(shè)值化向量為C=(1,2,3,4,5)，對第x個評價對象的綜合評價值R(x)為

R(x)=B(x)×Ct

(16)

綜合評價值求出后，對評價對象風(fēng)險高低值進(jìn)行排序。

3 應(yīng)用算例

以南海某FPSO外輸作業(yè)為例，作業(yè)方式為串靠式。外輸區(qū)域自然環(huán)境條件為風(fēng)速10.8 m/s，表層流速為平均1.2 m/s，波高為1.8～2.6 m，能見度為2.0～3.5 km，極端天氣出現(xiàn)頻率較低；FPSO周圍時常有油輪來往，周邊設(shè)置了安全作業(yè)區(qū)域及助航標(biāo)識，并制訂了相應(yīng)的防損壞預(yù)防措施，外輸期間值班拖輪不拋錨，全程巡航，當(dāng)附近海域漁船較多時，通知漁政船現(xiàn)場值守；外輸作業(yè)前檢查系泊纜繩、漂浮軟管及配件的完整性，大纜正常，軟管有稍微破裂，經(jīng)分析，基本滿足外輸作業(yè)要求，外輸過程中FPSO、提油輪、外輸尾拖輪三點一線，外輸期間1 100 m作業(yè)半徑內(nèi)禁止有任何影響外輸作業(yè)的船舶、錨標(biāo)等；該FPSO有9條系泊纜繩，其中4條外皮有明顯損傷，但系泊應(yīng)力可滿足系泊要求，設(shè)有一套單點系泊檢查裝置，可以檢測單點橫搖角度和單點拉力；儲油系統(tǒng)正常，貨油泵間檢測有稍微泄漏，F(xiàn)PSO上配備可燃?xì)怏w探測器、報警裝置和電控截止閥，若發(fā)生溢油能及時報警，并且中控室內(nèi)設(shè)有監(jiān)控裝置，可監(jiān)控外輸過程，有卸油關(guān)斷裝置；FPSO外輸作業(yè)人員技術(shù)人員綜合素質(zhì)較高，每年進(jìn)行專業(yè)的技能培訓(xùn)，均持證上崗，并且經(jīng)過關(guān)于外輸技術(shù)的專業(yè)培訓(xùn)，負(fù)責(zé)配載的人員持有穩(wěn)性與壓載技術(shù)培訓(xùn)證書，同時制訂了相應(yīng)的管理制度；外輸作業(yè)前、中、后對相應(yīng)崗位進(jìn)行檢查確認(rèn)，按時巡檢，簽名記錄。

3.1 指標(biāo)體系權(quán)重確定

通過問卷調(diào)查由FPSO外輸作業(yè)人員及專家對各溢油評價指標(biāo)進(jìn)行打分(參與人員>20)。采用層次分析法(AHP)對各層指標(biāo)體系權(quán)重系數(shù)進(jìn)行計算，各評價指標(biāo)權(quán)重見表3。

3.2 確定評價指標(biāo)等級及評分

采用“好、較好、一般、較差、差”5個等級評語，相應(yīng)的評價值定義為5.0、4.0、3.0、2.0、1.0。處于兩等級之間的賦值4.5，3.5，2.5，1.5。

3.3 綜合評價

根據(jù)二級指標(biāo)所對應(yīng)的評價值，得出該應(yīng)用算例的樣本矩陣如下。

表3 FPSO FPSO各評價指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)需要，將灰類等級確定為5個，分別代表極低、低、一般、高、極高5個風(fēng)險等級。根據(jù)評價灰類的白化權(quán)函數(shù)，對于評價對象來說，針對靠泊和外輸作業(yè)中碰撞指標(biāo)，有

f1(3)+f1(3)+f1(3)+f1(3)=0

同理

因此，所有碰撞指標(biāo)屬于評價灰類的總灰色評價數(shù)，為

故對于碰撞，第一評價指標(biāo)對于各灰類的灰色評價權(quán)向量為

(0,0.054,0.261,0.357,0.338)

同理可得

進(jìn)而對于此FPSO的總灰色評價權(quán)矩陣為

故對于該FPSO的綜合評價結(jié)果為

B(1)=W·Q1=(0.26,0.15,0.30,0.29)·Q1

=(0,0.079,0.275,0.344,0.302)

因此得到此FPSO單值化綜合評價值為

R1=B(1)·CT=2.13

結(jié)果顯示，此FPSO經(jīng)三層灰色評價，其發(fā)生溢油風(fēng)險等級為一般風(fēng)險，由于FPSO系泊纜繩有老化現(xiàn)象，并且儲油系統(tǒng)檢測出泄漏，所以計算得到數(shù)值較高，說明設(shè)備故障因素易導(dǎo)致溢油事故發(fā)生，在平臺日常維護(hù)和檢測時應(yīng)重點關(guān)注。

[1] YAN G, GU Y. Effect of parameters on performance ofLNG-FPSO offloading system in offshore associated gas fields[J]. Applied Energy,2010,87(11):3393-3400.

[2] YOSHIHIDE S. FPSO/FSO: state of the art[J]. Journal of marine science and technology,2002,7(2):59-70.

[3] FUCATU C H, NISHIMOTO K. The shadow effect on thedynamics of a shuttle tanker connected in tandem with a FPSO[C].ASME 2003 22nd International Conference on OffshoreMechanics and Arctic Engineering (OMAE2003),2003:629-633.

[4] ZHANG W K, LIU Z G, SONG R X. Key technology of FPSO inprogress. Shipbuilding of China,2005,51(2): 21-30.

[5] SUN Liping, SUN Hai. Risk management of key issues of FPSO[J]. J Marine sci appl,2012(11):402-409.

[6] DNV. Risk assessment of pipeline protection[S]. DNV,2001.

[7] 楊軍,王當(dāng)利.灰色模糊理論綜合評判港口船舶溢油風(fēng)險方法初探[J].交通科技,2003,199(4):116-118.

[8] 沈強.基于多層次灰色模型的舟山海域船舶溢油風(fēng)險評價研究[D].杭州:杭州:浙江大學(xué),2014.

[9] 李鋒,余先友,楊譚.塔里木油田勘探井井控安全技術(shù)和管理方式的探索與實踐[J].鉆采工藝,2006,29(5):111-113.

[10] 劉剛,金業(yè)權(quán),李峰,等.層次分析法在井控風(fēng)險可控誘因分析中的應(yīng)用[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,33(2):137-141.