基于JSA-BN的水上提管維修作業(yè)風險分析*

朱紅衛(wèi)，智晨瀟，李新宏，陳國明

(中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島 266580)

0 引言

隨著海底管道服役年限的增加，部分管道已進入老齡化階段，再加上復雜惡劣的海洋環(huán)境，使得管道失效概率增加；據統(tǒng)計[1]，1986—2016年，中海油315條已經投入運營的海底管道共發(fā)生了51起事故。此外，海底管道的事故具有突發(fā)性和不確定性的特點，故快速應對海底管道事故，能夠有效減少海底管道事故的損失，從而有助于保障我國海洋油氣管道的安全運行[2]。

在海底管道應急維修方法和技術方面，Sun等[3]提出了深水管道溢油應急搶修方法；張仕民等[4]綜述了多種新型管道維修技術及所用機具的發(fā)展趨勢；趙福臣[5]介紹了提升法修復海底管道技術在渤中26-3管搶修項目中的應用；王常文[6]以實際海底管道搶修項目為例開展了海上提管維修程序研究；江錦等[7]根據渤西天然氣管道搶修項目實踐，闡述了提升法修復海底管道的作業(yè)程序和分析計算；齊兵兵等[8]結合恩平23-1海底管道搶修項目，分析了海底管道水上提管維修過程中的新型回收技術。在維修風險分析方面，何寧強等[9]針對封堵卡具應急維修工程問題進行了風險分析研究；駱寒冰等[10]提出了采用半定量分析法的深水海底管道應急維修風險評估原理；陳文潔等[11]基于改進模糊層次分析法開展了海底管道維修方法研究。

上述研究主要集中在海底管道維修技術、具體作業(yè)步驟和半定量風險分析方面，尚未有針對海底管道維修作業(yè)流程開展風險識別和定量風險分析方面的研究。鑒于此，筆者提出了1種基于工作安全分析和貝葉斯網絡方法的海底油氣管道維修作業(yè)風險分析方法，以水上提管維修作業(yè)為例，研究維修過程中的關鍵作業(yè)環(huán)節(jié)以及潛在的薄弱風險點，以期為水上提管維修作業(yè)風險控制措施的制定提供理論依據。

1 JSA-BN方法

1.1 工作安全分析

工作安全分析(Job Safety Analysis，JSA)是美國職業(yè)健康安全執(zhí)委會(HSE)推薦的1種危險源識別和風險評價方法[12]，主要用于事先或定期對某項工作任務進行風險評價，并根據評價結果制定和實施相應的控制措施，達到最大限度消除或控制風險的目的。具體過程是：①確定需要做JSA分析的作業(yè)任務；②將任務按順序劃分為幾個作業(yè)步驟；③辨識每一步驟的潛在危害；④確定相應的預防措施；⑤評審預防措施的充分性，并完成分析表。

1.2 貝葉斯網絡

貝葉斯網絡(Bayesian Network，BN)是1種具備風險誘因辨識和推理能力的模型[13-14]，其網絡拓撲結構是1個有向無環(huán)圖，由1組表示系統(tǒng)變量(可以是離散的或連續(xù)的)的節(jié)點，以及1組表示變量之間依賴關系的有向弧組成。在JSA分析的基礎上，將所劃分的作業(yè)步驟和風險影響因素轉化為貝葉斯網絡節(jié)點；然后確定各節(jié)點之間的相互關系，用有向弧連接；基于建立的BN模型推理維修作業(yè)完成概率，識別最有可能的作業(yè)風險因素。

2 水上提管維修作業(yè)JSA分析

2.1 維修作業(yè)流程

水上提管維修作業(yè)是根據相關規(guī)范對起吊要求進行分析計算和校核，然后利用舷吊等設備將受損管道提升至作業(yè)船舶上進行焊接修復，最后再回放至水下由潛水員完成管道對接工作[15]。淺水域海底管道常采用此方法進行應急搶修維修，優(yōu)點是不需要特種機械設備，維修速度快且維修質量較高[7]。將水上提管維修作業(yè)劃分為8個步驟：

1) 管線挖溝作業(yè)，利用挖溝機等設備沿著管道破損的地方向兩邊開挖，從而達到起管作業(yè)環(huán)節(jié)中需要暴露的管道長度要求；

2) 切除破損管道，潛水員利用閘刀鋸或爬管切割機對損傷管段進行冷切割；

3) 提升管道，按照海管起吊程序將管端提升至海面作業(yè)船舶上；

4) 水上焊接作業(yè)，對破口處理后的海管端部焊接法蘭，然后焊接檢驗并做相應的包膠防腐處理，再按照起吊計算程序將其回放至海底，另外一端也按照相同的方式進行處理；

5) 更換管道測量，通過精準測量儀得到海管法蘭之間的相對空間位置和方位角，這是完成受損管道水下修復對接的重要作業(yè)程序；然后根據測量出的參數對需要更換的管道進行預制；

6) 水下海管對接，潛水員將預制管段進行水下連接；

7) 管線試壓，以生產壓力對修復后的管線整體進行試壓，穩(wěn)壓24 h；

8) 保護回填，利用砂袋將修復位置周圍的懸空部位進行回填，并對修復管段進行檢查和水下錄相。

2.2 JSA分析

根據維修經驗，結合相關參考文獻[12]，基于風險矩陣對該水上提管維修作業(yè)進行JSA分析，如表1所示。其中，P為事故頻率指標；C為后果嚴重度指標；R表示風險等級指數。通過風險等級計算得出切割破損管道作業(yè)N2、提管作業(yè)N3和管線挖溝作業(yè)N1這3個環(huán)節(jié)危險度較大。

3 水上提管維修作業(yè)貝葉斯分析

3.1 貝葉斯網絡模型

貝葉斯網絡可定量描述系統(tǒng)中的關鍵因素與最終輸出結果之間的因果關系[16]。將該水上維修各環(huán)節(jié)以及作業(yè)中的風險因素信息以節(jié)點的方式處理，從而建立水上提升維修作業(yè)貝葉斯網絡模型，如圖1所示。

3.2 貝葉斯概率推算

依據模糊集理論、專家判斷及歷史數據查閱得到基本事件的先驗概率值，基本事件概率見表2。對貝葉斯網絡向前推導，預測并計算出該水上提管維修作業(yè)成功的概率為96.67%，其中N1到N8各個作業(yè)流程的成功概率變化趨勢如圖2所示。由各作業(yè)階段概率下降幅度可知，提管作業(yè)N3和切割破損管道作業(yè)N2中成功概率較低，是維修作業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)，且與JSA分析結果相似。

后驗概率是修正先驗概率后所獲得的更接近實際情況的概率估計，表示事件發(fā)生的可能性大小。假定海底管道水上提管維修作業(yè)失效狀態(tài)為已發(fā)生，利用反向推理進而得到各基本事件的后驗概率，各基本事件先后驗概率對比如圖3所示。由計算結果可知，海底管道水上提管維修作業(yè)失效各基本事件的后驗概率中，發(fā)生可能性最大的前5項分別為：①提升過程中碰撞、掉落；②操作失誤；③浮袋和舷吊等布置不到位；④試壓程序錯誤；⑤沙袋滑動。

表1 水上提管維修JSA表Table 1 JSA analysis of above-water lifting pipeline repair

表1(續(xù))

圖1 水上提管維修作業(yè)貝葉斯網絡模型Fig.1 Bayesian network model for above-water lifting pipeline repair operation

事件代碼事件名稱先驗概率后驗概率事件代碼事件名稱先驗概率后驗概率X1挖溝機等設備故障0.000 113 00.003 4X15切割設備故障0.000 6910.020 8X2作業(yè)船舶定位不精確0.000 453 00.013 6X16通訊設備故障0.001 8000.054 1X3舷吊斷裂失效0.000 060 70.001 8X17浮袋和舷吊等布置不到位0.003 4000.102 1X4ADS失效0.000 303 00.009 1X18提升過程中碰撞、掉落0.005 9000.177 2X5惡劣海洋環(huán)境0.001 000 00.030 0X19不具備焊接作業(yè)資質0.001 0000.030 0X6第三方干擾0.000 317 00.009 1X20焊接質量差0.000 7200.021 6X7管道暴露長度不滿足起管要求0.000 442 00.013 2X21焊接設備故障0.000 1850.005 6X8不具備水下切割作業(yè)資質0.000 317 00.009 5X22測量儀器不精密0.000 1490.004 8X9防護用品配備不當0.000 453 00.013 6X23操作失誤0.004 5000.135 1X10作業(yè)人員生理狀況不佳0.000 227 00.006 8X24保壓時間不足0.001 6000.048 1X11違反水下切割作業(yè)安全操作規(guī)范0.002 500 00.075 1X25試壓設備故障0.000 1400.004 2X12高溫金屬熔滴或熔渣傷害0.000 410 00.012 3X26試壓程序錯誤0.003 4000.102 1X13帶電設備與潛水裝具絕緣性差0.000 140 00.004 2X27沙袋滑動0.002 9000.087 1X14監(jiān)督、指揮不善0.000 710 00.020 8

圖2 各環(huán)節(jié)成功概率Fig.2 Success probability of each step

圖3 先/后驗概率對比Fig.3 Comparison of prior and posterior probability

3.3 敏感性分析

敏感性分析是通過改變模型輸入參數，引起輸出值變化的分析方法，從而驗證貝葉斯網絡模型的可信度，敏感性高的參數會更明顯地影響推理結果。因此，選取后驗概率中數量級變化較大的前5項，設定其節(jié)點的概率變化閾值為-10%～10%，分析各節(jié)點對該水上提管維修失效的影響程度。

圖4 敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis

5個節(jié)點的敏感性分析如圖4所示。由圖4可知，提升過程中碰撞、掉落基本事件概率提升10%，則最終維修失效概率提升約0.06%；操作失誤基本事件概率提升10%，則最終維修失效概率提升約0.04%；同時浮袋和舷吊等布置不到位、試壓程序錯誤對維修影響也較為顯著，其概率提升10%，則維修失效概率提升約0.03%；沙袋滑動基本事件概率提升10%，則最終維修失效概率提升約0.027%。由此可說明，提升過程中碰撞、掉落基本事件概率變化引起維修失效概率值的變化更大。

4 結論

1)對水上提管維修8個作業(yè)環(huán)節(jié)進行風險辨識得到，切割破損管道作業(yè)、提管作業(yè)和管線挖溝作業(yè)風險較高。

2)建立水上提管作業(yè)貝葉斯網絡模型進行定量風險分析，結果顯示，作業(yè)成功概率為96.67%；提管作業(yè)和切割破損管道作業(yè)為風險程度較高的關鍵性步驟；提升過程中碰撞、掉落事件發(fā)生概率最高，應采取預防措施著重控制該事件的發(fā)生。

3)提出的基于JSA-BN方法可應用于近岸海底管道應急維修作業(yè)安全分析，能夠預先識別作業(yè)風險因素，預測作業(yè)成功概率，有助于提高海底油氣管道維修作業(yè)風險防控水平。