基于事故樹模型的海洋工程平臺爆炸事故

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

深海石油是目前世界能源的一大支柱，針對深海石油勘探開采的復(fù)雜性及難度高等特點(diǎn)，海洋石油開采平臺的安全性面臨著巨大的挑戰(zhàn)。大型海洋石油開采平臺耗資驚人，一旦發(fā)生事故將對國家造成不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，對海洋環(huán)境會造成難以估量的破壞，因此海洋平臺的安全風(fēng)險(xiǎn)評估是一項(xiàng)不可缺少的環(huán)節(jié)。目前，針對海洋平臺的風(fēng)險(xiǎn)分析主要有：Hazop(危險(xiǎn)與可操作性研究)風(fēng)險(xiǎn)分析法、平臺結(jié)構(gòu)分析、系統(tǒng)動力學(xué)分析[1]以及平臺的事故因素?cái)?shù)理統(tǒng)計(jì)分析等。這些針對平臺事故的風(fēng)險(xiǎn)分析都具有一定的獨(dú)立性，缺乏一種系統(tǒng)多因素協(xié)同分析的機(jī)制，造成風(fēng)險(xiǎn)分析效果不理想。本文運(yùn)用事故樹分析(Fault Tree Analysis， FTA)方法，根據(jù)海洋平臺事故發(fā)生的多因素構(gòu)建FTA模型，確定有效的事故預(yù)防路徑，通過對事故頂上事件概率的計(jì)算，得出海洋平臺在一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，從而確定平臺的安全性。

1 FTA原理

FTA屬于系統(tǒng)工程中圖論的范疇，由故障樹演變而來，是一種演繹的安全系統(tǒng)分析方法。FTA的基礎(chǔ)原理是從需進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的安全風(fēng)險(xiǎn)事件(事故樹頂上事件)開始，逐步尋找事故出現(xiàn)的因素，直到找出風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的基本因素(事故樹基本事件)為止[2]。

1.1 事故樹模型的分析步驟

FTA模型是從需分析的特定事故或故障(頂上事件)開始，層層分析其發(fā)生原因，直到找出事故的基本原因(底事件)為止的一種分析模型。最初由統(tǒng)計(jì)分析指定風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的頂上事件，其次建立基本事件的邏輯關(guān)系，最后通過具體的定性分析或定量分析確定系統(tǒng)的事故預(yù)防路徑和系統(tǒng)的安全程度。具體分析步驟如圖1所示。

圖1 事故樹模型分析步驟

1.2 事故樹模型定性分析

定性分析從事故樹模型中基本事件的發(fā)生以及各基本事件對上級事件發(fā)生影響的邏輯關(guān)系出發(fā)，綜合基本事件的發(fā)生概率導(dǎo)致頂上事件事故發(fā)生的影響程度，從而最終確定頂上事件的發(fā)生路徑。求解事故樹模型的最小割集、最小徑集以及結(jié)構(gòu)重要度[3]。

(1) 最小割集、最小徑集

事故樹模型中的最小割集是指:造成風(fēng)險(xiǎn)事故頂上事件的各種基本事件的組合，也就是風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的基本因素結(jié)合的路徑。事故樹模型中的一個最小割集就是造成風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的一條途徑。最小割集最基本的求解方法是使用布爾代數(shù)簡化法[3]。

事故樹模型中的徑集是割集的對偶，簡單的描述就是將事故樹模型中的“與門”和“或門”對調(diào)，預(yù)防頂上事件發(fā)生的基本事件組合。最小徑集是預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生基本因素的一條途徑。最小徑集的基本求解原理是在事故樹的對偶模型“成功樹”上采用事故樹最小割集方法獲得最小徑集[4]。

(2) 結(jié)構(gòu)重要度

基本事件的結(jié)構(gòu)重要度：風(fēng)險(xiǎn)評估項(xiàng)目的事故樹模型中基本事件導(dǎo)致頂上事件發(fā)生邏輯關(guān)系的重要程度。結(jié)構(gòu)重要度的值如果較高，那么在風(fēng)險(xiǎn)評估項(xiàng)目的事故樹模型中基本事件導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的概率可能性就越大，基本事件的結(jié)構(gòu)重要度值求解可用以下公式[4]近似計(jì)算：

(1)

式中：Iφ(i)為第i個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度值；φ(1,xi)表示基本事件xi狀態(tài)為1時(shí)頂上事件的狀態(tài)；φ(0,xi)表示基本事件xi狀態(tài)為0時(shí)頂上事件的狀態(tài)；n為基本事件的個數(shù)。

(3) 概率重要度

基本事件的概率重要度：風(fēng)險(xiǎn)評估項(xiàng)目的事故樹模型中第i個基本事件發(fā)生的概率變化導(dǎo)致頂上事件發(fā)生概率變化的程度。事故樹模型中頂上事件發(fā)生概率函數(shù)是n個基本事件發(fā)生概率的多次線性函數(shù)，對自變量qi進(jìn)行一次求導(dǎo)即可得到基本事件的概率重要度，計(jì)算公式[4]如下：

(2)

式中：Ig(i)為基本事件的概率重要度；P(T)為頂上事件發(fā)生概率；qi為基本事件發(fā)生概率。

(4) 臨界重要度

基本事件的臨界重要度：風(fēng)險(xiǎn)評估項(xiàng)目的事故樹模型中第i個基本事件事故概率變化率導(dǎo)致頂上事件事故概率的變化率，即基本事件因素事故發(fā)生概率的變化率與最終頂上事件事故發(fā)生概率的變化率的比值稱為臨界重要度。計(jì)算公式[4]如下：

(3)

2 海洋平臺的爆炸FTA

2.1 事故樹模型建立

資料統(tǒng)計(jì)和分析表明，海洋平臺具有極大的安全隱患，其主要危險(xiǎn)可歸納為:井噴、油氣泄漏、火災(zāi)爆炸[5]等。由于火災(zāi)爆炸屬于關(guān)聯(lián)最大的事故，因此將火災(zāi)爆炸作為事故樹模型的頂上事件，中間事件則由平臺爆炸和鉆井井噴組成。從多種渠道收集資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定事故樹模型的基本事件，事故樹具體模型如圖2所示。

圖2 海洋平臺的事故樹模型

2.2 事故樹模型定性分析

(1) 最小割集計(jì)算

最小割集描述造成海洋平臺事故發(fā)生的各種基本因素的結(jié)合，每個最小割集就是海洋平臺事故發(fā)生的一條途徑。利用布爾代數(shù)簡化法[4]得到事故樹模型的最小割集如下:

T=M1×M2

=(X1+X2+X3+X4+X5)×(M7+X6+X7)×(M8+M9)

=(X1+X2+X3+X4+X5)×(M10+M11+M12+X6+X7)×(X8+X9+M13+M14)

=(X1+X2+X3+X4+X5)×(X6+X7+X10+X11+X12+X10+X13+X14)×

(X8+X9+X15+X16+X17+X18)

由此可以計(jì)算出海洋平臺事故樹模型的210個最小割集：

S1=(X1,X6,X8); S2=(X1,X6,X9); S3=(X1,X6,X15); S4=(X1,X6,X16); S5=(X1,X6,X17)…

S43=(X2,X6,X8); S44=(X2,X6,X9); S45=(X2,X6,X15); S46=(X2,X6,X16); S47=(X2,X6,X17)…

S85=(X3,X6,X8); S86=(X3,X6,X9); S87=(X3,X6,X15); S88=(X3,X6,X16); S89=(X3,X6,X17)…

S127=(X4,X6,X8); S128=(X4,X6,X9); S129=(X4,X6,X15); S130=(X4,X6,X16); S131=(X4,X6,X17)…

S169=(X5,X6,X8); S170=(X5,X6,X9); S171=(X5,X6,X15); S172=(X5,X6,X16); S173=(X5,X6,X17)…

海洋平臺事故樹模型的最小割集表述了頂上事件發(fā)生的基本事件的組合，也就是事故方式的一種途徑。

(2) 最小徑集計(jì)算

將海洋平臺事故樹模型中的與門以及或門邏輯關(guān)系取反，即可得到 “成功樹”，然后再計(jì)算出“成功樹”的最小割集，即是海洋平臺事故樹模型的最小徑集。

T’=M1’+M2’

=(X1’×X2’×X3’×X4’×X5’)’+(M7×X6’×X7’)+(M8’×M9’)

=(X1’×X2’×X3’×X4’×X5’)+(M10’×M11’×M12’×X6’×X7’)+(X8’×X9’×M13’×M14’)

=(X1’×X2’×X3’×X4’×X5’)+(X6’×X7’×X10’×X11’×X12’×X10’×X13’×X14’)+

(X8’×X9’×X15’×X16’×X17’×X18’)

由此得出海洋平臺事故樹模型的3個最小徑集：

P1=( X1’,X2’,X3’,X4’,X5’)

P2=( X6’,X7’,X10’,X11’,X12’,X10’,X13’,X14’)

P3=( X8’,X9’,X15’,X16’,X17’,X18’)

(3) 結(jié)構(gòu)重要度

通過事故樹模型的最小割集得出基本事件的結(jié)構(gòu)重要度：

I(X5)=I(X4)=I(X3)=I(X2)=I(X1) >I(X})=I(X17)=I(X16)=I(X15)=I(X9)=I(X8) >I(X14)=I(X13)=I(X12)=I(X11)=I(X10)=I(X7)=I(X6)

海洋平臺事故樹模型的最小割集和最小徑集計(jì)算結(jié)果顯示：事故樹模型總計(jì)有210個最小割集、3個最小徑集。最小割集組合總體較多，說明海洋平臺事故方式的途徑非常多，同時(shí)表明導(dǎo)致海洋平臺火災(zāi)爆炸事故發(fā)生的因素多樣，有極大的復(fù)雜性。最小徑集為預(yù)防海洋平臺火災(zāi)爆炸事故發(fā)生的途徑，這里P1表示海洋平臺需要嚴(yán)格控制爆炸火源途徑；P2表示預(yù)防鉆井出現(xiàn)井涌；P3表示預(yù)防井控系統(tǒng)失效途徑。

3 事故樹模型應(yīng)用實(shí)例

“海洋石油981”是具有世界領(lǐng)先技術(shù)水平的深海鉆井平臺，是中國耗費(fèi)60億元自主設(shè)計(jì)建造的第六代深水半潛式鉆井平臺，因此“海洋石油981”平臺的安全格外重要。本文以此為實(shí)例通過事故樹模型分析其安全性。

3.1 事故樹模型重要度計(jì)算

為了驗(yàn)證海洋平臺的安全風(fēng)險(xiǎn)分析的合理性，將事故樹模型中的基本事件發(fā)生概率統(tǒng)一假設(shè)為0.025，通過式(1)、式(4)、式(5)計(jì)算出基本事件的結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和臨界重要度，同時(shí)以此對基本事件進(jìn)行分類，如表1所示。

表1 基本事件的重要度及其分類

3.2 事故樹模型頂上事件計(jì)算

事故樹模型頂上事件發(fā)生概率的求解使用布爾真值法[6]進(jìn)行：

(4)

當(dāng)事故樹模型的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜[6]時(shí)，采用式(2)的平均近似值：

(5)

式中：S為最小割集的個數(shù)；Si、Sj分別為第i個和第j個最小割集；qi為基本事件的發(fā)生概率。

由此計(jì)算出“海洋石油981”事故樹模型的頂上事件概率為0.002 7，即當(dāng)海洋平臺的事故基本影響因素概率假設(shè)為0.025時(shí)，海洋平臺發(fā)生事故的概率在0.002 7左右。在實(shí)際環(huán)境中，事故影響因素的發(fā)生概率可能遠(yuǎn)小于假設(shè)值。海洋平臺安全風(fēng)險(xiǎn)因素的發(fā)生概率需通過長時(shí)間大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析才能得到一個比較準(zhǔn)確的數(shù)值[7]，這里風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率只是一個假設(shè)值，不影響最終的計(jì)算結(jié)果。

3.3 海洋平臺事故預(yù)防措施

本文分析的海洋平臺事故風(fēng)險(xiǎn)主要集中在爆炸上，針對此風(fēng)險(xiǎn)提出預(yù)防措施：

(1) 爆炸火源?；鹪词呛Ｑ笃脚_爆炸的必然因素之一，任何火災(zāi)或爆炸的發(fā)生都是由火源引起的，因此需嚴(yán)格控制火源的產(chǎn)生。針對火源點(diǎn)，海洋平臺管理應(yīng)制訂一系列規(guī)章制度，保證海洋平臺遠(yuǎn)離危險(xiǎn)火源，如《工作人員行為規(guī)范》《嚴(yán)禁吸煙條例》《嚴(yán)禁攜帶火源條例》《靜電設(shè)備管理規(guī)定》等，通過規(guī)章制度的制定，最大限度地預(yù)防人為因素和控制火源點(diǎn)。同時(shí)，嚴(yán)禁在海洋平臺的生產(chǎn)作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行任何違章動火作業(yè)，并且采取在危險(xiǎn)易發(fā)生的作業(yè)區(qū)安裝防爆電器等應(yīng)對措施。

(2) 油氣泄漏。油氣泄漏是引起海洋平臺重大事故的主要因素，有效控制油氣泄漏是必不可少的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施。預(yù)防油氣泄漏的方法：首先，應(yīng)把好油氣生產(chǎn)設(shè)備的質(zhì)量關(guān)，采購質(zhì)量最好的設(shè)備，同時(shí)培訓(xùn)設(shè)備操作人員，防止由于操作人員失誤導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)失靈；其次，可在海洋平臺上容易出現(xiàn)油氣泄漏的作業(yè)區(qū)安裝可燃?xì)怏w探測裝置，及時(shí)向平臺管理人員發(fā)出報(bào)警信號。

4 結(jié) 語

(1) 確定了海洋平臺安全風(fēng)險(xiǎn)事故中易引起火災(zāi)爆炸的18種危險(xiǎn)源，將其作為基本因素，應(yīng)用FTA構(gòu)建海洋平臺爆炸事故的事故樹模型，并通過對事故樹模型的最小割集和最小徑集的求解，確定了210個爆炸事故的發(fā)生途徑以及3個爆炸事故發(fā)生最優(yōu)預(yù)防途徑。

(2) 以中國南海深海采油平臺“海洋石油981”為實(shí)例進(jìn)行模擬分析，假設(shè)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生基本因素的發(fā)生概率，通過事故樹模型計(jì)算出結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和臨界重要度，說明基本因素對海洋平臺事故發(fā)生的影響程度。同時(shí)，計(jì)算海洋平臺在一定時(shí)間內(nèi)事故發(fā)生的概率。

(3) 針對實(shí)例模擬分析的情況，有針對性地提出預(yù)防措施，確定安全風(fēng)險(xiǎn)因素預(yù)防的緩急，制定一套行之有效的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防條例，使海洋平臺的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防更具有理論依據(jù)。