海上油田設施關鍵設備性能指標研究與應用

宋書貴，陳 濤，姚夢彪，孟凡磊

（中海油安全技術服務有限公司，天津 300457）

0 引言

預防重大事故的發(fā)生，避免人員、財產、環(huán)境和公司聲譽的損失，確保穩(wěn)定、安全生產是企業(yè)的基礎目標，也是設備管理的重要內容。

目前國外對安全關鍵設備性能指標的研究比較成熟，并在石油行業(yè)中得到廣泛應用。Rahul Dhar 指出安全關鍵設備（SCE）的全生命周期管理包括識別重大事故風險（MAH），識別能夠引起、促成、預防或阻止重大事故事件的發(fā)生的SCE，并為已確定的SCE 制定性能指標（PS），分析了識別SCE 的過程，MAH、SCE、PS 以及PS 驗證之間的關系[1]。Julien Marty 等探討了SCE 的獨立驗證問題，同時指出識別SCE 和制定PS 是管理者和操作者的責任之一，管理者和操作者必須將此作為重要管理目標之一[2-3]。Matthew D.Tremblay 等研究了海上油田設施基于風險的驗證（RBV）問題[4]，并給出了RBV 的實施過程。J A Healy 研究了安全關鍵設備在資產管理過程中的應用，給出了對安全關鍵設備的管理內容。

Total 公司針對安全關鍵設備識別在內部的管理文件中給予了明確要求，所有的項目都要進行SCE 識別。Shell 公司在2005 年發(fā)布了識別SCE 的指導手冊。DNV 建立了詳細的設備性能指標建立的程序。另外，Conocophillips、ABS 等均建立了SCE 管理的程序。

國內方面，中海油制定了性能指標的管理程序，并陸續(xù)開始在新建項目上應用安全關鍵性能指標進行試點，但總體來說，國內對相關領域的研究還比較薄弱。分析海上油田設施安全關鍵設備的識別和性能指標的建立，建立一套切實可行的方法，對海上油田設備設施的完整性管理具有重要意義。

1 相關概念

1.1 MAH 包含內容

（1）引起平臺人員死亡或重大傷害的火災、爆炸或危險物質泄漏事件。

（2）能夠對裝置結構或附屬設備造成重大傷害的事件，以及使裝置失去穩(wěn)定性的事件。

（3）直升機碰撞平臺。

（4）平臺救逃生系統失效。

（5）導致5 個或以上平臺人員死亡或嚴重受傷的事件。

1.2 SCE

引起或消除以及減緩MAH 的平臺設備或相關因素，包括雖然不能直接導致MAH，但其失效能導致一系列的事件，進而引起MAH 的設備或單元。

1.3 PS

PS 是在平臺全生命周期管理過程中，對系統、設備、人員以及風險管理程序進行的定性或定量要求的描述。PS 應當和系統、設備、風險管理程序等的需求相符，一般包含功能性、可用性、可靠性、生存性和交互性。

2 安全關鍵設備性能指標建立

2.1 安全關鍵設備性能指標建立步驟

通常，安全關鍵設備性能指標的建立分為3 個步驟，即安全關鍵設備識別，性能指標編寫和驗證（圖1）。

圖1 建立關鍵設備性能指標步驟

2.2 安全關鍵設備識別

安全關鍵設備識別過程如圖2 所示，首先采用HAZID 方法，對設備設施進行危害識別和風險評價，進而確定重大事故危害（MAH）。SCE 識別的過程，就是確定設施內所有可以控制、預防、探測和緩解MAH 要素的過程。通常使用Bow-Tie 方法，畫出相關的邏輯關系，然后對應設備臺賬，逐個識別關鍵設備，一旦確定MAH，SCE 就隨之確定。采用HAZID 方法識別SCE，應當注意考慮3 點。

（1）確保相關的風險評價過程正確進行。

（2）確保相關的參考標準和文獻適用。

（3）確保HAZID 會議符合要求。

2.3 性能指標編寫

圖2 安全關鍵設備SCE 識別過程

對于每一個識別出來的SCE，都需要制定其性能指標（PS）。制定性能指標首先要識別關鍵要素的目標、系統/設備描述和邊界。PS 應該包含5 個部分。

（1）功能性。設備必須具備相關功能方可達到目標。

（2）可用性。設備在需要時可以正確發(fā)揮其功能。

（3）可靠性。成功執(zhí)行的頻率。

（4）生存性。若發(fā)生火災、爆炸、振動、船舶碰撞等，或在極端天氣條件下，相關設備保證正常運行一定時間的能力。

（5）交互性或相關性。保證一個或相關關鍵設備正常運行的能力。

性能指標可以是定性或定量的描述，制定性能指標的關鍵之一是確定某一關鍵設備要達到的目標。如應急關斷閥的典型性能指標包括失效關閉，在一定時間內關閉，達到一定可用性。性能指標編寫流程如圖3 所示。

2.4 制定驗證計劃

對于每一個SCE，均應由第三方獨立的、能力足夠的人員進行性能指標驗證。針對不同的性能指標，需要執(zhí)行具體的任務和計劃。驗證計劃有多種方式，例如可以采用檢查表的形式，內容包括設定值，目視檢查等確認性能指標。

驗證計劃將重點關注工程階段，從設計、采購直到制造、安裝、調試，以確認設備的性能達到預定的要求。驗證計劃列表將給出需要做什么、誰來做、什么時候做等詳細信息。驗證內容應包含以下部分。

（1）需要做什么。描述將要執(zhí)行的檢查活動，以驗證每個性能要求是否達到規(guī)定的標準。

（2）檢查活動的類型。如，檢驗、見證、審核，監(jiān)控。

（3）檢查活動的詳細程度。如，樣品抽查的比例。

（4）活動執(zhí)行的頻率（部分活動可能僅適用在初始階段）。

（5）為了更好控制和報告，對每個檢查活動進行編號（最佳的做法是與高風險的設備和性能要求的編碼聯系起來）。

（6）每個活動都應與一個具體的性能要求和高風險設備相關聯。

（7）具體的文件和過程記錄（如，計劃性的維護活動，滾動的檢驗程序）是驗證的基礎，或是檢查活動的部分參考。

圖3 性能指標編寫流程

驗證的水平和詳細程度，取決與安全關鍵設備的重要程度，典型的驗證活動所關注的驗證點見表1。

表1 典型驗證活動內容

3 實例

以某正在建設的井口平臺為例，識別其安全關鍵設備，制定相應的PS 及驗證計劃。平臺安裝完成后，作業(yè)區(qū)域為渤海海域中南部，平均水深27～33 m。

3.1 對平臺進行風險評價，識別出相應的MAH

在危險識別過程，很難對一個范圍很大的節(jié)點討論所有的隱患。需要把整個項目分成多個節(jié)點。然后利用檢查清單里的引導詞，對各個節(jié)點反復討論，以識別項目或裝置的各種隱患。但是由于平臺的特點和HAZID 方法需要從大方向考慮問題的特點，針對某平臺在進行HAZID 分析時，可以對其進行節(jié)點劃分，見表2。

表2 某平臺節(jié)點劃分結果

在完成對平臺的節(jié)點劃分之后，建立相應的引導詞，以便于對平臺進行系統的全方位的風險識別，表3 為進行風險識別時，確定的部分引導詞示例。

表3 某平臺HAZID 分析引導詞

節(jié)點劃分完畢后，HAZID 分析組長將對某一個節(jié)點，引導組員進行HAZID 分析。具體過程包括：

（1）組長向小組成員介紹該節(jié)點的具體內容，并回答組員的提問。

（2）小組成員評估每個引導詞的適用性，刪除不適用的引導詞。

（3）組長使用經評估同意的引導詞，向組員提問，以識別隱患潛在的原因和后果。

（4）對于識別出來的隱患，小組成員評估是否已經有適當的控制措施，進行預防或控制。

（5）在沒有控制措施或控制措施不充分的情況下，小組成員對隱患的控制提出改進意見。

（6）技術秘書對所有的小組成員的所有討論進行記錄。

（7）討論完成后，對該節(jié)點重復使用其他引導詞。同時，一個節(jié)點討論完后，轉到下一個節(jié)點進行分析討論。

分析完成之后，建立相應的風險分析報告表。在表中，某一危險源采取保護和控制措施之后的剩余風險值仍然較高時，就被視為重大事故危害。

經過HAZID 分析，識別得到某平臺的MAH（表4）。

表4 某平臺MAH

3.2 以平臺設備開排系統為例，識別其是否屬于SCE

安全關鍵設備（SCE）的目的是為了預防、控制或緩解重大事故發(fā)生的影響。其風險控制措施分為6 類。

（1）安全設計。通過設計來消除或降低風險。

（2）預防。降低失效發(fā)生的可能性。

（3）探測。在線監(jiān)測或預報失效的發(fā)生。

（4）控制。限制風險的規(guī)模、強度和持續(xù)時間。

（5）緩解。緩解后果的嚴重程度。

（6）應急響應。溢油、解脫/拖航、火災爆炸等場景應急方案。

SCE 的關鍵性是功能性分數、后果嚴重度分數和可替代性分數三者的乘積，其分類為高：12～18 分；中：6～11 分；低：1～5 分。

功能性分類及其分數分別為：①本質安全，3；②預防，3；③探測：3；④控制，2；⑤緩解，1；⑥應急響應，1。

后果嚴重度分類為：①中等（1 分），僅該SCE 安全功能的喪失不會造成人員的傷亡；②顯著（2 分），SCE 安全功能的喪失可能導致人員傷亡；③重大（3 分）：SCE 安全功能的喪失將導致大量人員傷亡和嚴重裝置損壞。

可替代性分類為：①否（2 分），當該部件失效時，沒有其他有效部件、子系統、或主要系統能夠執(zhí)行其功能；②是（1 分），當該部件失效時，有一個其他部件，能夠執(zhí)行相似的功能，并滿足性能指標的要求。

開排系統SCE 識別程序見表5。

表5 開排系統識別程序

3.3 制定相應的PS 及驗證計劃

首先通過識別的SCE 來制定對應的性能指標，包括：防止液體火災通過開排漫延；防止可燃氣通過開排聚集；防止蒸汽或可燃氣通過開排擴散；確保排空大量應急排放（噴淋系統等），避免過度積累；防止烴類物質入海。開排系統性能指標見表6。針對不同的性能指標，制定相應的驗證計劃。開排系統驗證計劃見表7。

4 結論

（1）安全關鍵設備性能指標的建立分為安全關鍵設備識別，性能指標編寫和驗證計劃的制定等3 個步驟。

（2）識別MAH 是識別SCE 的前提，根據識別出的MAH，結合設備臺賬和風險矩陣，逐項識別設備是否屬于SCE。

（3）對于每一個識別出來的SCE，都需要從功能性、可用性、可靠性、生存性和交互性等方面出發(fā)制定其性能指標（PS）。

（4）每個PS 制定對應的驗證計劃和實施階段。驗證水平原則上由SCE 的關鍵性決定，其受資產、部件、生命周期階段、公司規(guī)定和技術標準要求而不同。

本文以海上井口平臺應用為例，闡述了安全關鍵設備的識別及其性能指標制定和驗證的方法，旨在為海洋石油工程及其他油氣田開展類似的工作提供借鑒，對設備設施全生命周期的安全管理具有重要意義。

表6 開排系統性能指標

表7 驗證計劃