海上石油平台定量风险评估

文章编号:1001-4500(2007)06-0038-05

海上石油平台定量风险评估

李　奇1,牟善军1,姜巍巍1,刘德辅2

(1.中国石化青岛安全工程研究院,青岛266071;2.中国海洋大学,青岛266003)

摘　要:介绍了定量风险定义、评估过程、量化的风险结果和风险标准。结合埕北12C平台

进行了定量风险评估,并提出了风险降低措施,为平台的安全生产提供了重要的指导意义。

关键词:风险;危险识别;失效频率分析;失效后果分析;定量风险评估

中图分类号: P75 文献标识码:A

随着海洋经济时代的到来,人类在海洋上的作业越来越多,海洋石油平台已成为海上广为流行的离岸建筑物,并且由过去的固定式导管架平台发展为活动式、张力腿式,由浅水逐渐向深水发展。海洋石油平台的可靠性显得尤为重要。一旦结构失效,不仅会造成巨大的经济损失,而且还会有严重的人员伤亡和环境污染。目前,挪威、英国等海上石油强国已经拥有了比较完善的海上石油设施风险评价体系。我国海上石油工业起步较晚,但随着我国渤海二号翻沉(72人死亡),J eve Sea钻井船在莺歌海的倾覆(81人死亡),珠江口惠州铺管船翻沉(22人死亡),以及其他海难事故,也充分显示了海上石油平台风险评估的重要性。

海上石油设施属于重大危险源之列,对海上石油设施开展风险评估技术研究是海上设施风险管理的重要构成部分,也是海洋减灾防灾体系的基础要素。目前,我国海上石油作业及其相关设施的建设尚属发展时期,海上石油设施的风险管理体系尚未建立,适用我国海上设施的风险评估技术更是缺乏。建立一套海上石,对于建立我国的海上设施风险管理和监督体系具有重大意义。

1　定量风险评估

1.1　定量风险定义

风险评估技术作为企业风险管理的核心,是统筹考虑系统本身的复杂性、关联性和不确定性,对其存在的风险作概率和后果分析,进而评价系统的安全状况,为安全管理提供可靠依据和科学指导。定量风险评估是对某一设施或作业活动中发生事故的失效频率和后果进行表达的系统方法,也可以讲它是一种对风险进行量化管理的技术手段。在定量风险评估中风险的表达式为[25]:

(f i×c i)(1)

R=∑

i

式中:f i表示事故发生的频率;c i表示该事件产生的预期后果。

在风险评估过程中,衡量风险通常考虑以下3个方面:人员风险(包括:团体风险和个人风险)、环境风险和财产风险。目前,在安全方面的评估中对于定量风险评估一般采用人员风险作为衡量指标。

1.2　定量风险评估过程

定量风险评估作为风险评估技术之一,基本过程包括:调研、资料收集、危险辨识、对危险发生频率的评估、对危险产生后果的评估和风险评估等过程[2],海上石油设施的生产活动中存在着许多危险,如火灾、井喷、落物、碰撞、平台结构失效等。这些危险都严重威胁着安全生产。通过定量风险评估,把每一类危险从其失效频率和失效后果两个方面进行量化。如果一个事件可能导致多个结果,则采用事件树的方法来进行风

险计算。风险的最终结果用人员风险来量化最终的风险值。定量风险评估的基本过程,见图1。

收稿日期:2007203226

作者简介:李奇(1976Ο),男,硕士,工程师。从事石油工程风险评估。

图1　定量风险评估的基本过程

量化的风险水平是否在可以接受范围之内,是否需要额外

的安全系统来将风险降低到一个尽可能低的水平或可以承受的

程度,这需要根据风险接受准则来进行比较。由于我国目前还

没有一个统一的风险接受准则,因此,一般采用AL ARP (As Low As Reasonable Practice )原则(图2)作为唯一可接受的风

险原则。ALA RP 原则要求尽可能降低风险,同时这样低的风

险程度应该是能够实现的[3]。

AL ARP 原则用途是作为使风险降低到最低合理可行的一

个准则,可以这样理解:

1)风险水平超过容许上限,除特殊情况外该风险无论如何

不能被接受,该平台方案不能通过,现存平台必须停止运营。

2)风险水平低于容许下限,该风险可接受,无需采取安全

改进措施。

3)风险水平在容许上限和下限之间,即在AL ARP 区是介

于可接受风险和不可接受风险之间的可实现的风险范围。处在

这个范围内的风险应满足使风险水平“尽可能低”这个要求,来

尽可能的降低风险水平。

图2　AL ARP 原则

1.3　定量风险表征人员风险一般表示为人员死亡的风险,对于人员风险的团

体风险(PLL )和个人风险(IRPA )分别定义如下[4]:团体风险:

它衡量的是作业对公司、对行业或者社会的风险。社会风险的

表述有许多种,对于海上设施来讲最经常用的是“潜在丧生的可

能性”。PLL 定义为每年死亡人数的长期评价值,用数学表达

式表示为:

PL L =∑i (f

i ×N i )(2)式中:f i 为事故i 发生的频率;N i 为事故i 发生造成死亡的人数。

PL L 衡量的是作为一个整体的一群人所面临的风险,它并不能够详细地指出哪类人员更有可能遭遇风险。在对不同风险消减措施的有效性进行评价时,最恰当的方法是对它们的PL L 值进行比较。

个人风险指的是“个人每年的风险”。这一指标考虑了个人暴露于风险的平均时间,基于平台上的配员水平,IR PA 值的估算如下:

IR PA =PL L POB ×T 8760(3)

式中:T 为每个人在海上停留的平均时间,以小时计;POB 为平台上人员的配备数。

在海上石油工程定量风险计算中,对人员死亡风险常采用以下3类进行统计:1)立即死亡:由于意外事故导致人员的直接死亡;2)逃亡死亡:人员从最初的事件(如火灾或爆炸)发生地逃生或从相邻区域逃生的过程中的死亡;3)撤离死亡:在事故发生期间,人员在撤离期间和营救期间发生的死亡。

定量风险评估作为一种工程技术手段,揭示了意外事故发生的机理和各种防护措施在事故发生过程中的作用[5]。

2　埕北12C 井组平台的定量风险评估

利用定量风险评估的方法对埕北12C 平台进行风险评估,评估的主要目标是要确定平台的设计是否满足一系列标准中所规定的性能要求,其中包括:将海上工作人员的个人风险进行量化;确定出主要的风险要

素;针对有关的风险标准对平台风险水平进行评估,最后根据需要提出风险控制措施建议。

2.1　埕北12C井组平台

埕北12C井组平台的能力按6口井设计,油层均为馆陶组上段,初期为自喷生产,停喷后靠电潜泵或裸杆泵采油,生产的油气经加热计量后进海底管线井CB12B井组平台输送至埕岛中心一号平台。原油计量采用质量流量计计量,原油计量温度必须大于50℃,计量时应将磁翻板油管路关闭,且待油气分离稳定后方可计量。气体计量采用旋进旋涡流量计计量,量气时应将磁翻板量油气出口关闭。原油与天然气都将通过三通调节阀汇合后进海底管线。

2.2　危险辨识

危险识别是对可能导致伤亡的情况进行确定的一个系统过程。定量风险评估总的危险识别是为了对需要进行定量模拟的失效情况进行选择,对可能发生事故的一个量化的审查过程。针对埕北12C平台,采用系统的危险识别方法识别出的危险有:工艺泄漏、立管泄漏、井喷、碰撞、极端海况下的结构危险和非工艺火灾危险等。

2.3　失效频率分析

失效数据是定量风险评估的基础,目前定量风险评估中失效频率的评估一般都是基于历史失效数据进行的。事故的频率主要是通过事故发生的次数和装置暴露的密度来计算[6]。

事故频率=

事故发生的次数

装置数×暴露时间

(次/(台?年)) (4)

本次评估中对工艺泄漏、立管泄漏等危险采用了OREDA数据来进行分析。OREDA主要是根据海上石油设施上的设备的维护、检测和试验报告等得到的一些可靠性数据。大部分数据来源于英国和挪威的有关部门,由挪威10家主要的石油公司完成。数据库中对于不同类型和不同失效模式的部件以90%的置信区间表示了部件的失效频率。

对于极端海况下平台结构的失效频率采用了多维联合概率的方法进行求解[7,8]。平台结构系统在多个荷载作用下整体倾覆的概率P f,即多元随机变量的联合概率密度在失效域的积分,可表达为求解下面的联合概率问题:

P f=κG<0…∫f(X1,X2,…,X n,R)d X1,d X2,…,d X n(5)式中:f(X1,X2,…,X n,R)为联合概率密度函数;X1,X2,…,X n分别表示风、浪、流、冰等环境荷载对平台产生的倾覆荷载效应。实际工程中,利用重点抽样法来在结构可靠度分析时计算失效概率P f。下面以只有两个独立随机变量—结构抗力R与荷载效应S的二维情况作简要说明。设R,S为统计独立的随机变量,其均值与标准差分别为μR、μS及σR、σS。极限状态方程为:

Z=R-S=0(6)

则可靠度指标β=μ

Z

σ

Z

=

μ

R-

μS

σ2

R+

σ2S

(7)

μ

Z,

σZ为安全裕度Z的均值与标准差。对R与S作标准化变换,在标准化坐标系中,β的几何意义是自原点至失效界面的垂直距离,即最短距离。通过β可以找到设计验算点(失效概率最大的点),把该点取为重点抽样密度函数h Y(x)的均值点。

2.4　失效后果分析

后果评估是定量风险评估中必需的一部分。后果分析主要是通过使用一些理论模型来预测事故的影响范围。与后果相关的理论模型有:泄漏源模型、扩散模型、爆炸模型、热辐射模型等[9]。现在,多数后果模型都已经实现了计算机化,可以使用一些商品化的软件来进行计算。在风险评估中,利用这些理论模型可以确定事故的各种结果对人员、环境和财产损失的影响。

例如对于海上石油平台易燃物质泄漏,后果分析主要有以下几方面:(1)泄漏量计算(包括泄漏数量、速

率、持续时间等);(2)泄漏扩散计算;(3)引燃可能性计算;(4)火灾辐射计算;(5)爆炸计算。火灾辐射计算根据泄漏的物质、点燃的时间、充满的区域和泄漏压力等分为喷射火、池火或扩散火和闪火3种类型,图3是喷射火的辐射通量图。

图3　气体中孔泄漏喷射火的辐射通量图

2.5　埕北12C 平台风险结果

通过以上对埕北12C 平台存在主要危险的风险评估,汇总如下(见表1,表2)。

表1　埕北12C 平台的团体风险

风险

PLL 值计量平台井口平台合计百分比(%)工艺风险

1.9×10-5

2.7×10-5 4.6×10-5 4.20立管风险

3.2×10-5 2.3×10-5 5.5×10-5 5.03井喷风险

1.3×10-6 5.1×10-6 6.4×10-60.59碰撞风险

4.0×10-4 2.0×10-4 6.0×10-454.8结构风险

1.6×10-4

2.2×10-4

3.8×10-43

4.7非工艺火灾风险

0.5×10-6 6.4×10-6 6.9×10-60.631总计 6.1×10-4 4.8×10-4 1.1×10-3100

表2　CB 12C 平台的个人风险

风险

IRPA 值计量平台井口平台合计百分比(%)工艺风险

8.0×10-7 3.9×10-7 2.6×10-6 4.13立管风险

1.4×10-6 3.3×10-7 3.1×10-6 4.92井喷风险

5.4×10-8 4.9×10-8 3.7×10-70.59碰撞风险

1.7×10-5

2.9×10-6

3.4×10-553.97结构风险

6.8×10-5 3.2×10-6 2.2×10-534.92非工艺火灾风险

2.0×10-7 1.2×10-7 6.4×10-7 1.02总计8.8×10-57.0×10-6 6.3×10-5100

通过上面可以看出,平台埕北12C的风险为:

团体风险为:1.1×10-3;个人风险为:6.3×10-5。

根据AL ARP准则,只把个人风险为判定依据,尽管“团体风险”超过了“容许上限”,但是埕北12C平台的IRPA值6.3×10-5小于AL A RP的1.0×10-3,所以,整个平台的风险处在可接受的范围之内。

2.6　埕北12C建议措施

根据风险评估的结果,建议采取以下风险降低措施。

(1)针对工艺设备和立管泄漏的风险,建议对平台上的工艺设备和管道采用一套完整的检验程序进行检验,以降低工艺设备和管道的泄漏频率。同时,在评估过程中发现虽然设备和管道都涂着防护层,但是有很多地方涂层质量较差,在海上很容易形成腐蚀环境,从而加快设备的腐蚀,造成设备和管道的失效。建议使用基于风险检验(Risk-based Inspection,即RBI)的方法对这些工艺设备和管道进行检验,或对设备实行在线的无损检测。RB I技术以风险为基础,通过设备失效机理和风险的分析来确定设备检验的方法、检验周期和检验程度。

(2)建议尽量减少修井期间在井口平台的工作人员,通过减少人员数量来降低井喷的风险。

(3)碰撞风险在整个平台风险中占有较大比例,日常生产管理中要着重控制好海上船舶与平台的碰撞。

参考文献

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QUANTITATIVE RISK ASSESSMENT OF THE

OFFSH ORE PETROL EUM PLATFORM

LI Qi1,MU Shanjun1,J I ANG Weiwei1,LI U Defu2

(1.SINOPEC Safety Engineering Instit ute,Qingdao266071,

2.China Ocean University Off shore Engineering College,Qingdao266003,China)

Abstract:　This paper int roduces t he definition,p rocess,risk value and risk standard of t he quantitative risk assessment.Then,quantitative risk assessment of CB12is carried out,and some measures t hat reduce t he risk are offered.So,it can guide to t he safety production of t he platforms.

K ey w ords:　risk,hazard identification,failure frequency analysis,failure consequence analysis,quantita2 tive risk assessment