固定式海洋平臺結構風險設計方法綜述

李曉冬，唐文勇

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室,上海 200240; 2. 青島理工大學 山東省城市災變預防與控制工程技術研究中心,山東 青島 266003)

固定式海洋平臺結構風險設計方法綜述

李曉冬1，2，唐文勇1

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室,上海 200240; 2. 青島理工大學 山東省城市災變預防與控制工程技術研究中心,山東 青島 266003)

海洋平臺的結構設計中主要考慮海洋環境和工作荷載作用，但近年來事故荷載的影響日益引起設計者關注。在此背景下，以固定式導管架平臺結構為目標，綜述當前針對事故荷載的風險設計方法的應用現狀。首先論述在事故極限狀態設計中應用風險分析的必要性；隨后綜述通用規范，如NORSOK、DNV、API等規范系列中對風險分析方法的使用現狀，包括風險決策的不同層次、安全標準的各類形式，重在分析各類規范相關規定的異同，探討各類方法的適用性；最后結合我國現狀，論述若針對事故荷載編制基于風險方法的設計規范，目前尚存的問題，以及解決途徑。

海洋平臺；結構設計；基于風險的設計；安全水平；風險分析；概率法

Abstract: Traditionally, the effects of ocean environmental loads and working loads are normally assessed in offshore structural design, but the accidental loads effects have gotten more and more attention recently. In this context, the application status of risk-based accidental limited state design methodology especially for fixed offshore platform structures were commented. In detail, the necessity of using risk analysis method in accidental limited state design was firstly analyzed. Consequently, some risk-based design methods in general standards, e.g. NORSOK, DNV and API standard, were summarized, which involved different levels of risk decisions and kinds of risk acceptable criteria. On this basis, the features and advantage of these provisions in different standards were compared in order to understand their applicable condition. At last, the present problems and solutions of drawing up risk-based design codes of offshore structures under accidental loads in China were discussed.

Keywords: offshore platform; structure design; risk-based design; safety level; risk analysis; probability method

海洋工程結構的設計方法主要有工作應力法(WSD)和荷載抗力系數法(LRFD)[1]。WSD法是比較成熟的確定性方法，而LRFD法是簡化的概率法。挪威船級社的DNV規范傾向于使用LRFD法[2]，而美國石油學會的API規范推崇WSD法，但1992年以后也推出了基于LRFD法的規范，當前兩個版本并行使用[3-4]，說明概率法設計代表先進發展方向。中國海洋石油領域采用API規范，因此也建立了并行的行業標準[5-6]，但當前仍使用WSD法為主，這是因為API的LRFD法中使用的各類荷載值及荷載系數是根據美國墨西哥灣的情況確定的，在我國海域直接使用存在誤差。近年來，我國專家對LRFD展開大量研究，例如通過標定計算，分析適合我國各海區的荷載及系數。此類工作中，最新的課題當屬對事故載荷的研究。

傳統的固定式海洋平臺結構設計不考慮事故載荷(例如火災、爆炸、船舶碰撞、高空落物，等等)的作用，人們經驗上認為：事故雖然破壞性強，但屬于低頻率偶發事件，對平臺的安全威脅不大。但近幾十年來，隨著海洋開發的不斷深入，海洋平臺屢次發生惡性事故，例如：“Herald of Free Enterprise”(1987)、“Derbyshire”(1980)和“Piper Alpha”(1988)等事故造成巨大人員傷亡，而“Amoco Cadiz”(1978)、“Prestige”(2002)、“Deepwater Horizon”(2010)等造成嚴重環境災難。這些事故引起世界廣泛關注，也促使設計者開始重視平臺結構在事故中的安全表現。當前，API和DNV的結構設計規范均已包含了應對事故荷載的內容。事故不同于環境載荷，其發生發展過程主要受設備失效、人為失誤的影響，不確定性因素更多、更復雜。為此，API和DNV規范均引入了更高級別的概率方法——“風險分析”作為安全評估工具。

針對上述情況，以固定式海洋平臺為例，綜述針對事故荷載進行風險設計的相關問題。具體來說，首先論證“為什么”，即從理論角度分析為什么需要用風險方法評估結構安全能力。隨后綜述“怎么做”的問題，即如何開展基于風險的設計，包括不同層次的風險決策、不同形式的安全標準。最后論述“可行性”，即探討針對事故的風險設計仍存在的問題，當前的研究熱點和進展。本文可以為我國編制專門應對事故的，具備國際先進水平的、基于風險的結構設計規范提供參考。

1 針對事故荷載的設計方法

1.1極限狀態法設計

當前海洋平臺結構設計已很少依據彈性理論，大多使用極限狀態設計，即規定一些特定極限狀態，當結構整體或局部超過這一狀態時即認為不符合設計要求。根據荷載特點可把極限狀態分成四類：承載極限狀態(ULS)；疲勞極限狀態(FLS)；工作條件極限狀態(SLS)和事故極限狀態(ALS)。ALS中，結構安全校核應該針對兩個問題：一是結構抵抗事故荷載的能力；二是事故后結構局部受損，其繼續抵抗環境荷載的能力[7]。

1.2基于概率法進行設計

極限狀態設計中，WSD法是確定性方法，成熟且使用簡便，但也存在明顯不足：假定各類荷載和結構抗力是確定值，安全校核時要求荷載效用之和必須小于結構容許應力。但實際上荷載和抗力都是隨機變量，符合一定分布規律，要求結構可以抵抗所有可能出現的極端荷載，經濟上難以承受，也無必要。事故荷載的隨機性高且破壞性強，使用上述原則尤其不合適。解決問題的途徑是可靠度設計法，其關鍵是制定目標安全水平(荷載小于抗力的概率)，來代替絕對安全的原則。但在設計實踐中使用完全基于概率的方法有困難，例如各類不確定性(包括統計不確定性、模型不確定性、人為假定等等)必然會影響可靠度分析的準確性。

面對上述兩難的情況，LRFD法是一個折中的方案。LRFD雖然與WSD的設計原則類似，也要求荷載效用之和小于結構抗力，但荷載特征值不是根據經驗取定，而是根據荷載的統計分布，按照一定安全標準取其下限分位值。另外，LRFD分別設立抗力系數和荷載系數，根據各類荷載的變異大小，取不同系數，從而使結構面對不同荷載時具備統一的安全水平。對于標準化的設施，由規范推薦各類荷載及系數的取值，設計者直接采納進行安全校核即可。LRFD是對可靠度設計的簡化，因此也稱半概率方法。

1.3基于風險的設計

風險評估和結構可靠度分析一樣，也是概率方法，但兩種方法屬于不同理論體系。結構可靠度分析是結構設計方法，僅以結構為研究主體，以其失效概率衡量結構安全水平。而從安全理論來說，系統在外部威脅下表現出的安全水平通常由風險值衡量。在定量風險評估中，風險值等于損失(人員傷亡、環境污染或財產損失)與該損失出現概率之積，風險越小系統越安全。

海洋油氣設施是復雜系統，包括結構、工藝、存儲、錨泊等子系統，結構風險只涉及和結構損傷有關的事故(其它事故，如火災直接造成人員傷亡等不予考慮)，是平臺總風險的一部分。理論上說，基于風險的設計應確保平臺系統面對各類威脅表現出的總風險值低于一個可接受水平。但現實中很難實現，目前仍是各類子系統分別設計。具體對結構系統而言，更是針對不同威脅和不同失效模式分別校核其安全性。結構的安全威脅主要是外荷載作用，ULS、FLS、SLS和ALS四類狀態下外荷載的性質是不同的(如表1所示)。

表1 結構安全威脅的對比分析

ULS、SLS和FLS研究的是正常工作狀態下的結構失效問題，直接原因是工作與環境荷載作用；但由于這些荷載無法避免，結構失效的本質原因其實是自身安全閾值不足，和其它系統無關。在風險設計中，當結構失效的后果確定時，可以僅用結構失效概率表征風險水平。因此，面對正常工作荷載，采用可靠度方法評價結構安全是合理的，當前各類規范也主要是采用可靠度方法的簡化方式——“半概率法”進行設計(如1.2所述LRFD法)。

而ALS的發生與結構系統無關，內在原因是其它子系統失效(如設計建造的質量缺陷；閥門泄漏；防火預警失靈等)，直接原因是人為失誤，結構失效僅是事故的結果之一。此時，結構安全評估的任務十分復雜，包括確認：哪些事故場景需要考慮？事故荷載的分布規律？哪些是結構安全關鍵構件？等等。這些問題都需要經典的風險分析方法解決。

但是對于成熟的海洋設施(固定海域、標準化的布置及構件類型)，主要事故威脅、安全關鍵構件明確，而且可以參考事故記錄、設計經驗，得到完整的事故載荷分布規律，從而具備了和ULS相似的計算條件，因此也可以用可靠度方法或LRFD法評價結構安全。詳細應用情況將于第2節論述。

2 基于風險的設計決策體系

2.1概述

API把使用風險方法進行的設計決策歸納為三類任務：基于風險的篩選；基于風險確定名義載荷和基于風險的設計[8]。由圖1可見：事故篩選是ALS設計的首要工作，合理的途徑是以風險作為指標，選取對結構影響大的事故進行安全校核。具體設計中，條件允許時，LRFD因1.2所述優點，是首選方法，此時需借助風險標準確定名義荷載，當極限狀態方程校核無法達標時，可以進一步借助風險評估來判斷結構能否滿足安全目標；另外對于無法確定名義荷載的結構物，也必須直接使用基于風險的安全評估。

圖1 基于風險的ALS設計決策框架Fig. 1 Decision-making procedure of risk based ALS design

2.2基于風險的篩選

在結構設計初期，需要決策是否針對某類事故進行ALS設計。按照DNV-OSS-121規范的規定，該決策過程是“利用風險指標把影響微小或次要的危險排除，這包括那些極不可能發生的危險及其次生災害(由于某類保護措施有效)，或者那些對人員及財產造成后果極小的危險類型?！盵9]

在風險評估方法體系中，進行此類決策使用風險識別方法；由于設計初期缺乏具體數據，使用HAZOP、FEMA、WHATIF等定性方法是常見選擇[10]。例如，API-RP-2FB規范是針對火災爆炸危險的結構設計規范，由于此類事故通常與原油泄漏、點燃等工藝風險有關，規范使用“工藝設施檢查法”進行風險識別[8]，符合下列情況時認為火災爆炸風險足夠小，以至不需進行ALS設計：就事故后果來說，平臺應該擁有少量設備，如有限的井口、儲罐及其附屬管道(對應較低庫存)；空間足夠開放(包括甲板在內不超過兩個固體邊界)；無人值守，等等。就事故發生來說，與后果因素相似，要求平臺小、工藝簡單(對應較低泄漏和點燃頻率)；設備數量少；低頻率管控、維護(對應較少失誤)，等等。

2.3基于風險確定名義載荷

NORSOK和DNV的相關規范[2, 11-13]主要針對北海的固定式導管架平臺編制，這些平臺設計方案成熟，有完善的事故記錄，因此規范采用LRFD法。

例如NORSOK-N-001規范[11]要求按照超越概率10-4的標準確定事故載荷的名義值，而此超越概率是由風險標準倒推出來的。圖2演示了該過程，其中有兩處代換體現了LRFD其實是風險設計的簡化：首先，以載荷超越概率10-4代表結構受損概率，此簡化忽略了結構抗力的不確定性，結構失效概率主要由事故載荷不確定性決定。另外，假設平臺在整體傾覆時造成的后果固定，因此以平臺傾覆概率代表死亡50～100人事故的出現概率，即以結構可靠度指標代換了事故風險指標。

上述基于LRFD的規范雖然以風險值提出目標安全水平，但卻通過圖2中的過程對事故荷載提出名義值，并規定事故載荷系數取1；因此還不屬于基于性能的設計(performance based design)，仍然是基于規定的設計(prescriptive based design)。

圖2 名義載荷確定過程Fig. 2 Procedure of determining nominal loads

2.4基于風險進行設計

直接基于風險的設計應該由規范提供目標安全水平，規定風險評估流程；在設計中，由設計者具體評估風險大小，并采取控制措施以確保平臺可以達到安全目標。使用這類風險決策是真正基于性能的設計，能給予設計者更多自主權。許多國家以法令形式規定對海洋平臺進行安全評估，DNV-OS-A101[9]和NORSOK-Z-013[14]規范也都曾對安全評估方法做過介紹。但此時的安全評估不僅是安全管理的文件，更要作為結構設計的決策工具。風險評估與結構設計過程的關系可用圖3來表示。

圖3(a)是DNV-OS-A101規范提出的風險設計一般過程，深色部分是必須由安全評估完成的任務。此時，風險識別須找出三類目標：減小風險的措施；關鍵構件及其關鍵性能參數；事故場景(事故怎樣發生、發展，造成結構怎樣失效，等等)。風險估計選用的方法及精度則由設計決策的具體需要來定。風險評價使用的安全標準由設計規范設定。減小風險措施包含三種類型：移除危險源；減少危險發生；緩解事故影響(包括增強結構承載或安全系統等)。此流程是針對包括結構在內各類設施的整體風險設計框架，但當前整體設計難以實現，仍以各系統分別設計為主。因此該流程僅宏觀上提出了風險設計的基本原則。

設計中，必須考慮因為各類隨機變量的影響，事故往往有多種場景，進而導致事故荷載水平和受影響構件差別很大，比如火災，因為風向、風速，泄漏位置、速度等變量的隨機變化，火災的工況會有很多可能。但若對每個可能場景都分析結構的強度、剛度和延展性，工作量仍將十分巨大。對此問題，API-RP-2FB規范[8]使用風險矩陣對可能場景進行篩選：對于低風險場景不進行結構評估；而對采取了各類減緩措施后風險仍比較大的場景，則確定為設計工況，并校核關鍵構件的安全能力。圖3(b)展示了該流程，其中“改變方案”是指改變平臺布局或功能(例如從住人改為無人)，以期徹底改變風險狀況；而“減小風險”是指通過緩解措施(例如加強結構承載、增設防爆墻等)降低風險。有研究表明[15]：設計時“改變方案”比“減小風險”更難操作，且付出代價更高；因此該流程中風險控制原則是優先考慮緩解措施，最后才改變方案。

圖3中兩個設計流程均是根據風險指標不斷調整措施、繼而重新評估的迭代過程，因此主要使用于概念設計階段。最終的詳細設計，則使用傳統工具進行，確保概念設計中選擇的方案(包括結構承載能力、安全預防和控制措施等)得到具體實現。

圖3 基于風險進行設計決策的過程Fig. 3 Process of risk-based design making

3 基于風險的安全標準體系

在基于風險進行的ALS設計中，結構的安全標準是一系列基于風險建立的標準體系，通常包含目標安全水平、結構安全目標和功能表現標準。

3.1目標安全水平

使用概率法進行結構設計時，確定目標安全水平(target safety level，簡稱TSL)是首要工作。當使用結構可靠度評估結構安全時，TSL用結構的失效概率表示。使用風險分析方法時，TSL則通常表示為定量的風險值，而此時，TSL又會根據結構失效原因(事故類型)、失效模式和失效后果的差異而被分別建立，即表示為結構以某類模式失效的概率與失效后果的乘積。結構失效概率有時間跨度的要求(1年或平臺整個服役期)，當失效后果以人員死亡衡量時，失效概率的時間跨度通常取為1年。

就事故類型來說，常見種類有火災、爆炸、船舶碰撞和高空落物等。而結構失效模式主要可以分為局部損壞和整體傾覆。從方法上能夠實現把TSL表示成一個風險值，但現實中針對不同事故和失效模式分別設立TSL，會使設計更方便。例如NORSOK-N-001規范[11]，以風險指標規定在北海中作業的常規固定式平臺的TSL，即每年死亡50～100人事故(平臺整體傾覆)的頻率不高于6×10-5。既然各類事故給平臺帶來的風險基本相當[6]，可以把該TSL均分，要求平臺受單類事故影響整體傾覆的概率不高于10-5。如2.3節所述，該規范推薦LRFD法，首先對構件抵抗局部損傷的極限狀態校核，此時使用的事故荷載年超越率為10-4。然后再對損傷平臺在工作荷載及環境荷載作用下發生整體傾覆的模式進行校核，上述荷載年超越率取為10-2，結構抗力為95%的分位數，而抗力和荷載的系數均取1，這樣就使平臺在局部受損情況下發生整體傾覆的條件概率保持在10-1的量級。從而確保平臺在單類事故中整體傾覆的概率為10-4×10-1=10-5。

就事故后果來說，包括人員傷亡、環境破壞和經濟損失，原則上可以都統一為經濟指標，從而得到單一的定量風險水平值。但現實中，通常是分別計算，以最嚴重的為控制指標[16]，原因如下：首先是人員傷亡和環境污染換算成金錢時，標準難以統一。其次，都用金錢衡量容易誤導設計者把利益最大化作為安全設計的目標。另外，造成人員傷亡和環境破壞的結構失效模式有差異，例如，人員死亡往往由平臺甲板失效或整體傾覆等系統失效引起，而下部構件等局部損壞不會對人員構成威脅。環境污染則是由立管、海底管線和儲罐等裝置損壞，繼而伴隨泄漏而引發。上述損失由金錢統一衡量，不利于研究風險來源。因此，通常是根據人員傷亡與環境破壞指標來確定目標安全水平。

3.2結構安全目標和功能表現標準

TSL是設計海洋平臺時的安全原則，但由于結構與各類事故發生并無關系，僅是破壞作用的載體，設計中應針對某類事故場景，進一步確定具體結構的損傷控制要求，DNV稱其為結構安全目標(safety target，簡稱ST)[9]。ST的規定應確保實現TSL目標，當事故場景的出現概率不同時，ST的內容也相應改變。以API對結構抵抗火災時的規定為例[8]：“對小概率(罕有發生)的場景，防爆墻或防火墻應留在原地、不裂紋、不與支撐物斷開，發生有限變形，以免事故蔓延；安全關鍵構件應能有效減小事故影響，確保事故中切斷危險源，人員安全逃生，火勢得到控制；通訊設施、危險化學品的儲運設施保持完好；整個平臺在事故后應能避免傾覆或倒塌。對于中高概率(較頻繁發生)的場景，則應把損傷限制在更小的范圍，例如要求平臺結構經歷事故后，經檢修能在短時間內恢復生產?！?/p>

對于安全關鍵構件，通常還需借助力學工具(理想彈塑性模型或非線性有限元工具)對其進行事故極限狀態(ALS)的安全校核。此時，ST中對損傷后果的定性規定就顯得籠統了，需要進一步轉化為具體結構響應的臨界指標，DNV稱其為結構的性能標準(performance criteria，簡稱PC)[9]。事故通常引起能量耗散，例如碰撞事故中的動能釋放，火災中的熱輻射等，這導致結構響應往往伴有遠超過彈性極限的大變形或應變，因此在ULS中常用的彈性指標(如極限應力或彎矩)不再適合制定ALS下的PC，此時PC的規定應能直接或間接反映結構吸收事故能量的能力。以DNV-RP-C204規范[17]為例，使用基于動力學的塑性方法分析結構在ALS中的響應，在理想塑性模型中，針對構件橫截面分析時，使用最大變形作為PC指標；而針對微小單元分析時，則使用極限應變。構件在伸展變形時，如果發生屈曲(受壓區域)或裂縫(受拉區域)，將失去繼續吸收能量的能力，此時，以發生上述情形時的結構臨界狀態作為PC。

需要注意的是，有些事故荷載(如火災)并非瞬時發生，而是在一段時間中的動態過程。針對此類事故的PC應能反應結構物在事故中的耐久能力。例如API-RP-2FB規范[8]對H120級防火墻的PC規定：該級防火墻在池火中應能在120分鐘內保持穩定完整，背火面升溫到140℃所用時間不能少于120分鐘。建立這類有關結構失效和時間歷程PC很有意義，對建立事故應急體系有非常重要的支持作用。

4 風險設計方法的研究進展

如前面所述，基于風險的方法代表著固定式海洋平臺ALS設計的發展方向，而且NOSOK、DNV和API等規范在使用風險方法方面已經取得成功經驗。但在我國編制類似規范，仍有許多現實的障礙需要跨越，下面將從風險分析方法和目標安全水平兩個方面來具體分析，并介紹相關研究進展。

4.1風險分析方法

對各類事故事件的風險分析是ALS風險設計的核心，但設計決策的任務不同，需要的風險分析方法也有差異，就圖1中的三類決策來說：1)危險識別與篩選，處于項目初期，具體信息少，目的是找出主要事故威脅或識別安全關鍵構件，因此可以使用定性方法；2)基于風險確定荷載水平，主要針對常規平臺類型的設計，結構失效的后果相對固定，風險分析的主要任務是準確分析事故荷載的統計特征；3)直接基于風險的設計，需要依賴評估結果選擇設計方案和安全措施，因此需要定量風險分析為成本-效益分析提供依據。而無論定性還是定量方法，都涉及模型建立和數據分析兩大類問題。

在項目可行性研究或概念設計階段，由于信息匱乏，定性分析是常用方法。尤其對于新型結構物，如近海風電設施，缺乏成熟經驗借鑒，在項目初期利用風險分析輔助決策已成為潮流。例如文獻[18]利用HAZOP對臺灣海域的風電建設過程進行了危險源識別；文獻[19]介紹了利用HAZOP、FEMA對近海風電設施進行關鍵安全部件識別的過程。這些方法雖然不能提供定量的評估結果，但通過對風險因素(出現頻率、后果損失，等)的定性分級，可以為項目初期決策提供有效支持。

定性分析的問題是風險因素的估計依靠專家判斷，人為不確定性影響大；模糊集的引入可以在一定程度上控制這類影響。如文獻[20]在模擬平臺油氣泄漏時，利用模糊隸屬度函數為專家判斷得到的事件發生頻率添加了置信水平，有效減小了主觀不確定性的影響。更深入地做法可以把風險因素進一步細分，分別進行模糊評估，而后綜合分析總體風險。通常做法是劃分為頻率和損失[21-22]，頻率又可以進一步劃分為事故頻率和某失效模式出現條件概率[23]，損失則可分為人員傷亡、環境損害、財產損失等[22]。把風險指標細分，有效減小了每次主觀判斷不確定性的影響范圍。也可以把不同屬性的風險因素用一種模糊語言表達，便于綜合評估，例如文獻[24]把平臺溢油風險劃分為設計參數、油藏情況、海區環境、組織管理水平、應急能力等多屬性指標體系，并把不同量綱的、定性與定量的指標統一轉化為模糊集變量，進而實現綜合評估。進行多屬性評估時，層次分析法(AHP)通常被用來確定各個屬性對總風險的重要度[22]，而邏輯推理[21,25]、近似推理[23,25]、證據推理[23]等方法是目前常被用來進行模糊集綜合計算的工具。相對于直接依靠專家打分的定性方法，模糊綜合評估大大減小了不確定性的影響，因此不僅可以用來危險識別，還可以進行基于風險的方案選擇。例如文獻[21]就是在概念設計中利用該方法對某水下結構物的四種設計方案分別進行了風險分析，最終選擇了模糊風險度最小的方案。

進行定量分析時，事件樹(ETA)和故障樹(FTA)是模擬風險事件發生發展的經典方法。但其也有缺點，例如必須假定風險事件中各隨機變量是彼此獨立的，而且ETA和FTA適合表達二維狀態變量，當變量狀態多變時，將大幅提升計算量。貝葉斯網絡(BN)模型較好解決了上述問題，例如文獻[26-27]利用BN模型模擬了FPSO錨鏈受損導致次生災害的場景，該模型反應了局部損傷、海況、操作因素、救援因素等相互影響的復雜情況，并顯示了考慮變量多維狀態時的分析效率。文獻[28]則闡明了BN模型在應對數據缺乏時的優勢，例如可以綜合專家判斷與統計分析的結果，便于進行數據更新等。

進行定量分析除了要有高水平模型，更依賴于充分的信息數據。直接的方法是建立事故數據庫，除了統計事故歷史數據，精確的數值模擬或可靠的物模實驗也是完善數據的途徑。例如文獻[29]在研究平臺火災爆炸風險時，利用LHS抽樣工具對風速、風向，泄漏速率和位置等變量隨機抽樣，形成眾多場景，通過CFD計算得到大樣本的爆炸荷載數據，為基于超越概率確定特征荷載提供了依據。文獻[30]則在分析火災爆炸荷載不確定性的基礎上，進一步用3D有限元工具LS-DYNA模擬了相應的結構響應情況，并分析了結構變形的統計特征。另外，文獻[31]針對近海風電設施的碰撞風險、文獻[32]針對管線保護結構的落物風險，也進行了類似研究。具體過程都是先利用風險分析工具研究事故荷載的隨機分布，而后利用LS-DYNA模擬結構損傷情況，利用大量數值模擬的結果分析結構損傷的概率特征，為基于風險確定結構的安全目標和性能標準積累了數據。

我國屬新興海洋國家，事故數據庫建立難以一蹴而就，類比借鑒法也是提供定量數據的選擇。但數據庫往往針對固定海區，借用時需要考慮環境的差異性。比如，當前最權威的油氣泄漏事故數據庫是HSE建立的HCRD，該庫數據來源于北海區域的典型石油作業平臺。在分析墨西哥灣某平臺油氣泄漏風險時，直接使用HCRD的數據會帶來誤差，這是因為兩地硬件設施和安全管理的差異會導致風險不同。DNV為減小此類借用誤差，習慣采用MOR(modification of risk)技術[15]，即對比分析兩地設施在“風險誘因”和“控制措施”方面的差異，以此為據確定概率的修正參數。以上面泄漏風險為例，若修正參數是“2”，而依照HCRD數據計算的泄漏概率為P，則墨西哥灣的泄漏概率為2P。確定修正參數的方法有很多，最常使用的四種是CCPS、MANAGER、API 581和BBM方法，DNV在風險評估實踐中最常用的是BBM(barrier based method)方法[33-34]。

4.2目標安全水平(TSL)

目前確定TSL的方法可以歸納為三類：1)通過分析當前權威規范，以其中明確規定或隱含表達的結構安全水平作為TSL；2)從安全管理理論出發，以當前社會可以接受的某類損失的出現概率為安全指標，通過成本效益分析確定TSL，即考慮把人員傷亡控制在一臨界水平，使此時投入的邊際成本剛好不大于“社會的投入意愿”；3)基于優化設計原則確定目標安全水平，即考慮使風險帶來的期望損失與控制風險投入的成本之和最小，從而實現利潤最大化。方法1的可操作性強，但等同于完全認可了現有結構規范的安全水平，要求偏低。考慮到當前風險評估主要用于初步設計階段，方法2和3更適合輔助方案決策，但此兩種方法需要定量的風險值作為安全指標，因此采用這些方法需要前提，即開發可靠性高的定量風險計算方法。

如3.1節所述，可以針對人員傷亡、環境破壞和經濟損失等不同后果分別制定TSL，但傳統上人員傷亡被作為主控風險。利用成本效益原則確定TSL時，對于人員傷亡的社會投入意愿通常由CAF值表示，該意愿值可以借助“生命質量指標(LQI)”來確定[35]，而LQI則考慮國民生產總值、人員工作時間等因素。早在1998年，文獻[36]就利用LQI計算了各國的CAF值，結果表明發展中國家和發達國家的風險控制意愿差別明顯。近年，文獻[27]在對FPSO的錨鏈失效風險進行評估時，分別利用LQI指標和優化原則計算了目標失效概率，結果表明：前者比后者更小，即基于LQI的安全標準比基于優化原則的標準更加嚴格。

海洋石油平臺的事故通常會伴隨油氣泄漏，因此針對海洋環境污染的風險標準也應成為發展的重點。文獻[14]提出了海洋工業中原油泄漏事故的風險接受標準，它將環境污染的程度用環境恢復時間來度量。文獻[37-38]則描述了一個形如CAF的自然環境保護意愿指數CATS，從而可以利用成本效益原則來確定環境風險接受標準。

5 結 語

綜上所述，可以得到如下結論：

1)在海洋平臺結構的極限狀態設計中，概率法已經成為未來發展的主流方向。結構可靠度分析和風險分析都是概率法的常見工具，但對于ALS狀態，使用風險分析方法更加合理，尤其對于創新型設計，結構安全評估只能依靠風險分析。

2)目前，風險方法在結構設計中的使用主要體現在兩個方面：設計中的關鍵決策依據風險評估方法做出；結構安全評估依據風險標準體系進行。以上兩個方面在發達國家規范中已有應用，可以為我國建立國際水平的新規范提供成熟的經驗。

3)在我國建立基于風險方法的ALS設計規范，仍有許多現實障礙，主要表現為風險評估方法可靠性和適用性問題，還必須面對目標安全水平的確定問題。

4)海洋石油部門在日常安全管理中建立事故統計數據庫，可以為風險評估建立信息基礎，這是基于風險方法建立ALS規范必要的戰略任務之一。目前，為克服數據缺乏的困難，可以利用科學手段借鑒權威數據庫信息開展定量評估。

5)目標安全水平的確定是實現風險設計方法的關鍵，目前可以針對不同事故類型、失效模式和各類損失類型分別制定目標安全水平，而成本效益原則和優化原則都可以提供合理可行的方法途徑。

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Reviews and comments on risk-based design of fixed offshore platform structures

LI Xiaodong1, 2, TANG Wenyong1

(1. Shanghai Jiao Tong University, State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai 200240, China; 2. Qingdao Technological University, Shandong Urban Disaster Prevention and Control Engineering Technology Research Center, Qingdao 266033, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.01.017

1005-9865(2017)01-0147-10

2016-01-19

李曉冬(1980-)，男，山東章丘人，講師，博士研究生，主要從事船舶與海洋工程風險評估相關的研究。E-mail: lxdouc@126.com

唐文勇。E-mail：wytang@sjtu.edu.cn