基于多層次灰色評價法的FPSO外輸溢油風險評估

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(1.中國海洋石油總公司，北京 100010；2.中海石油環保服務(天津)有限公司，天津 300457)

FPSO逐漸成為海上油氣開發主流設施。FPSO利用卸載系統將油氣儲存在穿梭油船中，大大降低了油氣田操作成本[1-4]。串聯卸載能夠更好地適應惡劣的海上工作環境，適應不同大小的穿梭油船系泊，目前已成為油氣卸載的首要選擇[5]。FPSO在外輸過程中，經常會發生碰撞、海管斷裂、錨纜失效等事故，導致油氣泄漏，進而引起火災爆炸，不僅造成巨額的經濟損失，而且嚴重威脅海洋生態環境。國外有研究表明,以硬件來降低風險的做法不能有效減輕海上作業的風險[6]。我國海上溢油風險評估研究起步較晚，對FPSO原油外輸作業過程中的溢油風險認識更是存在不足。所以建立一套完善的FPSO外輸作業溢油風險評價指標體系，進行溢油風險分級計算，量化評價FPSO外輸作業溢油風險等級,對保障海洋石油安全生產和經濟健康發展,具有重要的實用價值和現實意義。

1 FPSO溢油風險源識別及評估體系

風險源識別作為風險分析的第一步，是整個溢油風險分析過程的關鍵，對評估對象可能存在的所有危險進行識別，是一個確定危險存在并定義其性質的過程。對于FPSO外輸溢油風險，存在于整個原油外輸過程。具體的溢油風險分析結果見表1。

根據FPSO外輸溢油風險源識別，建立FPSO外輸作業的溢油風險評估指標體系(見圖1)，其中一級指標定義為設備故障、靠泊和外輸作業、人員因素和環境因素，二級指標體系依次展開。

圖1 FPSO溢油風險評估指標體系

2 多層次灰色評價法

通常灰色系統理論是用數學方法處理某一層次的監測檢測資料，進而了解更高一層次的指標相互關系和變化趨勢[7-8]。具體步驟如下。

2.1 確定評價等級

采用制定評價指標評分等級標準的方法將定性指標U轉化為定量指標，即用低、一般、較高、高和極高5個風險等級表示評價指標的風險大小，然后分別賦值1，2，3，4，5，數值越大，相應風險等級越高[9]。

表1 FPSO外輸作業溢油風險源識別

2.2 確定評價指標權重

根據建立的溢油風險評價指標體系，可確定風險指標間的隸屬關系，即評價指標的權重，本研究采用層次分析法求取各因子的權重，得到目標層指標的重要性判斷矩陣W。

然后對判斷矩陣進行一致性檢驗，判斷得到的權重值是否合理，如果判斷偏移一致性過大，將判斷矩陣的權向量結果作為決策依據是不可靠的[10]。所以求出判斷矩陣的最大特征值λmax后需進行一致性檢驗，一致性指標CI計算方法為

(1)

式中：λmax為判斷矩陣W的最大特征根；n為階數。

隨機一致性指標RI值見表2。

表2 RI系數表

隨機一致性比率CR為

(2)

當CR<0.10時，判斷矩陣一致性檢驗通過；CR>0.10時，判斷矩陣一致性檢驗失敗，需重新調整判斷矩陣中的元素。最大特征根對應的特征向量經標準化后，方可作為層次分析的排序權值。

2.3 建立評價樣本矩陣

假設有m(m=1,2,…,k)位評價專家，依照評分等級標準對系統中所有評價對象Uij打分，填寫專家評分表。按照評分表，形成所有對象的評價樣本矩陣。

(3)

式中：dijp為第p位專家對系統中評價指標Uij的風險等級評分。

2.4 確定評價灰類

假設有n個評價灰類，h表示灰類等級數，h=1,2,…,n。則評價灰類的白化權函數分類如下。

第1灰類。低風險(h=1)，設定灰類?1∈[0,1,2]，白化權函數為f1，則有

(4)

第2灰類。一般風險(h=2)，設定灰類?2∈[0,2,4]，白化權函數為f2，則有

(5)

第3灰類。較高風險(h=3)，設定灰類?3∈[0,3,6]，白化權函數為f3，則有

(6)

第4灰類。高風險(h=4)，設定灰類?4∈[0,4,8]，白化權函數為f4，則有

(7)

第5灰類。高風險(h=5)，設定灰類?5∈[5,+∞]，白化權函數為f5，則有

(8)

2.5 計算評價系數、權向量及權矩陣

(9)

對于任一評價指標Uij，如果將第x個評價因素屬于各個灰類的灰色評價系數記為，則

(10)

(11)

(12)

2.6 綜合評價

(13)

(14)

故對于第x個評價項目的Ui指標綜合評價結果為

(15)

將各評價灰類等級進行賦值，設值化向量為C=(1,2,3,4,5)，對第x個評價對象的綜合評價值R(x)為

R(x)=B(x)×Ct

(16)

綜合評價值求出后，對評價對象風險高低值進行排序。

3 應用算例

以南海某FPSO外輸作業為例，作業方式為串靠式。外輸區域自然環境條件為風速10.8 m/s，表層流速為平均1.2 m/s，波高為1.8～2.6 m，能見度為2.0～3.5 km，極端天氣出現頻率較低；FPSO周圍時常有油輪來往，周邊設置了安全作業區域及助航標識，并制訂了相應的防損壞預防措施，外輸期間值班拖輪不拋錨，全程巡航，當附近海域漁船較多時，通知漁政船現場值守；外輸作業前檢查系泊纜繩、漂浮軟管及配件的完整性，大纜正常，軟管有稍微破裂，經分析，基本滿足外輸作業要求，外輸過程中FPSO、提油輪、外輸尾拖輪三點一線，外輸期間1 100 m作業半徑內禁止有任何影響外輸作業的船舶、錨標等；該FPSO有9條系泊纜繩，其中4條外皮有明顯損傷，但系泊應力可滿足系泊要求，設有一套單點系泊檢查裝置，可以檢測單點橫搖角度和單點拉力；儲油系統正常，貨油泵間檢測有稍微泄漏，FPSO上配備可燃氣體探測器、報警裝置和電控截止閥，若發生溢油能及時報警，并且中控室內設有監控裝置，可監控外輸過程，有卸油關斷裝置；FPSO外輸作業人員技術人員綜合素質較高，每年進行專業的技能培訓，均持證上崗，并且經過關于外輸技術的專業培訓，負責配載的人員持有穩性與壓載技術培訓證書，同時制訂了相應的管理制度；外輸作業前、中、后對相應崗位進行檢查確認，按時巡檢，簽名記錄。

3.1 指標體系權重確定

通過問卷調查由FPSO外輸作業人員及專家對各溢油評價指標進行打分(參與人員>20)。采用層次分析法(AHP)對各層指標體系權重系數進行計算，各評價指標權重見表3。

3.2 確定評價指標等級及評分

采用“好、較好、一般、較差、差”5個等級評語，相應的評價值定義為5.0、4.0、3.0、2.0、1.0。處于兩等級之間的賦值4.5，3.5，2.5，1.5。

3.3 綜合評價

根據二級指標所對應的評價值，得出該應用算例的樣本矩陣如下。

表3 FPSO FPSO各評價指標權重

根據需要，將灰類等級確定為5個，分別代表極低、低、一般、高、極高5個風險等級。根據評價灰類的白化權函數，對于評價對象來說，針對靠泊和外輸作業中碰撞指標，有

f1(3)+f1(3)+f1(3)+f1(3)=0

同理

因此，所有碰撞指標屬于評價灰類的總灰色評價數，為

故對于碰撞，第一評價指標對于各灰類的灰色評價權向量為

(0,0.054,0.261,0.357,0.338)

同理可得

進而對于此FPSO的總灰色評價權矩陣為

故對于該FPSO的綜合評價結果為

B(1)=W·Q1=(0.26,0.15,0.30,0.29)·Q1

=(0,0.079,0.275,0.344,0.302)

因此得到此FPSO單值化綜合評價值為

R1=B(1)·CT=2.13

結果顯示，此FPSO經三層灰色評價，其發生溢油風險等級為一般風險，由于FPSO系泊纜繩有老化現象，并且儲油系統檢測出泄漏，所以計算得到數值較高，說明設備故障因素易導致溢油事故發生，在平臺日常維護和檢測時應重點關注。

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