基于事故樹模型的海洋工程平臺爆炸事故

(江蘇科技大學 電子信息學院， 江蘇 鎮江 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雜性及難度高等特點，海洋石油開采平臺的安全性面臨著巨大的挑戰。大型海洋石油開采平臺耗資驚人，一旦發生事故將對國家造成不可挽回的經濟損失，同時，對海洋環境會造成難以估量的破壞，因此海洋平臺的安全風險評估是一項不可缺少的環節。目前，針對海洋平臺的風險分析主要有：Hazop(危險與可操作性研究)風險分析法、平臺結構分析、系統動力學分析[1]以及平臺的事故因素數理統計分析等。這些針對平臺事故的風險分析都具有一定的獨立性，缺乏一種系統多因素協同分析的機制，造成風險分析效果不理想。本文運用事故樹分析(Fault Tree Analysis， FTA)方法，根據海洋平臺事故發生的多因素構建FTA模型，確定有效的事故預防路徑，通過對事故頂上事件概率的計算，得出海洋平臺在一段時間內的風險發生概率，從而確定平臺的安全性。

1 FTA原理

FTA屬于系統工程中圖論的范疇，由故障樹演變而來，是一種演繹的安全系統分析方法。FTA的基礎原理是從需進行風險分析的安全風險事件(事故樹頂上事件)開始，逐步尋找事故出現的因素，直到找出風險發生的基本因素(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。最初由統計分析指定風險事故發生的頂上事件，其次建立基本事件的邏輯關系，最后通過具體的定性分析或定量分析確定系統的事故預防路徑和系統的安全程度。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生以及各基本事件對上級事件發生影響的邏輯關系出發，綜合基本事件的發生概率導致頂上事件事故發生的影響程度，從而最終確定頂上事件的發生路徑。求解事故樹模型的最小割集、最小徑集以及結構重要度[3]。

(1) 最小割集、最小徑集

事故樹模型中的最小割集是指:造成風險事故頂上事件的各種基本事件的組合，也就是風險事故發生的基本因素結合的路徑。事故樹模型中的一個最小割集就是造成風險事故發生的一條途徑。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，預防頂上事件發生的基本事件組合。最小徑集是預防風險事故發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) 結構重要度

基本事件的結構重要度：風險評估項目的事故樹模型中基本事件導致頂上事件發生邏輯關系的重要程度。結構重要度的值如果較高，那么在風險評估項目的事故樹模型中基本事件導致頂上事件發生的概率可能性就越大，基本事件的結構重要度值求解可用以下公式[4]近似計算：

(1)

式中：Iφ(i)為第i個基本事件的結構重要度值；φ(1,xi)表示基本事件xi狀態為1時頂上事件的狀態；φ(0,xi)表示基本事件xi狀態為0時頂上事件的狀態；n為基本事件的個數。

(3) 概率重要度

基本事件的概率重要度：風險評估項目的事故樹模型中第i個基本事件發生的概率變化導致頂上事件發生概率變化的程度。事故樹模型中頂上事件發生概率函數是n個基本事件發生概率的多次線性函數，對自變量qi進行一次求導即可得到基本事件的概率重要度，計算公式[4]如下：

(2)

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

(4) 臨界重要度

基本事件的臨界重要度：風險評估項目的事故樹模型中第i個基本事件事故概率變化率導致頂上事件事故概率的變化率，即基本事件因素事故發生概率的變化率與最終頂上事件事故發生概率的變化率的比值稱為臨界重要度。計算公式[4]如下：

(3)

2 海洋平臺的爆炸FTA

2.1 事故樹模型建立

資料統計和分析表明，海洋平臺具有極大的安全隱患，其主要危險可歸納為:井噴、油氣泄漏、火災爆炸[5]等。由于火災爆炸屬于關聯最大的事故，因此將火災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行統計分析，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) 最小割集計算

最小割集描述造成海洋平臺事故發生的各種基本因素的結合，每個最小割集就是海洋平臺事故發生的一條途徑。利用布爾代數簡化法[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) 最小徑集計算

將海洋平臺事故樹模型中的與門以及或門邏輯關系取反，即可得到 “成功樹”，然后再計算出“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) 結構重要度

通過事故樹模型的最小割集得出基本事件的結構重要度：

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算結果顯示：事故樹模型總計有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，同時表明導致海洋平臺火災爆炸事故發生的因素多樣，有極大的復雜性。最小徑集為預防海洋平臺火災爆炸事故發生的途徑，這里P1表示海洋平臺需要嚴格控制爆炸火源途徑；P2表示預防鉆井出現井涌；P3表示預防井控系統失效途徑。

3 事故樹模型應用實例

“海洋石油981”是具有世界領先技術水平的深海鉆井平臺，是中國耗費60億元自主設計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算

為了驗證海洋平臺的安全風險分析的合理性，將事故樹模型中的基本事件發生概率統一假設為0.025，通過式(1)、式(4)、式(5)計算出基本事件的結構重要度、概率重要度和臨界重要度，同時以此對基本事件進行分類，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算

事故樹模型頂上事件發生概率的求解使用布爾真值法[6]進行：

(4)

當事故樹模型的結構比較復雜[6]時，采用式(2)的平均近似值：

(5)

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

由此計算出“海洋石油981”事故樹模型的頂上事件概率為0.002 7，即當海洋平臺的事故基本影響因素概率假設為0.025時，海洋平臺發生事故的概率在0.002 7左右。在實際環境中，事故影響因素的發生概率可能遠小于假設值。海洋平臺安全風險因素的發生概率需通過長時間大量歷史數據進行統計分析才能得到一個比較準確的數值[7]，這里風險因素發生概率只是一個假設值，不影響最終的計算結果。

3.3 海洋平臺事故預防措施

本文分析的海洋平臺事故風險主要集中在爆炸上，針對此風險提出預防措施：

(1) 爆炸火源。火源是海洋平臺爆炸的必然因素之一，任何火災或爆炸的發生都是由火源引起的，因此需嚴格控制火源的產生。針對火源點，海洋平臺管理應制訂一系列規章制度，保證海洋平臺遠離危險火源，如《工作人員行為規范》《嚴禁吸煙條例》《嚴禁攜帶火源條例》《靜電設備管理規定》等，通過規章制度的制定，最大限度地預防人為因素和控制火源點。同時，嚴禁在海洋平臺的生產作業危險區域內進行任何違章動火作業，并且采取在危險易發生的作業區安裝防爆電器等應對措施。

(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險預防措施。預防油氣泄漏的方法：首先，應把好油氣生產設備的質量關，采購質量最好的設備，同時培訓設備操作人員，防止由于操作人員失誤導致設備運轉失靈；其次，可在海洋平臺上容易出現油氣泄漏的作業區安裝可燃氣體探測裝置，及時向平臺管理人員發出報警信號。

4 結 語

(1) 確定了海洋平臺安全風險事故中易引起火災爆炸的18種危險源，將其作為基本因素，應用FTA構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個爆炸事故的發生途徑以及3個爆炸事故發生最優預防途徑。

(2) 以中國南海深海采油平臺“海洋石油981”為實例進行模擬分析，假設風險發生基本因素的發生概率，通過事故樹模型計算出結構重要度、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生的影響程度。同時，計算海洋平臺在一定時間內事故發生的概率。

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