深水海管封堵卡具应急维修问题的风险分析研究

何宁强， 刘 鑫， 季红叶， 骆寒冰， 尹汉军

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.天津大学， 天津 300072)

深水海管封堵卡具应急维修问题的风险分析研究

何宁强1， 刘 鑫2， 季红叶2， 骆寒冰2， 尹汉军1

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.天津大学， 天津 300072)

采用半定量的过程分析法和风险评估技术，以500 m水深的海底管道(平管)为例，针对封堵卡具应急维修工程问题，进行了风险分析研究。首先，基于DNV船级社规范以及相关企业调研结果，建立了整个应急维修流程；其次针对维修流程中的每一步进行风险识别，建立相应的风险事故树，运用专家打分法评估各步的权重值及每个风险源的风险值；最后，依据评估结果进行分析并制定风险控制措施。该文的研究成果可以应用到深水海底管道应急维修中，减少事故发生概率。

半定量方法；风险分析；海底管道；应急维修

0 引言

随着海上油气开发的不断深入，海底油气管线成为海上应用最广泛的石油工程运输手段，海底管线维修工作的重要性也逐渐凸显出来。目前，国内还没有水深超过300 m的海底管线维修案例，但是，随着南海荔湾3-1油气田的开发利用，深水部分的水深达到1 350 m～1 500 m，使得我国海洋石油工程也逐渐向深海进军。如果不能掌握深水水下应急维修技术，我国海洋石油工程的发展将被国外工程公司扼制，因此，对海底管线维修的研究就显得迫在眉睫。

我国针对油气管线风险评价的研究工作起步较晚。潘家华介绍了W.Kent.Muhlbauer[1]提出的管线风险专家评分法，这是首次将国外管线风险评价技术引入到国内[2]。四川石油管理局翻译并出版了《管线风险管理》一书，该书重点地介绍了肯特管线风险评分法[3]。目前，我国并没有将风险分析技术应用到海底管线维修工程中，并且受各国设计规范和标准等因素的影响。

我国关于海底管线的风险研究主要集中在管道运营阶段，针对海底管道维修风险的研究十分有限，维修公司在进行海底管道维修时大多依靠所积累的经验，并没有形成维修体系。随着深水海底管道服役，对深水海底管道维修风险研究的意义逐渐显现出来。

深水海底管道(平管)发生破损泄漏是深水水下应急维修中经常面对的事故类型，有三种维修方式可以应对此类事故，分别为封堵卡具维修、带压开孔封堵维修、机械连接器维修。前者适用于局部小的破坏，如小孔或小裂纹泄漏；后两者适用于在较长的管段上出现的大范围破坏，需要进行管段的更换。其中，封堵卡具维修是目前深水海底管道(平管)维修中应用最广泛的维修方式[4，5]。

300 m作为海底管道维修作业的分界线，300 m以内饱和潜水技术可以得到应用，超过这个水深则只能使用ROV代替人工作业。不同水深下，对维修的工艺和工机具的要求都有很大不同。通过对相关公司的调研和实地考察，该文选取500 m水深海底管道(平管)封堵卡具维修这一典型问题作为风险研究对象，运用半定量的过程分析法，结合海洋工程实际，对海底管道(平管)维修风险的辨识、评估和控制进行研究。

1 深水海管应急维修风险分析的理论方法

目前世界上主流的风险评估方式一共有三类：定性分析、定量分析和半定量分析。定性风险评估方法是一种典型的模糊评估方法，可以快速地对系统的危险进行风险评估，对现有的防范措施进行评价，从主观角度对风险进行排序。定量风险评估方法是对风险的量化，分析目标更加具体准确，可信度较高，可为风险决策分析提供可信赖的依据。半定量的风险评估方法介于二者之间，采用的是定量的风险评估方法，但是不产生定量的分析结果[6]。定量分析和定性分析是风险分析中应用最广泛的分析方式，但是它们也存在着一定的局限性。例如，定性分析方法主观性过重，评价结果的权威性不能得到认可；定量分析方法在以风险决策为主要目的的风险分析过程中是有效的，但不具备对项目全过程进行描述的能力。半定量的评估方法有效的弥补了二者的缺失，因此作为海底管道(平管)维修风险的常用评估方法[7]。

基于过程的半定量风险分析方法是一种十分有效的分析方法，主要分为以下几个程序[8，9]：

(1)定义系统

在进行项目风险分析之前，必须要对研究对象有一个全面的了解，这是风险分析的基础工作。当系统十分庞大时，对系统的整体进行分析是难以进行的，需要在对系统全面了解后划分若干步骤分别进行分析，得到系统流程图。系统流程图的准确建立是进行风险识别和风险评估取得高质量的保证。

(2)风险识别

风险识别是整个风险分析过程中最耗时的一项工作，它需要识别出项目实施过程中那些潜在的能引起人身伤害或死亡、财产损失以及使系统丧失或部分丧失预定功能能力的因素。风险识别的方法有多种，危险检查法、智暴法、德尔菲法、情景分析法、危险与可操作性分析法(HAZOP)、失效模式及影响分析方法(FMEA)，这些方法都能应用到海底管道维修领域。在识别过程中，根据系统流程图，运用上述识别方法，对每一个作业步骤进行分析，将所有可能出现的风险事件及其后果用事故树的形式列举出来。

(3) 半定量风险评估和评价

根据系统流程的划分结果，评估出各步骤在总流程中的权重值，再根据风险识别的结果，对每一个作业步骤的所有风险源进行风险评估，确定其相应的风险程度。风险程度的评估从风险发生后果和风险发生频率两方面进行，通过这两方面的评估结果确定风险源的风险等级或风险值。

国外海洋工程领域常用ISO风险矩阵、DNV风险矩阵，国内以此为基础也提出了自己的相关矩阵，并应用于多种海洋工程领域的风险分析[10]。表1、表2分别为风险后果等级评定标准和风险频率等级评定标准，用来对风险事件的可能性和后果的严重程度进行评估；表3、表4分别为与其对应的量化风险接受矩阵及风险等级描述。

表1 风险后果等级评定准则

表2 风险频率等级评定准则

表3 量化的风险接受矩阵

表4 风险等级描述表

此部分的工作由熟悉相关领域的专家进行，各位专家评分时独立连续完成，不应受到其它因素的影响，特别是管理者政治因素的影响，这样才能够保证风险评估结果的客观性。又由于专家的资历不同，按从业时间和业务专业程度设定每个专家的权重值，使用模糊综合评价的方法，对专家们的评分结果进行分析，最终确定出各步骤的权重值和风险源发生的可能性及后果严重程度。

2 500 m水深海管封堵卡具应急维修风险分析

选取500 m水深海底管道(平管)封堵卡具维修这一典型方式开展风险分析，分析的结果对指导以后的维修工作、减少维修风险损失具有现实意义。

2.1 海管应急维修流程

500 m水深下的海底管道封堵卡具维修是一项技术难度很大的维修工作，在维修过程中需要各方人员的协调一致，并且用到多种工机具。该文将海底管道封堵卡具维修的整个流程划分成16个维修步骤[12]，如图1所示。

2.2 海管应急维修流程的风险识别

结合多种风险识别方法，对每一种维修作业步骤都从人员风险因素、海洋环境风险因素、设备故障风险因素和设备作业风险因素四个方面进行风险辨识，并将辨识结果用故障树的形式表现出来，该文选取图1中封堵卡具安装这一步的风险识别结果进行展示。

此步骤需要ROV指引封堵卡具就位后，由ROV本体液压源控制封堵卡具预先紧固，随后再由ROV拧紧卡具螺栓，风险识别结果如图2所示。

图1 500 m水深海管封堵卡具维修的流程图

图2 海管封堵卡具安装失效事件的故障树

2.3 海管应急维修的风险评估和评价

根据风险识别结果制作出打分表，并提交给多位国内海洋工程安装、维修领域的专家。专家们依据上述评估标准，针对500 m水深封堵卡具维修进行打分工作。封堵卡具安装流程的风险评估结果见表5，评估内容包括失效事件在整个维修过程中排名及所占的权重、底层风险源风险频率和后果严重程度的评价结果、风险源风险量化结果[13]。

表5 海管封堵卡具安装失效事件的专家打分结果

2.4 应急维修的风险结果统计及分析

由于不同专家的权重值不同，依据下列公式将评分结果汇总起来，确定顶层失效事件的权重值和底层风险源的量化结果，以便于进一步的分析。

(1)

式中：Pi为第i个维修失效事件在整个维修流程中所占的权重值；Kj为第j个专家的权重值，此值根据专家的工作年数和专业程度给出，分为1,2,3,4,5五档；xij为第j个专家为第i个维修失效事件评出的权重值。

(2)

式中：φi为失效事件中第i个底层风险源的量化结果；yij为第j个专家为失效事件第i个底层风险源评出的量化结果。

一般来说，系统是指由若干要素依据一定的规律和形式而共同构成的具有一定的结构和功能的有机整体[7]。旅游危机事件网络舆情系统主要由五个部分构成，包括舆情主体（网络舆情发布者和传播者）、舆情客体（网络舆情热点事件）、舆情本体（网络舆情内容）、传播媒介（网络舆情的信源和渠道）、外围因素（网络舆情社会环境）。旅游危机事件网络舆情的内容由事实性信息和意见性信息组成，传播媒介主要包括新闻网站、新闻跟帖、论坛社区、微博、视频网站、电商网站和网站指数等[8-9]。旅游危机事件网络舆情系统的形成是多要素共同作用的结果，旅游危机事件网络舆情的治理和引导是一项涉及多个相关主体综合协调的系统工程。

结果汇总完成后，将500m下带压开孔封堵维修流程中各步骤的权重值进行统计排序，并对各流程的底层风险源风险量化结果进行排序。从流程中选出其中权重值最大的三个作为重点控制对象，并选出流程中风险源量化结果较大的进行分析，评分统计结果见表6。

表6 海管应急维修风险评分结果

由于500 m水深下的维修方法中没有人员入水施工，所以安全性相对较高。权重值最大的三个失效事件依次是维修机具和设备回收失效、维修前准备失效、卡具安装失效。

维修机具和设备回收失效权重值最大，因为在此过程中涉及到多种工机具的吊放，包括两台提管架、吸泥机、深水法兰连接机具和ROV。在多次吊放过程中极易受到海洋环境的影响，这也是风险源“表层、中层和底层流发生乱流”的风险值达到12.77的原因。由于涉及工机具繁多，所以对管理者的管理水平和操作人员的操作水平提出了较高的要求，风险源的量化结果值充分反映了这一点。中继站的吊钩脱离和铠装缆的断裂都属于发生概率很低但后果严重性很高的风险源，也是需要提高注意，加以防范的重点所在。

权重排在第二位的是维修前准备失效事件。维修前准备这一步骤作为维修整个流程的统筹规划，理应给予较高的地位。这一步骤中，管理人员将制定相关的维修具体措施，对维修人员进行分工，并且要依据管道历史数据和选择的维修方案准备相关的工机具设备。所以此步骤至关重要，有效的维修前准备工作将为顺利进行以后的施工提供保证。

权重值排在第三位的卡具安装失效事件，它是封堵卡具维修工作的关键工艺所在。在人员方面对管理者和操作者的要求都很高，封堵卡具的就位、预紧固、螺栓按顺序拧紧一步一步环环相扣，操作过程受海况的影响很大，需要操作人员很高的技术水平和管理人员的统一协调水平。因此，专家们为“表层、中层和底层流发生乱流”风险、“管理人员管理不当”风险给出了很高的风险值。

2.5 应急维修的风险控制措施

专家打分的数据分析显示出人员因素的重要性，因此加强各部门间负责人之间的协调性是很重要的，应设立部门间协调的专业人员；责任落实到个人，制定合理的奖惩制度；加强风险意识和安全教育；现场管理项目组应分工明确，互有配合，消除管理盲区。

合理安排工人工作时间，尽量避免疲劳施工，杜绝安全隐患；对员工进行风险及安全培训；加强对各工种工作的监督检查，及时发现问题及时解决。

加强一线操作人员的专业培训，建立高效的进入和退出机制，培养专业后备人才；制定突发气象变化的应急措施，加强环境监测，对第三方破坏采取防护措施。

聘请专家和专业人士对维修工艺流程进行验证，必要时提前进行实验；对维修工艺的设计内容严格把关，并监督执行；加强维修设计中的校核、检验工作。

在每步施工前重新评估设备能力以及环境适应性，有必要进行提前运行实验，对一些老、旧设备额定功率进行修订，加强设备日常的维护和保养。

3 结论

该文以500 m水深海底平管的封堵卡具方式维修问题为例，开展了风险分析研究工作。基于DNV船级社规范以及相关企业调研结果，建立了整个应急维修流程，采用半定量的方法，依据流程中各作业步骤进行风险识别，对风险识别结果综合事件发生频率和后果等级进行风险分析。

顶层失效事件分析结果表明，维修机具和设备回收、维修前准备、卡具安装等失效事件的风险比较大，权重排在前三位。针对底层风险源，从人员、海洋环境、设备故障和设备作业四个方面开展了量化分析，给出了量化结果以及相关的应急维修建议。该文的研究成果可以为相关深水海管应急维修工作提供借鉴，降低应急维修的风险，创造更大的经济效益。

[ 1 ] Muhlbauer W. Kent pipeline risk management manual (first edition)[M]. Houston: Gulf Publishing Company, 1992.

[ 2 ] 潘家华. 油气管道的风险分析[J]. 油气储运, 1995, 14(3): 11-15.

[ 3 ] 四川石油管理局编译. 管道风险管理[M]. 北京：石油工业出版社，1995.

[ 4 ] DNV-RP-F113. Pipeline subsea repair [S].2007.

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[ 6 ] 张圣坤, 白勇, 唐文勇. 船舶与海洋工程风险评估[M]. 北京：国防工业出版社, 2003.

[ 7 ] DNV-RP-H101. Risk management in marine and subsea operations[S].2003.

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[ 9 ] 牟善军. 海上石油工程风险评估技术研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2006.

[10] 余建星, 李成. 工程风险分析中的风险当量及其评价标准[J]. 海洋技术, 2004, 23(1): 48-51.

[11] DNV-RP-F116. Integrity Management Of Submarine Pipeline Systems[S].2009.

[12] 马洪新. 南海超百米水深海底油管道泄露修复实例[J]. 海洋石油, 2010, 30(3): 93-96.

[13] 丁明江, 吴长春. 专家评分法在油气管道风险分析中的应用[J]. 油气田地面工程, 2004, 23(1): 10.

Risk Analysis of the Emergency Repairing for Subsea Pipeline Using Fixture Repair Method

HE Ning-qiang1, LIU Xin2, JI Hong-ye1, LUO Han-bing2, YIN Han-jun2

(1.Offshore Oil Engineering Co.， Ltd, Tianjin 300451, China; 2.Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Risk analysis using semi-quantitative assessment solution is carried out for the emergency repairing of the subsea pipelines. The fixture repair method is adopted in the case study for subsea pipelines (flat tube) under 500m water depth.Combining the relevant definitions in DNV rules and investigations in relevant companies, the flowchart of the emergency repairing for subsea pipeline is defined.Risk identification is carried for each step and the risk accidents tree of each step is established.The weight value of each step and each risk value of risk resource are assessed using expert scoring method. Finally, the results of the assessment are discussed and suggestions are recommended to reduce the probability of accidents.

semi-quantitative solution; risk analysis; subsea pipeline; emergency repair

2014-12-15

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05027-005)。

何宁强(1980-)，男，工程师。

1001-4500(2015)04-0070-06

P75

A