基于事故场景分析的海洋平台火灾概率预测分析*

王彦富　李玉莲　闫培娜　张彪

(中国石油大学(华东)机电学院　山东青岛 266580)



基于事故场景分析的海洋平台火灾概率预测分析*

王彦富李玉莲闫培娜张彪

(中国石油大学(华东)机电学院山东青岛 266580)

根据美国安全与环境执行局(BSEE)近40 a的火灾事故统计资料，选取压缩机单元火灾、热处理单元火灾和井喷火灾作为典型火灾事故场景，利用贝叶斯网络模拟不同场景火灾事故概率及其关键因子影响程度。模拟结果表明，压缩机单元火灾频率为2.1×10-4次/a，热处理单元泄漏火灾频率为2.2×10-4次/a，井喷火灾频率约1.0×10-5次/a；其中41.1%的压缩机单元火灾、24.9%的热处理单元火灾和34.8%的井喷火灾事故与“没有遵守作业指导”有关；其次，“管道布局不合理”、“缺乏日常检查”和“缺乏沟通”分别是压缩机单元火灾、热处理单元火灾和井喷火灾中仅次于“没有遵守作业指导”的关键因素。

贝叶斯网络海洋平台火灾事故场景分析概率分析

0　引言

火灾事故是海洋平台事故报告最多的类型，近年来，随着设备故障频率降低，人为因素占海洋油气火灾事故原因的比例呈现增长趋势，人因失误逐渐成为重要隐患。将人因失误、组织缺陷和设备故障结合在一起，建立考虑人因组织因素的海洋平台火灾事故定量分析模型，辨识油气火灾事故诱发事件及重要度序列能够有效预防火灾事故发生，降低火灾风险。

海洋平台火灾事故定量分析包括泄漏原因分析、点火原因分析以及气体探测、火灾探测和人员响应等安全屏障的分析，这些内容直接或间接存在相互作用，且数据缺乏，使得火灾事故定量分析变得相当复杂，导致推理和决策具有不确定性[1-2]。为解决这种不确定性，将贝叶斯网络应用到火灾概率预测分析中，根据火灾事故统计数据分析确定海洋平台典型火灾事故场景，建立基于贝叶斯网络的海洋平台火灾概率预测分析模型，从设备故障、人因失误和组织缺陷分析火灾事故原因，模拟火灾事故发生序列，确定影响火灾事故的关键致因因子，为预防火灾事故的发生和降低火灾后果提供依据，进而降低火灾风险。

1　海洋平台火灾事故原因分析

为获得全面、详细的火灾事故原因，建立可靠的火灾事故场景，本文对1996—2012年期间美国安全与环境执行局(BSEE)公布的26起重大火灾事故报告[3]以及130起频发火灾事故[4]进行详细分析，见图1。

图1墨西哥湾海洋平台火灾事故相关的作业任务

图1表明，65.3%的海洋平台火灾事故与生产操作有关，12.8%的海洋平台火灾事故与钻井作业有关，另外完井作业、修井作业也极易发生火灾事故。根据事故统计分析可知，海洋油气生产作业过程中，碳氢化合物从工艺设备泄漏，经过排放管道转移或者随风漂移，在远离泄漏源区域集聚，遇火源发生闪火的事故类型最多，而其中，压缩机单元、热处理单元发生泄漏火灾的次数最多。钻井作业、完井作业、修井作业过程中常见的事故有井漏、井涌和井喷，从井口或井下喷出的油气被点燃即发生井喷火灾事故，井喷火灾虽然发生几率非常小，但对于人员和平台结构是毁灭性的。因此，本文将压缩机单元火灾、热处理单元火灾和井喷火灾作为典型的火灾事故场景。表1概括了海洋平台不同作业阶段火灾危险性。

表1　不同作业阶段火灾危险性分析

2　基于贝叶斯网络的海洋平台火灾概率预测分析

火灾概率预测分析是非常复杂的任务，因为影响火灾概率的变量具有很大的随机性和不确定性，为解决随机性和不确定性问题，将贝叶斯网络引入到海洋平台火灾概率预测分析[5-6]。根据火灾事故场景分析，建立基于贝叶斯网络的海洋平台火灾概率预测分析模型，模拟设备故障、人因错误和组织缺陷对火灾事故的影响，预测不同场景下火灾概率及其关键致因因子的影响程度。

2.1压缩机单元火灾概率预测分析

压缩机单元火灾事故场景包括生产作业过程中由于人员操作失误、设备故障导致压缩机气缸、阀门、管道螺纹和管道连接泄漏，被压缩机排放管道热表面、压缩机排放热和焊接火花等不同类型火源点燃的火灾事故。例如，作业人员打开阀门进行取样；移除临时连接后隔离阀处于打开状态；压缩机排放管道连接处断开；阀门处于打开位置；违反作业指导，使用不同类型的螺母、法兰和填充材料替代标准配件，导致螺纹、法兰松动发生泄漏。主要点火源类型是压缩机排放热、排放管道热表面，以及焊接火花和焊接熔渣等。根据历史事故统计分析确定可靠的火灾事故场景，利用贝叶斯网络建立压缩机单元火灾概率预测分析模型，见图2。

图2　压缩机单元火灾概率预测分析

图2模拟结果表明，海洋平台压缩机单元火灾频率为2.1×10-4次/a。导致压缩机单元火灾事故的主要基本事件先验频率、后验频率和重要度序列见表2。结果表明，没有遵守作业指导、管道布局不合理、人员操作失误、排放管道断开、没有热作业程序和绝热层损坏是导致海洋平台压缩机单元火灾的关键因素。其中，41.1%的压缩机单元火灾与没有遵守作业程序有关；没有遵守作业程序、人员操作失误、阀门故障、超压和监督不足是造成碳氢化合物泄漏的主要因素；没有遵守作业程序、管道布局不合理、排放管道断开和没有热作业程序是导致点火源存在的主要原因。其中管道布局不合理是指压缩机、发动机和发电机等排放管道出口与工艺设备安全距离不足，排放槽敞开，排放管道通往生活区、控制室底部甲板等。

表2　压缩机单元基本事件频率值及其重要度序列

2.2热处理单元火灾概率预测分析

海洋平台热处理单元火灾场景主要包括热处理器火管破裂和热介质单元设备泄漏火灾。在热处理过程中，如果热处理器处理的石油产量降低，为了到达可接受的操作范围，石油需要在加热器火管停留更长的时间以确保石油产品达到工艺条件，增加了火管温度上升的可能性，同时也增加了火管表面烧焦固体物质和火管内部泥浆可能性，使得火管温度增加，而散热能力降低。正常生产模式，火管内的火焰模式是在火管中心，如果火焰中心改变，会造成热点和热应力。火管长期遭受高温峰值会严重削弱火管刚性强度，在热点地方只需要一点点压力差异就会导致火管破裂。历史事件处理过程显示，为了节约经费或者是错误的风险评估，没有对火管进行替换，只是进行了修补，导致火管老龄化最终破裂泄漏。除此之外，热处理单元其他工艺辅助设备，例如热介质循环泵、热介质锅炉、原油日用罐和热介质泄放罐等由于工艺异常、人员操作失误、阀门、法兰和螺纹等工艺部件故障导致泄漏，大大增加了碳氢化合物泄漏概率。碳氢化合物泄漏一旦发生，遇火管燃烧器火焰、焊接火花、设备热表面可能发生喷射火、闪火和爆炸等。根据火灾事故场景，利用贝叶斯网络建立热处理单元火灾概率预测分析模型，见图3。

图3热处理单元火灾概率分析

模拟结果表明，海洋热处理单元火灾频率为2.2×10-4次/a。导致热处理单元火灾的主要基本事件的先验频率、后验频率及其重要度序列见表3。结果表明，没有遵守作业程序、缺乏日常检查、监督不足、缺乏定期维修程序、损坏绝热层和节约经费对海洋平台热处理单元火灾影响最大，其中，24.9%的热处理火灾事故与没有遵守作业指导有关,14.9%和12%的热处理火灾事故与缺乏日常检查、监督不足和缺乏定期维修程序有关。监督不足、安全意识不足和节约经费对火管破裂事件有重要影响，安全意识不足导致压力安全阀、高温水平装置等安全设备被旁路，同时没有人员监督导致加热器超压、过热，削弱了火管刚性强度。从安全屏障的角度出发，制定定期维修程序和进行日常检查能够及时发现火管表面刚性能减弱，及时进行维修，将大大降低火管破裂的可能性。绝热层损坏是点火源影响最大的事件，其次是没有遵守作业指导、没有特定作业程序和没有专职热作业监督人员造成的焊接火花。

表3　热处理单元基本事件频率及其重要度排序

2.3井喷火灾概率预测分析

在钻井过程中，当钻遇高压油气层，而油气层的压力高于井筒内液柱压力时，油气将进入井筒，从而导致井筒内的液柱由于天然气侵入而比重降低，发生溢流，若不及时采取措施，消除井筒内的气体，适当加大钻井液密度，使井内压力达到平衡，将会发生井涌现象。钻井人员时刻注意溢流前的种种前兆：泵压上升或下降；钻井液循环出口流量增大、减少或断流，池液面上升或降低；钻井液中出现油、气、水显示；悬重变化。当发现溢流后，通过防喷器、节流阀、井下安全阀和井上安全阀等井控系统尽快关井[6]，如果井控系统失效，大量油气将从井口喷出，导致井喷事故的发生。喷出的碳氢化合物若遇到金属撞击火花、明火、电气火花、静电火花等点火源将导致着火，发生井喷火灾事故。据此，图4建立了井喷火灾概率预测分析模型。

图4　井喷火灾概率分析

模拟结果表明，井喷火灾频率约为1.0×10-5次/a。表4是井喷火灾中涉及到的主要基本事件发生先验频率、后验频率和重要度排序。模拟结果表示，没有遵守作业人员、沟通不足、临时变更作业人员和没有详细的井控程序是造成井喷事故的主要原因。其中，34.8%的井喷火灾事故与没有遵守作业指导有关；13.2%的井喷火灾事故与沟通不足有关；10.1%的井喷火灾事故与临时变更作业人员有关。而撞击火花是导致井喷火灾的主要点火类型，其次是焊接火花和静电火花。

表4　井喷火灾基本事件频率及其重要度排序

3　结语

由于历史数据来源于固定式平台，因此本文结论主要适用于固定式平台，但是所提出的方法和模型适合于所有类型海洋平台火灾概率的分析。

(1)火灾事故是设备、人因和组织因素耦合作用的结果，基于贝叶斯网络的海洋平台火灾概率预测分析模型，能够有效地模拟设备、人因和组织因素对火灾事故的耦合作用，并进一步定量评估海洋平台火灾风险。

(2)贝叶斯网络结果表明，压缩机单元泄漏火灾发生频率为2.1×10-4次/a，热处理单元泄漏火灾发生频率为2.2×10-4次/a，井喷火灾发生频率约为1.0×10-5次/a。其中，41.1%的压缩机单元泄漏火灾、24.9%的热处理单元泄漏火灾和34.8%的井喷火灾事故与“没有遵守作业指导”有关；其次，“管道布局不合理”、“缺乏日常检查”和“缺乏沟通”分别是压缩机单元火灾、热处理单元火灾和井喷火灾中仅次于“没有遵守作业指导”的关键事件。

(3)根据历史统计数据和贝叶斯推理，得到不同场景火灾的发生概率和所有致因因子的重要程度及其序列，能够为安全屏障的定量分析和海洋平台安全管理提供科学依据。

[1]KHAN F I, AMYOTTE P R, DIMATTIA D G. HEPI: A new tool for human error probability calculation for offshore operation [J].Safety Science，2006,44(4):313-334.

[2]DIMATTIA D G, KHAN F I, AMYOTTE P R. Determination of human error probabilities for offshore platform musters[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2005,18(4):488-501.

[3]BSEE.Panel investigation reports[EB/OL].[2015-07-02].http://www.bsee.gov/Inspection-and-Enforcement/Accidents-and-Incidents/Panel-Investigation-Reports/Panel-Investigation-Reports/.

[4]BSEE.Current safety alerts[EB/OL].[2015-07-02].http://www.bsee.gov/Regulations-and-Guidance/Safety-Alerts/Safety-Alerts/.

[5]WANG Y F, XIE M, NG K M, et al. Probability analysis of offshore fire by incorporating human and organizational factor[J]. Ocean Engineering,2011(38)：2042-2055.

[6]闫放,许开立,姚锡文,等. 生物质气化火灾爆炸事故BN-LOPA分析[J].工业安全与环保,2015,41(5):91-94，44.

李玉莲，女，1991年生，硕士研究生，主要从事海洋平台火灾爆炸风险评估。

Probability Analysis of Offshore Fire Based on Accidents Scenarios Statistical Data

WANG YanfuLI YulianYAN PeinaZHANG Biao

(Departmentofmechanical，ChinaUniversityofPetroleumQingdao，Shandong266580)

According to the statistics of fire accidents from Bureau of Safety and Environmental Enforcement, the typical offshore fire scenarios are identified as compressor unit fire, heat treatment unit fire and blowout fires. Bayesian Network method is used to calculate the probability of different fire scenarios and identify the important degree of fire causes. The calculation results show that occurrence probability of compressor unit fire is 2.1×10-4, probability of heat treatment unit fire is 2.2×10-4and probability of blowout fire is 1.0×10-5; 41.1% of the compressor unit fire, 24.9% of the heat treatment unit fire and 34.8% of the blowout fire are caused by the factor of “not comply with instruction”. In the next place, “unreasonable piping layout”, “lack of routine inspections” and “lack of communication” also contribute greatly to the occurrence of compressor unit fire, heat treatment unit fire and blowout fire respectively.

Bayesian Networkoffshore fire accidentaccidents scenarios statistical dataprobability analysis

国家自然科学基金青年科学基金(51409260)，山东省自然科学基金面上项目(ZR2012EEM023)，中央高校基本科研业务费-专项资金资助(14CX05035A)。

王彦富,女，1981年生，博士，副教授，主要从事海洋平台火灾爆炸风险评估、深水井喷应急技术研究、隧道火灾研究和事故致因的定量分析等。

2015-07-14)