基于半定量方法的深水海底管道应急维修风险评估研究

骆寒冰， 季红叶， 刘 鑫， 边大勇， 贾璐瑾

(1.天津大学船舶与海洋工程系， 天津 300072，2.海洋石油工程股份有限公司维修公司， 天津 300461)



基于半定量方法的深水海底管道应急维修风险评估研究

骆寒冰1， 季红叶1， 刘 鑫1， 边大勇2， 贾璐瑾2

(1.天津大学船舶与海洋工程系， 天津 300072，2.海洋石油工程股份有限公司维修公司， 天津 300461)

随着我国南海深水油气田的开发利用，深水海底管道维修研究成了行业关心的热点问题之一。在调研国内外相关企业维修技术的基础上，形成了500 m和1 500 m海底管道维修工艺流程。根据DNV船级社海洋工程相关规范，提出了深水海底管道维修的半定量风险评估方法，开发了相应的风险评估软件系统。最后，分析比较了500 m和1 500 m水深海底管道的机械连接器应急维修流程，应用专家打分法开展了风险分析，并推荐了相关风险控制的措施。

深水海底管道；应急维修；半定量方法；风险评估

risk analysis

0 引言

海底管线是海上油气开发系统的重要组成部分。我国南海海域的地理情况复杂多变，随着我国南海海上油气田的开发，深水海底管道维修技术的重要性逐渐突显。荔湾3-1气田是我国第一个真正意义上的深水气田，该气田位于南海东部、香港东南约300 km处，所处海域深度1 300 m～1 500 m，已于2014年7月建成并稳定投产供气。但是，国内对深水油气田的开发起步较晚，相关公司在海底管道维修方面，还没有超过300 m水深的海底管线维修案例。以前，国内的海底管道大多集中铺设在滩涂及浅海区域，通常采用干式维修技术。惠州19-2 海底管道抢修项目[2]是国内工程公司第一次涉及超过100 m(120 m)水深的海底管道维修项目，采取水下更换和封堵相结合的修复方案，以动力定位船舶作为海上施工平台，利用ROV ( 水下机器人) 进行管道切割作业，用搭载漏点检测设备进行漏点检测，由饱和潜水员完成水下管段更换和临时封堵夹具安装。随着该项目的完成，国内工程公司也积累了一定的深水海底管道维修经验，但是，在开展1 500 m水深的海底管道维修方面仍存在较大的技术困难。

海底管道工程涉及工序复杂、所涉专业广泛，受恶劣的海洋环境和复杂的作业流程以及设备条件的制约，投入人力物力巨大且历时长，在海底管线的设计、施工、运行及维修各个阶段都存在着复杂多变的安全隐患，具有高投入、高回报、高风险的特点，一旦事故发生，将会造成巨大的经济损失、严重的环境污染及恶劣的社会影响。相关海洋工程企业和科研机构一直非常重视海底管道的风险评估和风险控制问题，并开展了一系列海底管道风险分析方面的研究工作。潘家华[3]将Kent编著的《管道风险管理手册》中的管线风险评价技术引入到国内，该评价技术采用半定量风险分析法(专家评分法)。余建星等[4]对工程风险分析中的风险当量及其评价标准进行了研究。赵东岩等[5]从海底管道失效因素的分析入手，重点研究了海底管道风险评估的流程及风险等级的划分方法。管道完整性管理的方法最早由API[6]提出，目的是为了降低事故发生的可能性。DNV船级社的推荐流程DNV-RP-F116[7]介绍了海底管道系统的风险分析和完整性管理方法，并推荐了评估步骤。

国际上Sonsub、Oceaneering、Oil States、Statoil等公司在深水海底管道维修技术方面处于领先地位，为油田营运商设计和制造深水海底管道维修所需的主要设备和工机具，并提供海底管道维修技术支持。国内深水水下维修技术与国际先进水平存在较大差距，随着南海深水油气田的开发，深水海底管线维修技术的研究迫在眉睫，缺少相关维修技术，我国海洋深水油气资源开采将受到国外工程公司的制约[8]。目前国内的海底管道风险分析重点关注管道的设计、运营阶段，对管道维修流程的风险评估开展的较少，而海底管道维修对于深水油气资源的开发至关重要。因此，有必要针对深水海底管道应急维修问题开展风险评估研究工作。

1 深水海底管道应急维修风险评估原理

1.1 深水海底管道应急维修流程

通过调研海油工程维修公司和深圳海油工程水下技术有限公司、国外Sonsub公司[9]、Oil States公司的深水海底管道维修方法，总结了不同水深下海底管道的机械连接器维修、带压开孔封堵维修、封堵夹具维修三种方式的维修流程以及所用工机具。不同水深下的管道维修工艺不同，所使用的设备和工机具也不尽相同，60 m～300 m水深可以使用饱和潜水工艺，500 m以下可能需要使用到单人常压潜水装置(ADS)，超过500 m水深只能使用水下机器人(ROV)进行作业。该重点讨论500 m和1 500 m水深下的机械连接器维修流程。

500 m水深下的机械连接器维修过程中，需要用到如单人常压潜水装具(ADS)、ROV、多功能维修机具、提管架、吸泥机、机械法兰连接器等多种工机具。维修过程可以划分为20个步骤，500 m水深机械连接器维修流程如图1所示。

图1 500 m水深机械连接器维修流程

1 500 m与500 m水深的机械连接器维修相比有以下四点不同：

(1) 1 500 m不能再使用ADS，这是由于ADS不能在超过500 m的水深处使用；

(2) ROV的灵活性和水下机具设备的集成程度要求更高；

(3) 水下维修机具和设备的密封耐压等级满足1 500 m水深要求；

(4) 吊缆缆绳材料应该选取合成纤维缆。

1.2 深水海底管道应急维修风险分析方法

图2 深水海底管线应急维修风险评估流程图

海洋工程结构物的风险评估方法可以分为以下三类：(1)定性分析方法，即采用专家意见来确定某一危险事件的发生概率和后果，如:危险与可操作性分析(HAZOP)；(2)定量分析方法，即采用统计方法和现有的数据库来确定危险事件的发生概率和后果，如：故障树/事件树分析、敏感性因子法、概率风险评估(PRA)等；(3)半定量的分析方法，这是一种介于两者之间的方法，如：设施风险评估(FRR)。

通常根据对风险事件的频率以及后果的熟悉程度，判断选用合适的风险分析方法。对于深水海底管道应急维修而言，国内在技术方面还处于研究阶段，要对其流程中的风险事件精确量化难度较大，所以该文采用半定量的风险分析方法，具体评估流程如图2所示。

(1) 定义系统

定义系统的目的在于确定要进行风险评估的模型，为给深水海底管线应急维修系统建模，必须了解整个维修流程以及所用的工机具。

(2) 风险辨别

风险辨别的目的在于找出所有可能的风险，这些潜在的风险往往是导致系统发生严重事故的诱因，其中某些风险本身可能就是严重的事故。深水海底管道的维修系统包括多个组成部分，影响系统安全性的因素,包括人员因素、海洋环境风险、设备故障和设备作业风险四个方面。在管道维修的过程中任何一个方面出现问题都可能导致严重的事故发生，每个方面失效可能由多个影响因素造成，因此要全面的对风险源进行辨别。

风险辨识采用事故树的方法，对维修过程中的失效影响因素进行辨别，并根据海油工程维修公司和深圳海油工程水下技术有限公司多次调研，查阅了国内外相关文献，进行了多次修改，得到了500 m及1 500 m水深下三种维修方式的风险辨别结果。

(3) 风险分析

风险估算的过程采用专家打分的方法。评估过程中所用到的风险接受矩阵在DNV船级社的DNV-RP-F116风险矩阵基础上进行了修正，见表1。为了保证风险评估结果的客观性，参与风险打分的人员必须为涵盖不同学科背景并具有相关项目经验的专家，打分过程不应受到其它因素的影响，尤其是管理者政治因素的影响。

整个估算过程分为顶层事件评价和底层事件评价两个部分。对顶层失效事件打分时，专家需权衡维修流程中所有维修步骤的重要程度，然后给出每个步骤在整个维修流程中所占的权重值，所有步骤的权重值之和为1。底层事件评价包括风险评价和风险等级计算两个步骤，其中风险评价包括频率评价和后果评价两部分。

频率评价等级由低到高分为1～5级，分别表示罕见的、不太可能的、不频发的、偶然的和频繁的，具体的等级对照见表1。

与频率评价相同，后果评价等级也由低到高分为1～5级。当风险可能导致人员无伤害，微小环境影响，微小资产损失(>200元)时，认为风险后果是可忽略的，等级为1级；当风险可能导致单个人员的轻微伤害，或者较小的环境影响，或者较小的资产损失(>2 000元)时，认为风险后果是微小的，等级为2级；当风险可能导致单个人员的严重受伤/少量人员的较小伤害，或者重大环境影响，或者较大资产损失(>20 000元)时，认为风险后果是重大的，等级为3级；当风险可能导致单个人员死亡/少量人严重受伤,或者巨大环境影响，或者重大资产损失(>200 000元)时，认为风险后果是危险的，等级为4级；当风险可能导致少量人死亡，或者大规模环境影响，或者资产极大损失(>2 000 000元)时，认为风险后果是严重的，等级为5级。

风险量化结果由后果评价及频率评价结果根据表1所示的矩阵计算得出，根据量化结果的大小将风险分为五个等级。量化结果大于1小于6时，风险等级为1级，为可接受的风险，是无关紧要的；量化结果在7～10之间时，风险等级为2级，为可接受的风险，风险较低无需采取措施；量化结果在11～15之间时，风险等级为3级，为可接受风险，需制定减小风险的措施；量化结果在16～19之间时，为不可接受风险，需要采取一定的措施；量化结果在20～25之间时，为5级风险，为不可接受风险，需要立即采取措施。

表1 量化的风险接受矩阵

(4) 风险评估

风险分析结束后，将分析结果进行数据整理并通过分析得到风险评估结果。评估结果通常以报表或者报告的形式输出，应包括以下内容：(1)判断设计方案是否满足一定的风险准则；(2)提供选择方案的各种事故失效概率，以便通过比较做出选择；(3)找出影响系统风险的主要因素，并且提出改进意见。

1.3 深水海底管道应急维修风险分析信息系统

基于上述的风险分析方法，采用VB6.0以及ACCESS数据库技术，开发了深水水下应急维修风险分析信息系统。可以针对500 m和1 500 m水深下的带压开孔封堵维修、封堵夹具维修以及机械连接器维修三种维修方式开展风险分析。软件的系统结构图如图3所示。

图3 深水水下应急维修风险分析信息系统软件结构图

为了得到专业可靠的数据，邀请了数位海洋工程安装维修领域的专家进行独立客观地评分，然后将各位专家的评分数据综合整理形成原始数据库，并编入软件供以后用户参考。考虑到每个专家的专业性不尽相同，将根据各位专家的职称以及工作年限为专家评定等级。综合各位专家的打分结果时根据式(1)～式(3)进行。

(1)

(2)

(3)

式中：wj为第j个顶层事件的权重值；wij为第i位专家为第j个顶层事件评出的权重值；qk为第k个底层事件的量化结果；qik为第i位专家为第k个底层事件评出的量化结果；ri为第i位专家的等级；n为专家个数；r为原始数据库的平均专家等级。

该信息系统可以提供三种不同的分析方式:

(1)单独使用原始数据库中的数据分析，也就是直接使用整理出的数据结果进行分析；

(2)单独使用用户添加的数据分析，用户重新对风险源进行打分，然后使用打分数据进行分析；

(3)综合使用用户的数据和原始数据库中的数据综合分析，将用户添加的打分数据与原始数据中的数据进行加权计算后再进行分析。使用综合数据分析时，加权公式如式(4)、式(5)所示。

(4)

(5)

式中：wj为第j个顶层事件的权重值；w1j和w0j分别表示用户为第j个顶层事件添加的权重值和原始数据库中第j个顶层事件的权重值；qk为第k个底层事件的量化结果；q1k和q0k分别表示用户为第k个底层事件打出的量化结果和原始数据库中第k个底层事件的量化结果；r1和r0分别表示用户的专家等级和原始数据库的平均专家等级。

2 深水海底管道应急维修风险评估应用实例

针对海底管道的机械连接器维修方式，分别考虑500 m和1 500 m水深的情况，进行风险评估。

2.1 风险辨别

以500 m水深机械连接器维修的多功能维修机具回收失效事件为例，事故树如图4所示。由于在1 500 m水深的维修过程中不能使用ADS，与该500 m水深的相比，1 500 m水深的事故树没有与ADS相关的几个风险因素。

图4 维修机具和设备回收失效事故树(500 m水深机械连接器维修)

2.2 风险分析结果

根据原始数据库中的专家打分数据分析，对500 m和1 500 m水深的机械连接器维修风险的专家打分结果进行排序，并筛选出顶层失效事件权重值排在前三位且底层失效事件量化结果大于11的失效事件，得到危险失效事件的统计结果见表2、表3。由表2、表3可以看出：水深500 m时，前三位危险维修步骤分别为维修机具和设备回收、ADS下放、维修前准备；而1 500 m水深时，前三位为维修机具和设备回收、维修前准备、机械连接器安装。

500 m水深维修的时候，需要用到ADS设备，其中有工作人员下去，涉及到人身安全风险，因此，与ADS相关的设备风险比较高。而1 500 m时候，用ROV设备，主要是财产安全风险，因此，人员因素和环境因素的风险相对高一些。

表2 500 m水深机械连接器维修危险失效事件统计表

表3 1 500 m水深机械连接器维修危险失效事件统计表

2.3 风险评估及风险控制

由风险分析结果可知，500 m和1 500 m水深的机械连接器维修的风险都属于可接受风险，但部分风险等级较高，需制定相应的减小风险的措施。

500 m水深时，由于用ADS，高危风险侧重于ADS相关的设备作业风险和设备故障。提出以下风险控制建议：(1) 在施工前要严格检查设备的运行情况、安全性以及环境适应性；(2) 并对维修工艺流程严格把关，做好可行性与安全性测试；(3) 注意加强一线操作人员的专业技能培训以及风险与安全培训；(4) 合理安排员工的工作时间，避免疲劳操作。

1 500 m水深时，采用了ROV，不需要工作人员下去，高危风险侧重于相关的人员因素和环境因素。提出以下风险控制建议：(1) 加强各部门之间的联系性与协调性；(2) 增加适当的奖惩制度，调动员工的积极性，将责任落实到个人；(3) 现场项目组的分工要合理明确，互相配合，避免管理盲区；(4) 加强环境监测，提前准备好恶劣海况的应对措施。

3 结论

在开展国内外调研的基础上，总结出了500 m和1 500 m水深下海底管道的机械连接器维修流程。提出了采用半定量分析法的深水海底管道应急维修风险评估原理，并在此基础上开发风险评估信息系统，对两种水深下的维修流程采用该信息系统开展了风险分析工作，并根据风险分析结果给出了相关的风险应对措施。该文的研究成果可以应用到深水管道的应急维修中，有助于降低维修过程中的风险成本，减少事故的发生，保障人身、财产和环境的安全。

[1] 房晓明.海底管线干式维修技术[J].哈尔滨工程大学学报,2008, 29(7):651-657.

[2] 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.

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

[4] 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.

[5] 赵冬岩,余建星,王琮,李秀锋.基于风险的海底管道安全评估方法研究[J].海洋技术,2010,29(1):56-59.

[6] API.ManagingSystemIntegrityforHazardousLiquidpipelines [S].2001.

[7] DNV-RP-F116. Integrity ManagementOf Submarine Pipeline Systems[S].2009.

[8] 谢芃,吴海欣.基于水动力的深水水下应急维修作业风险分析研究报告[R].天津：海洋石油工程股份有限公司，2013.

[9] SUN Cheng-gong,MAO Dong-feng, ZHAO Tian-feng. Investigate Deepwater Pipeline Oil Spill Emergency RepairMethods[J].Aquatic Procedia 3, 2015:191-196.

Risk Analysis of the Emergency Repairing for Deep-sea Pipeline Using Semi-quantitative Solution

LUO Han-bing1, JI Hong-ye1, LIU Xin1, BIAN Da-yong2, JIA Lu-jin2

(1 Department of Naval Architecture and Ocean engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.Repair Division, Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300461, China)

The research on the emergency repair for the deep-sea pipeline is one of the concern topics for the domestic offshore oil engineering, especially when the gas/oil exploration is moved to the South China Sea. The emergency repairing procedures for the subsea pipelines (flat tube)under 500 m and 1 500 m water depth are developed after the state-of-the-art of relevant techniques are investigated from the domestic and oversea companies. Risk analysis using semi-quantitative assessment solution is suggested according to relevant definitions in DNV rules. Then one code is developed for the risk analysis. Repairing examples using the mechanical connector under 500m and 1 500 m water depth are given. The risk levels are assessed using expert scoring method. Finally, the suggestions are recommended to reduce the probability of accidents.

deep-sea pipeline; emergency repair; semi-quantitative solution;

2015-06-23

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05027-005)。

骆寒冰(1976-)，男，副教授。

1001-4500(2016)05-0093-08

P75

A