固定式海洋平台结构风险设计方法综述

李晓冬，唐文勇

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 200240; 2. 青岛理工大学 山东省城市灾变预防与控制工程技术研究中心,山东 青岛 266003)

固定式海洋平台结构风险设计方法综述

李晓冬1，2，唐文勇1

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 200240; 2. 青岛理工大学 山东省城市灾变预防与控制工程技术研究中心,山东 青岛 266003)

海洋平台的结构设计中主要考虑海洋环境和工作荷载作用，但近年来事故荷载的影响日益引起设计者关注。在此背景下，以固定式导管架平台结构为目标，综述当前针对事故荷载的风险设计方法的应用现状。首先论述在事故极限状态设计中应用风险分析的必要性；随后综述通用规范，如NORSOK、DNV、API等规范系列中对风险分析方法的使用现状，包括风险决策的不同层次、安全标准的各类形式，重在分析各类规范相关规定的异同，探讨各类方法的适用性；最后结合我国现状，论述若针对事故荷载编制基于风险方法的设计规范，目前尚存的问题，以及解决途径。

海洋平台；结构设计；基于风险的设计；安全水平；风险分析；概率法

Abstract: Traditionally, the effects of ocean environmental loads and working loads are normally assessed in offshore structural design, but the accidental loads effects have gotten more and more attention recently. In this context, the application status of risk-based accidental limited state design methodology especially for fixed offshore platform structures were commented. In detail, the necessity of using risk analysis method in accidental limited state design was firstly analyzed. Consequently, some risk-based design methods in general standards, e.g. NORSOK, DNV and API standard, were summarized, which involved different levels of risk decisions and kinds of risk acceptable criteria. On this basis, the features and advantage of these provisions in different standards were compared in order to understand their applicable condition. At last, the present problems and solutions of drawing up risk-based design codes of offshore structures under accidental loads in China were discussed.

Keywords: offshore platform; structure design; risk-based design; safety level; risk analysis; probability method

海洋工程结构的设计方法主要有工作应力法(WSD)和荷载抗力系数法(LRFD)[1]。WSD法是比较成熟的确定性方法，而LRFD法是简化的概率法。挪威船级社的DNV规范倾向于使用LRFD法[2]，而美国石油学会的API规范推崇WSD法，但1992年以后也推出了基于LRFD法的规范，当前两个版本并行使用[3-4]，说明概率法设计代表先进发展方向。中国海洋石油领域采用API规范，因此也建立了并行的行业标准[5-6]，但当前仍使用WSD法为主，这是因为API的LRFD法中使用的各类荷载值及荷载系数是根据美国墨西哥湾的情况确定的，在我国海域直接使用存在误差。近年来，我国专家对LRFD展开大量研究，例如通过标定计算，分析适合我国各海区的荷载及系数。此类工作中，最新的课题当属对事故载荷的研究。

传统的固定式海洋平台结构设计不考虑事故载荷(例如火灾、爆炸、船舶碰撞、高空落物，等等)的作用，人们经验上认为：事故虽然破坏性强，但属于低频率偶发事件，对平台的安全威胁不大。但近几十年来，随着海洋开发的不断深入，海洋平台屡次发生恶性事故，例如：“Herald of Free Enterprise”(1987)、“Derbyshire”(1980)和“Piper Alpha”(1988)等事故造成巨大人员伤亡，而“Amoco Cadiz”(1978)、“Prestige”(2002)、“Deepwater Horizon”(2010)等造成严重环境灾难。这些事故引起世界广泛关注，也促使设计者开始重视平台结构在事故中的安全表现。当前，API和DNV的结构设计规范均已包含了应对事故荷载的内容。事故不同于环境载荷，其发生发展过程主要受设备失效、人为失误的影响，不确定性因素更多、更复杂。为此，API和DNV规范均引入了更高级别的概率方法——“风险分析”作为安全评估工具。

针对上述情况，以固定式海洋平台为例，综述针对事故荷载进行风险设计的相关问题。具体来说，首先论证“为什么”，即从理论角度分析为什么需要用风险方法评估结构安全能力。随后综述“怎么做”的问题，即如何开展基于风险的设计，包括不同层次的风险决策、不同形式的安全标准。最后论述“可行性”，即探讨针对事故的风险设计仍存在的问题，当前的研究热点和进展。本文可以为我国编制专门应对事故的，具备国际先进水平的、基于风险的结构设计规范提供参考。

1 针对事故荷载的设计方法

1.1极限状态法设计

当前海洋平台结构设计已很少依据弹性理论，大多使用极限状态设计，即规定一些特定极限状态，当结构整体或局部超过这一状态时即认为不符合设计要求。根据荷载特点可把极限状态分成四类：承载极限状态(ULS)；疲劳极限状态(FLS)；工作条件极限状态(SLS)和事故极限状态(ALS)。ALS中，结构安全校核应该针对两个问题：一是结构抵抗事故荷载的能力；二是事故后结构局部受损，其继续抵抗环境荷载的能力[7]。

1.2基于概率法进行设计

极限状态设计中，WSD法是确定性方法，成熟且使用简便，但也存在明显不足：假定各类荷载和结构抗力是确定值，安全校核时要求荷载效用之和必须小于结构容许应力。但实际上荷载和抗力都是随机变量，符合一定分布规律，要求结构可以抵抗所有可能出现的极端荷载，经济上难以承受，也无必要。事故荷载的随机性高且破坏性强，使用上述原则尤其不合适。解决问题的途径是可靠度设计法，其关键是制定目标安全水平(荷载小于抗力的概率)，来代替绝对安全的原则。但在设计实践中使用完全基于概率的方法有困难，例如各类不确定性(包括统计不确定性、模型不确定性、人为假定等等)必然会影响可靠度分析的准确性。

面对上述两难的情况，LRFD法是一个折中的方案。LRFD虽然与WSD的设计原则类似，也要求荷载效用之和小于结构抗力，但荷载特征值不是根据经验取定，而是根据荷载的统计分布，按照一定安全标准取其下限分位值。另外，LRFD分别设立抗力系数和荷载系数，根据各类荷载的变异大小，取不同系数，从而使结构面对不同荷载时具备统一的安全水平。对于标准化的设施，由规范推荐各类荷载及系数的取值，设计者直接采纳进行安全校核即可。LRFD是对可靠度设计的简化，因此也称半概率方法。

1.3基于风险的设计

风险评估和结构可靠度分析一样，也是概率方法，但两种方法属于不同理论体系。结构可靠度分析是结构设计方法，仅以结构为研究主体，以其失效概率衡量结构安全水平。而从安全理论来说，系统在外部威胁下表现出的安全水平通常由风险值衡量。在定量风险评估中，风险值等于损失(人员伤亡、环境污染或财产损失)与该损失出现概率之积，风险越小系统越安全。

海洋油气设施是复杂系统，包括结构、工艺、存储、锚泊等子系统，结构风险只涉及和结构损伤有关的事故(其它事故，如火灾直接造成人员伤亡等不予考虑)，是平台总风险的一部分。理论上说，基于风险的设计应确保平台系统面对各类威胁表现出的总风险值低于一个可接受水平。但现实中很难实现，目前仍是各类子系统分别设计。具体对结构系统而言，更是针对不同威胁和不同失效模式分别校核其安全性。结构的安全威胁主要是外荷载作用，ULS、FLS、SLS和ALS四类状态下外荷载的性质是不同的(如表1所示)。

表1 结构安全威胁的对比分析

ULS、SLS和FLS研究的是正常工作状态下的结构失效问题，直接原因是工作与环境荷载作用；但由于这些荷载无法避免，结构失效的本质原因其实是自身安全阈值不足，和其它系统无关。在风险设计中，当结构失效的后果确定时，可以仅用结构失效概率表征风险水平。因此，面对正常工作荷载，采用可靠度方法评价结构安全是合理的，当前各类规范也主要是采用可靠度方法的简化方式——“半概率法”进行设计(如1.2所述LRFD法)。

而ALS的发生与结构系统无关，内在原因是其它子系统失效(如设计建造的质量缺陷；阀门泄漏；防火预警失灵等)，直接原因是人为失误，结构失效仅是事故的结果之一。此时，结构安全评估的任务十分复杂，包括确认：哪些事故场景需要考虑？事故荷载的分布规律？哪些是结构安全关键构件？等等。这些问题都需要经典的风险分析方法解决。

但是对于成熟的海洋设施(固定海域、标准化的布置及构件类型)，主要事故威胁、安全关键构件明确，而且可以参考事故记录、设计经验，得到完整的事故载荷分布规律，从而具备了和ULS相似的计算条件，因此也可以用可靠度方法或LRFD法评价结构安全。详细应用情况将于第2节论述。

2 基于风险的设计决策体系

2.1概述

API把使用风险方法进行的设计决策归纳为三类任务：基于风险的筛选；基于风险确定名义载荷和基于风险的设计[8]。由图1可见：事故筛选是ALS设计的首要工作，合理的途径是以风险作为指标，选取对结构影响大的事故进行安全校核。具体设计中，条件允许时，LRFD因1.2所述优点，是首选方法，此时需借助风险标准确定名义荷载，当极限状态方程校核无法达标时，可以进一步借助风险评估来判断结构能否满足安全目标；另外对于无法确定名义荷载的结构物，也必须直接使用基于风险的安全评估。

图1 基于风险的ALS设计决策框架Fig. 1 Decision-making procedure of risk based ALS design

2.2基于风险的筛选

在结构设计初期，需要决策是否针对某类事故进行ALS设计。按照DNV-OSS-121规范的规定，该决策过程是“利用风险指标把影响微小或次要的危险排除，这包括那些极不可能发生的危险及其次生灾害(由于某类保护措施有效)，或者那些对人员及财产造成后果极小的危险类型。”[9]

在风险评估方法体系中，进行此类决策使用风险识别方法；由于设计初期缺乏具体数据，使用HAZOP、FEMA、WHATIF等定性方法是常见选择[10]。例如，API-RP-2FB规范是针对火灾爆炸危险的结构设计规范，由于此类事故通常与原油泄漏、点燃等工艺风险有关，规范使用“工艺设施检查法”进行风险识别[8]，符合下列情况时认为火灾爆炸风险足够小，以至不需进行ALS设计：就事故后果来说，平台应该拥有少量设备，如有限的井口、储罐及其附属管道(对应较低库存)；空间足够开放(包括甲板在内不超过两个固体边界)；无人值守，等等。就事故发生来说，与后果因素相似，要求平台小、工艺简单(对应较低泄漏和点燃频率)；设备数量少；低频率管控、维护(对应较少失误)，等等。

2.3基于风险确定名义载荷

NORSOK和DNV的相关规范[2, 11-13]主要针对北海的固定式导管架平台编制，这些平台设计方案成熟，有完善的事故记录，因此规范采用LRFD法。

例如NORSOK-N-001规范[11]要求按照超越概率10-4的标准确定事故载荷的名义值，而此超越概率是由风险标准倒推出来的。图2演示了该过程，其中有两处代换体现了LRFD其实是风险设计的简化：首先，以载荷超越概率10-4代表结构受损概率，此简化忽略了结构抗力的不确定性，结构失效概率主要由事故载荷不确定性决定。另外，假设平台在整体倾覆时造成的后果固定，因此以平台倾覆概率代表死亡50～100人事故的出现概率，即以结构可靠度指标代换了事故风险指标。

上述基于LRFD的规范虽然以风险值提出目标安全水平，但却通过图2中的过程对事故荷载提出名义值，并规定事故载荷系数取1；因此还不属于基于性能的设计(performance based design)，仍然是基于规定的设计(prescriptive based design)。

图2 名义载荷确定过程Fig. 2 Procedure of determining nominal loads

2.4基于风险进行设计

直接基于风险的设计应该由规范提供目标安全水平，规定风险评估流程；在设计中，由设计者具体评估风险大小，并采取控制措施以确保平台可以达到安全目标。使用这类风险决策是真正基于性能的设计，能给予设计者更多自主权。许多国家以法令形式规定对海洋平台进行安全评估，DNV-OS-A101[9]和NORSOK-Z-013[14]规范也都曾对安全评估方法做过介绍。但此时的安全评估不仅是安全管理的文件，更要作为结构设计的决策工具。风险评估与结构设计过程的关系可用图3来表示。

图3(a)是DNV-OS-A101规范提出的风险设计一般过程，深色部分是必须由安全评估完成的任务。此时，风险识别须找出三类目标：减小风险的措施；关键构件及其关键性能参数；事故场景(事故怎样发生、发展，造成结构怎样失效，等等)。风险估计选用的方法及精度则由设计决策的具体需要来定。风险评价使用的安全标准由设计规范设定。减小风险措施包含三种类型：移除危险源；减少危险发生；缓解事故影响(包括增强结构承载或安全系统等)。此流程是针对包括结构在内各类设施的整体风险设计框架，但当前整体设计难以实现，仍以各系统分别设计为主。因此该流程仅宏观上提出了风险设计的基本原则。

设计中，必须考虑因为各类随机变量的影响，事故往往有多种场景，进而导致事故荷载水平和受影响构件差别很大，比如火灾，因为风向、风速，泄漏位置、速度等变量的随机变化，火灾的工况会有很多可能。但若对每个可能场景都分析结构的强度、刚度和延展性，工作量仍将十分巨大。对此问题，API-RP-2FB规范[8]使用风险矩阵对可能场景进行筛选：对于低风险场景不进行结构评估；而对采取了各类减缓措施后风险仍比较大的场景，则确定为设计工况，并校核关键构件的安全能力。图3(b)展示了该流程，其中“改变方案”是指改变平台布局或功能(例如从住人改为无人)，以期彻底改变风险状况；而“减小风险”是指通过缓解措施(例如加强结构承载、增设防爆墙等)降低风险。有研究表明[15]：设计时“改变方案”比“减小风险”更难操作，且付出代价更高；因此该流程中风险控制原则是优先考虑缓解措施，最后才改变方案。

图3中两个设计流程均是根据风险指标不断调整措施、继而重新评估的迭代过程，因此主要使用于概念设计阶段。最终的详细设计，则使用传统工具进行，确保概念设计中选择的方案(包括结构承载能力、安全预防和控制措施等)得到具体实现。

图3 基于风险进行设计决策的过程Fig. 3 Process of risk-based design making

3 基于风险的安全标准体系

在基于风险进行的ALS设计中，结构的安全标准是一系列基于风险建立的标准体系，通常包含目标安全水平、结构安全目标和功能表现标准。

3.1目标安全水平

使用概率法进行结构设计时，确定目标安全水平(target safety level，简称TSL)是首要工作。当使用结构可靠度评估结构安全时，TSL用结构的失效概率表示。使用风险分析方法时，TSL则通常表示为定量的风险值，而此时，TSL又会根据结构失效原因(事故类型)、失效模式和失效后果的差异而被分别建立，即表示为结构以某类模式失效的概率与失效后果的乘积。结构失效概率有时间跨度的要求(1年或平台整个服役期)，当失效后果以人员死亡衡量时，失效概率的时间跨度通常取为1年。

就事故类型来说，常见种类有火灾、爆炸、船舶碰撞和高空落物等。而结构失效模式主要可以分为局部损坏和整体倾覆。从方法上能够实现把TSL表示成一个风险值，但现实中针对不同事故和失效模式分别设立TSL，会使设计更方便。例如NORSOK-N-001规范[11]，以风险指标规定在北海中作业的常规固定式平台的TSL，即每年死亡50～100人事故(平台整体倾覆)的频率不高于6×10-5。既然各类事故给平台带来的风险基本相当[6]，可以把该TSL均分，要求平台受单类事故影响整体倾覆的概率不高于10-5。如2.3节所述，该规范推荐LRFD法，首先对构件抵抗局部损伤的极限状态校核，此时使用的事故荷载年超越率为10-4。然后再对损伤平台在工作荷载及环境荷载作用下发生整体倾覆的模式进行校核，上述荷载年超越率取为10-2，结构抗力为95%的分位数，而抗力和荷载的系数均取1，这样就使平台在局部受损情况下发生整体倾覆的条件概率保持在10-1的量级。从而确保平台在单类事故中整体倾覆的概率为10-4×10-1=10-5。

就事故后果来说，包括人员伤亡、环境破坏和经济损失，原则上可以都统一为经济指标，从而得到单一的定量风险水平值。但现实中，通常是分别计算，以最严重的为控制指标[16]，原因如下：首先是人员伤亡和环境污染换算成金钱时，标准难以统一。其次，都用金钱衡量容易误导设计者把利益最大化作为安全设计的目标。另外，造成人员伤亡和环境破坏的结构失效模式有差异，例如，人员死亡往往由平台甲板失效或整体倾覆等系统失效引起，而下部构件等局部损坏不会对人员构成威胁。环境污染则是由立管、海底管线和储罐等装置损坏，继而伴随泄漏而引发。上述损失由金钱统一衡量，不利于研究风险来源。因此，通常是根据人员伤亡与环境破坏指标来确定目标安全水平。

3.2结构安全目标和功能表现标准

TSL是设计海洋平台时的安全原则，但由于结构与各类事故发生并无关系，仅是破坏作用的载体，设计中应针对某类事故场景，进一步确定具体结构的损伤控制要求，DNV称其为结构安全目标(safety target，简称ST)[9]。ST的规定应确保实现TSL目标，当事故场景的出现概率不同时，ST的内容也相应改变。以API对结构抵抗火灾时的规定为例[8]：“对小概率(罕有发生)的场景，防爆墙或防火墙应留在原地、不裂纹、不与支撑物断开，发生有限变形，以免事故蔓延；安全关键构件应能有效减小事故影响，确保事故中切断危险源，人员安全逃生，火势得到控制；通讯设施、危险化学品的储运设施保持完好；整个平台在事故后应能避免倾覆或倒塌。对于中高概率(较频繁发生)的场景，则应把损伤限制在更小的范围，例如要求平台结构经历事故后，经检修能在短时间内恢复生产。”

对于安全关键构件，通常还需借助力学工具(理想弹塑性模型或非线性有限元工具)对其进行事故极限状态(ALS)的安全校核。此时，ST中对损伤后果的定性规定就显得笼统了，需要进一步转化为具体结构响应的临界指标，DNV称其为结构的性能标准(performance criteria，简称PC)[9]。事故通常引起能量耗散，例如碰撞事故中的动能释放，火灾中的热辐射等，这导致结构响应往往伴有远超过弹性极限的大变形或应变，因此在ULS中常用的弹性指标(如极限应力或弯矩)不再适合制定ALS下的PC，此时PC的规定应能直接或间接反映结构吸收事故能量的能力。以DNV-RP-C204规范[17]为例，使用基于动力学的塑性方法分析结构在ALS中的响应，在理想塑性模型中，针对构件横截面分析时，使用最大变形作为PC指标；而针对微小单元分析时，则使用极限应变。构件在伸展变形时，如果发生屈曲(受压区域)或裂缝(受拉区域)，将失去继续吸收能量的能力，此时，以发生上述情形时的结构临界状态作为PC。

需要注意的是，有些事故荷载(如火灾)并非瞬时发生，而是在一段时间中的动态过程。针对此类事故的PC应能反应结构物在事故中的耐久能力。例如API-RP-2FB规范[8]对H120级防火墙的PC规定：该级防火墙在池火中应能在120分钟内保持稳定完整，背火面升温到140℃所用时间不能少于120分钟。建立这类有关结构失效和时间历程PC很有意义，对建立事故应急体系有非常重要的支持作用。

4 风险设计方法的研究进展

如前面所述，基于风险的方法代表着固定式海洋平台ALS设计的发展方向，而且NOSOK、DNV和API等规范在使用风险方法方面已经取得成功经验。但在我国编制类似规范，仍有许多现实的障碍需要跨越，下面将从风险分析方法和目标安全水平两个方面来具体分析，并介绍相关研究进展。

4.1风险分析方法

对各类事故事件的风险分析是ALS风险设计的核心，但设计决策的任务不同，需要的风险分析方法也有差异，就图1中的三类决策来说：1)危险识别与筛选，处于项目初期，具体信息少，目的是找出主要事故威胁或识别安全关键构件，因此可以使用定性方法；2)基于风险确定荷载水平，主要针对常规平台类型的设计，结构失效的后果相对固定，风险分析的主要任务是准确分析事故荷载的统计特征；3)直接基于风险的设计，需要依赖评估结果选择设计方案和安全措施，因此需要定量风险分析为成本-效益分析提供依据。而无论定性还是定量方法，都涉及模型建立和数据分析两大类问题。

在项目可行性研究或概念设计阶段，由于信息匮乏，定性分析是常用方法。尤其对于新型结构物，如近海风电设施，缺乏成熟经验借鉴，在项目初期利用风险分析辅助决策已成为潮流。例如文献[18]利用HAZOP对台湾海域的风电建设过程进行了危险源识别；文献[19]介绍了利用HAZOP、FEMA对近海风电设施进行关键安全部件识别的过程。这些方法虽然不能提供定量的评估结果，但通过对风险因素(出现频率、后果损失，等)的定性分级，可以为项目初期决策提供有效支持。

定性分析的问题是风险因素的估计依靠专家判断，人为不确定性影响大；模糊集的引入可以在一定程度上控制这类影响。如文献[20]在模拟平台油气泄漏时，利用模糊隶属度函数为专家判断得到的事件发生频率添加了置信水平，有效减小了主观不确定性的影响。更深入地做法可以把风险因素进一步细分，分别进行模糊评估，而后综合分析总体风险。通常做法是划分为频率和损失[21-22]，频率又可以进一步划分为事故频率和某失效模式出现条件概率[23]，损失则可分为人员伤亡、环境损害、财产损失等[22]。把风险指标细分，有效减小了每次主观判断不确定性的影响范围。也可以把不同属性的风险因素用一种模糊语言表达，便于综合评估，例如文献[24]把平台溢油风险划分为设计参数、油藏情况、海区环境、组织管理水平、应急能力等多属性指标体系，并把不同量纲的、定性与定量的指标统一转化为模糊集变量，进而实现综合评估。进行多属性评估时，层次分析法(AHP)通常被用来确定各个属性对总风险的重要度[22]，而逻辑推理[21,25]、近似推理[23,25]、证据推理[23]等方法是目前常被用来进行模糊集综合计算的工具。相对于直接依靠专家打分的定性方法，模糊综合评估大大减小了不确定性的影响，因此不仅可以用来危险识别，还可以进行基于风险的方案选择。例如文献[21]就是在概念设计中利用该方法对某水下结构物的四种设计方案分别进行了风险分析，最终选择了模糊风险度最小的方案。

进行定量分析时，事件树(ETA)和故障树(FTA)是模拟风险事件发生发展的经典方法。但其也有缺点，例如必须假定风险事件中各随机变量是彼此独立的，而且ETA和FTA适合表达二维状态变量，当变量状态多变时，将大幅提升计算量。贝叶斯网络(BN)模型较好解决了上述问题，例如文献[26-27]利用BN模型模拟了FPSO锚链受损导致次生灾害的场景，该模型反应了局部损伤、海况、操作因素、救援因素等相互影响的复杂情况，并显示了考虑变量多维状态时的分析效率。文献[28]则阐明了BN模型在应对数据缺乏时的优势，例如可以综合专家判断与统计分析的结果，便于进行数据更新等。

进行定量分析除了要有高水平模型，更依赖于充分的信息数据。直接的方法是建立事故数据库，除了统计事故历史数据，精确的数值模拟或可靠的物模实验也是完善数据的途径。例如文献[29]在研究平台火灾爆炸风险时，利用LHS抽样工具对风速、风向，泄漏速率和位置等变量随机抽样，形成众多场景，通过CFD计算得到大样本的爆炸荷载数据，为基于超越概率确定特征荷载提供了依据。文献[30]则在分析火灾爆炸荷载不确定性的基础上，进一步用3D有限元工具LS-DYNA模拟了相应的结构响应情况，并分析了结构变形的统计特征。另外，文献[31]针对近海风电设施的碰撞风险、文献[32]针对管线保护结构的落物风险，也进行了类似研究。具体过程都是先利用风险分析工具研究事故荷载的随机分布，而后利用LS-DYNA模拟结构损伤情况，利用大量数值模拟的结果分析结构损伤的概率特征，为基于风险确定结构的安全目标和性能标准积累了数据。

我国属新兴海洋国家，事故数据库建立难以一蹴而就，类比借鉴法也是提供定量数据的选择。但数据库往往针对固定海区，借用时需要考虑环境的差异性。比如，当前最权威的油气泄漏事故数据库是HSE建立的HCRD，该库数据来源于北海区域的典型石油作业平台。在分析墨西哥湾某平台油气泄漏风险时，直接使用HCRD的数据会带来误差，这是因为两地硬件设施和安全管理的差异会导致风险不同。DNV为减小此类借用误差，习惯采用MOR(modification of risk)技术[15]，即对比分析两地设施在“风险诱因”和“控制措施”方面的差异，以此为据确定概率的修正参数。以上面泄漏风险为例，若修正参数是“2”，而依照HCRD数据计算的泄漏概率为P，则墨西哥湾的泄漏概率为2P。确定修正参数的方法有很多，最常使用的四种是CCPS、MANAGER、API 581和BBM方法，DNV在风险评估实践中最常用的是BBM(barrier based method)方法[33-34]。

4.2目标安全水平(TSL)

目前确定TSL的方法可以归纳为三类：1)通过分析当前权威规范，以其中明确规定或隐含表达的结构安全水平作为TSL；2)从安全管理理论出发，以当前社会可以接受的某类损失的出现概率为安全指标，通过成本效益分析确定TSL，即考虑把人员伤亡控制在一临界水平，使此时投入的边际成本刚好不大于“社会的投入意愿”；3)基于优化设计原则确定目标安全水平，即考虑使风险带来的期望损失与控制风险投入的成本之和最小，从而实现利润最大化。方法1的可操作性强，但等同于完全认可了现有结构规范的安全水平，要求偏低。考虑到当前风险评估主要用于初步设计阶段，方法2和3更适合辅助方案决策，但此两种方法需要定量的风险值作为安全指标，因此采用这些方法需要前提，即开发可靠性高的定量风险计算方法。

如3.1节所述，可以针对人员伤亡、环境破坏和经济损失等不同后果分别制定TSL，但传统上人员伤亡被作为主控风险。利用成本效益原则确定TSL时，对于人员伤亡的社会投入意愿通常由CAF值表示，该意愿值可以借助“生命质量指标(LQI)”来确定[35]，而LQI则考虑国民生产总值、人员工作时间等因素。早在1998年，文献[36]就利用LQI计算了各国的CAF值，结果表明发展中国家和发达国家的风险控制意愿差别明显。近年，文献[27]在对FPSO的锚链失效风险进行评估时，分别利用LQI指标和优化原则计算了目标失效概率，结果表明：前者比后者更小，即基于LQI的安全标准比基于优化原则的标准更加严格。

海洋石油平台的事故通常会伴随油气泄漏，因此针对海洋环境污染的风险标准也应成为发展的重点。文献[14]提出了海洋工业中原油泄漏事故的风险接受标准，它将环境污染的程度用环境恢复时间来度量。文献[37-38]则描述了一个形如CAF的自然环境保护意愿指数CATS，从而可以利用成本效益原则来确定环境风险接受标准。

5 结 语

综上所述，可以得到如下结论：

1)在海洋平台结构的极限状态设计中，概率法已经成为未来发展的主流方向。结构可靠度分析和风险分析都是概率法的常见工具，但对于ALS状态，使用风险分析方法更加合理，尤其对于创新型设计，结构安全评估只能依靠风险分析。

2)目前，风险方法在结构设计中的使用主要体现在两个方面：设计中的关键决策依据风险评估方法做出；结构安全评估依据风险标准体系进行。以上两个方面在发达国家规范中已有应用，可以为我国建立国际水平的新规范提供成熟的经验。

3)在我国建立基于风险方法的ALS设计规范，仍有许多现实障碍，主要表现为风险评估方法可靠性和适用性问题，还必须面对目标安全水平的确定问题。

4)海洋石油部门在日常安全管理中建立事故统计数据库，可以为风险评估建立信息基础，这是基于风险方法建立ALS规范必要的战略任务之一。目前，为克服数据缺乏的困难，可以利用科学手段借鉴权威数据库信息开展定量评估。

5)目标安全水平的确定是实现风险设计方法的关键，目前可以针对不同事故类型、失效模式和各类损失类型分别制定目标安全水平，而成本效益原则和优化原则都可以提供合理可行的方法途径。

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Reviews and comments on risk-based design of fixed offshore platform structures

LI Xiaodong1, 2, TANG Wenyong1

(1. Shanghai Jiao Tong University, State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai 200240, China; 2. Qingdao Technological University, Shandong Urban Disaster Prevention and Control Engineering Technology Research Center, Qingdao 266033, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.01.017

1005-9865(2017)01-0147-10

2016-01-19

李晓冬(1980-)，男，山东章丘人，讲师，博士研究生，主要从事船舶与海洋工程风险评估相关的研究。E-mail: lxdouc@126.com

唐文勇。E-mail：wytang@sjtu.edu.cn