基于多层次灰色评价法的FPSO外输溢油风险评估

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(1.中国海洋石油总公司，北京 100010；2.中海石油环保服务(天津)有限公司，天津 300457)

FPSO逐渐成为海上油气开发主流设施。FPSO利用卸载系统将油气储存在穿梭油船中，大大降低了油气田操作成本[1-4]。串联卸载能够更好地适应恶劣的海上工作环境，适应不同大小的穿梭油船系泊，目前已成为油气卸载的首要选择[5]。FPSO在外输过程中，经常会发生碰撞、海管断裂、锚缆失效等事故，导致油气泄漏，进而引起火灾爆炸，不仅造成巨额的经济损失，而且严重威胁海洋生态环境。国外有研究表明,以硬件来降低风险的做法不能有效减轻海上作业的风险[6]。我国海上溢油风险评估研究起步较晚，对FPSO原油外输作业过程中的溢油风险认识更是存在不足。所以建立一套完善的FPSO外输作业溢油风险评价指标体系，进行溢油风险分级计算，量化评价FPSO外输作业溢油风险等级,对保障海洋石油安全生产和经济健康发展,具有重要的实用价值和现实意义。

1 FPSO溢油风险源识别及评估体系

风险源识别作为风险分析的第一步，是整个溢油风险分析过程的关键，对评估对象可能存在的所有危险进行识别，是一个确定危险存在并定义其性质的过程。对于FPSO外输溢油风险，存在于整个原油外输过程。具体的溢油风险分析结果见表1。

根据FPSO外输溢油风险源识别，建立FPSO外输作业的溢油风险评估指标体系(见图1)，其中一级指标定义为设备故障、靠泊和外输作业、人员因素和环境因素，二级指标体系依次展开。

图1 FPSO溢油风险评估指标体系

2 多层次灰色评价法

通常灰色系统理论是用数学方法处理某一层次的监测检测资料，进而了解更高一层次的指标相互关系和变化趋势[7-8]。具体步骤如下。

2.1 确定评价等级

采用制定评价指标评分等级标准的方法将定性指标U转化为定量指标，即用低、一般、较高、高和极高5个风险等级表示评价指标的风险大小，然后分别赋值1，2，3，4，5，数值越大，相应风险等级越高[9]。

表1 FPSO外输作业溢油风险源识别

2.2 确定评价指标权重

根据建立的溢油风险评价指标体系，可确定风险指标间的隶属关系，即评价指标的权重，本研究采用层次分析法求取各因子的权重，得到目标层指标的重要性判断矩阵W。

然后对判断矩阵进行一致性检验，判断得到的权重值是否合理，如果判断偏移一致性过大，将判断矩阵的权向量结果作为决策依据是不可靠的[10]。所以求出判断矩阵的最大特征值λmax后需进行一致性检验，一致性指标CI计算方法为

(1)

式中：λmax为判断矩阵W的最大特征根；n为阶数。

随机一致性指标RI值见表2。

表2 RI系数表

随机一致性比率CR为

(2)

当CR<0.10时，判断矩阵一致性检验通过；CR>0.10时，判断矩阵一致性检验失败，需重新调整判断矩阵中的元素。最大特征根对应的特征向量经标准化后，方可作为层次分析的排序权值。

2.3 建立评价样本矩阵

假设有m(m=1,2,…,k)位评价专家，依照评分等级标准对系统中所有评价对象Uij打分，填写专家评分表。按照评分表，形成所有对象的评价样本矩阵。

(3)

式中：dijp为第p位专家对系统中评价指标Uij的风险等级评分。

2.4 确定评价灰类

假设有n个评价灰类，h表示灰类等级数，h=1,2,…,n。则评价灰类的白化权函数分类如下。

第1灰类。低风险(h=1)，设定灰类⊗1∈[0,1,2]，白化权函数为f1，则有

(4)

第2灰类。一般风险(h=2)，设定灰类⊗2∈[0,2,4]，白化权函数为f2，则有

(5)

第3灰类。较高风险(h=3)，设定灰类⊗3∈[0,3,6]，白化权函数为f3，则有

(6)

第4灰类。高风险(h=4)，设定灰类⊗4∈[0,4,8]，白化权函数为f4，则有

(7)

第5灰类。高风险(h=5)，设定灰类⊗5∈[5,+∞]，白化权函数为f5，则有

(8)

2.5 计算评价系数、权向量及权矩阵

(9)

对于任一评价指标Uij，如果将第x个评价因素属于各个灰类的灰色评价系数记为，则

(10)

(11)

(12)

2.6 综合评价

(13)

(14)

故对于第x个评价项目的Ui指标综合评价结果为

(15)

将各评价灰类等级进行赋值，设值化向量为C=(1,2,3,4,5)，对第x个评价对象的综合评价值R(x)为

R(x)=B(x)×Ct

(16)

综合评价值求出后，对评价对象风险高低值进行排序。

3 应用算例

以南海某FPSO外输作业为例，作业方式为串靠式。外输区域自然环境条件为风速10.8 m/s，表层流速为平均1.2 m/s，波高为1.8～2.6 m，能见度为2.0～3.5 km，极端天气出现频率较低；FPSO周围时常有油轮来往，周边设置了安全作业区域及助航标识，并制订了相应的防损坏预防措施，外输期间值班拖轮不抛锚，全程巡航，当附近海域渔船较多时，通知渔政船现场值守；外输作业前检查系泊缆绳、漂浮软管及配件的完整性，大缆正常，软管有稍微破裂，经分析，基本满足外输作业要求，外输过程中FPSO、提油轮、外输尾拖轮三点一线，外输期间1 100 m作业半径内禁止有任何影响外输作业的船舶、锚标等；该FPSO有9条系泊缆绳，其中4条外皮有明显损伤，但系泊应力可满足系泊要求，设有一套单点系泊检查装置，可以检测单点横摇角度和单点拉力；储油系统正常，货油泵间检测有稍微泄漏，FPSO上配备可燃气体探测器、报警装置和电控截止阀，若发生溢油能及时报警，并且中控室内设有监控装置，可监控外输过程，有卸油关断装置；FPSO外输作业人员技术人员综合素质较高，每年进行专业的技能培训，均持证上岗，并且经过关于外输技术的专业培训，负责配载的人员持有稳性与压载技术培训证书，同时制订了相应的管理制度；外输作业前、中、后对相应岗位进行检查确认，按时巡检，签名记录。

3.1 指标体系权重确定

通过问卷调查由FPSO外输作业人员及专家对各溢油评价指标进行打分(参与人员>20)。采用层次分析法(AHP)对各层指标体系权重系数进行计算，各评价指标权重见表3。

3.2 确定评价指标等级及评分

采用“好、较好、一般、较差、差”5个等级评语，相应的评价值定义为5.0、4.0、3.0、2.0、1.0。处于两等级之间的赋值4.5，3.5，2.5，1.5。

3.3 综合评价

根据二级指标所对应的评价值，得出该应用算例的样本矩阵如下。

表3 FPSO FPSO各评价指标权重

根据需要，将灰类等级确定为5个，分别代表极低、低、一般、高、极高5个风险等级。根据评价灰类的白化权函数，对于评价对象来说，针对靠泊和外输作业中碰撞指标，有

f1(3)+f1(3)+f1(3)+f1(3)=0

同理

因此，所有碰撞指标属于评价灰类的总灰色评价数，为

故对于碰撞，第一评价指标对于各灰类的灰色评价权向量为

(0,0.054,0.261,0.357,0.338)

同理可得

进而对于此FPSO的总灰色评价权矩阵为

故对于该FPSO的综合评价结果为

B(1)=W·Q1=(0.26,0.15,0.30,0.29)·Q1

=(0,0.079,0.275,0.344,0.302)

因此得到此FPSO单值化综合评价值为

R1=B(1)·CT=2.13

结果显示，此FPSO经三层灰色评价，其发生溢油风险等级为一般风险，由于FPSO系泊缆绳有老化现象，并且储油系统检测出泄漏，所以计算得到数值较高，说明设备故障因素易导致溢油事故发生，在平台日常维护和检测时应重点关注。

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