基于JSA-BN的水上提管维修作业风险分析*

朱红卫，智晨潇，李新宏，陈国明

(中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心，山东 青岛 266580)

0 引言

随着海底管道服役年限的增加，部分管道已进入老龄化阶段，再加上复杂恶劣的海洋环境，使得管道失效概率增加；据统计[1]，1986—2016年，中海油315条已经投入运营的海底管道共发生了51起事故。此外，海底管道的事故具有突发性和不确定性的特点，故快速应对海底管道事故，能够有效减少海底管道事故的损失，从而有助于保障我国海洋油气管道的安全运行[2]。

在海底管道应急维修方法和技术方面，Sun等[3]提出了深水管道溢油应急抢修方法；张仕民等[4]综述了多种新型管道维修技术及所用机具的发展趋势；赵福臣[5]介绍了提升法修复海底管道技术在渤中26-3管抢修项目中的应用；王常文[6]以实际海底管道抢修项目为例开展了海上提管维修程序研究；江锦等[7]根据渤西天然气管道抢修项目实践，阐述了提升法修复海底管道的作业程序和分析计算；齐兵兵等[8]结合恩平23-1海底管道抢修项目，分析了海底管道水上提管维修过程中的新型回收技术。在维修风险分析方面，何宁强等[9]针对封堵卡具应急维修工程问题进行了风险分析研究；骆寒冰等[10]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；陈文洁等[11]基于改进模糊层次分析法开展了海底管道维修方法研究。

上述研究主要集中在海底管道维修技术、具体作业步骤和半定量风险分析方面，尚未有针对海底管道维修作业流程开展风险识别和定量风险分析方面的研究。鉴于此，笔者提出了1种基于工作安全分析和贝叶斯网络方法的海底油气管道维修作业风险分析方法，以水上提管维修作业为例，研究维修过程中的关键作业环节以及潜在的薄弱风险点，以期为水上提管维修作业风险控制措施的制定提供理论依据。

1 JSA-BN方法

1.1 工作安全分析

工作安全分析(Job Safety Analysis，JSA)是美国职业健康安全执委会(HSE)推荐的1种危险源识别和风险评价方法[12]，主要用于事先或定期对某项工作任务进行风险评价，并根据评价结果制定和实施相应的控制措施，达到最大限度消除或控制风险的目的。具体过程是：①确定需要做JSA分析的作业任务；②将任务按顺序划分为几个作业步骤；③辨识每一步骤的潜在危害；④确定相应的预防措施；⑤评审预防措施的充分性，并完成分析表。

1.2 贝叶斯网络

贝叶斯网络(Bayesian Network，BN)是1种具备风险诱因辨识和推理能力的模型[13-14]，其网络拓扑结构是1个有向无环图，由1组表示系统变量(可以是离散的或连续的)的节点，以及1组表示变量之间依赖关系的有向弧组成。在JSA分析的基础上，将所划分的作业步骤和风险影响因素转化为贝叶斯网络节点；然后确定各节点之间的相互关系，用有向弧连接；基于建立的BN模型推理维修作业完成概率，识别最有可能的作业风险因素。

2 水上提管维修作业JSA分析

2.1 维修作业流程

水上提管维修作业是根据相关规范对起吊要求进行分析计算和校核，然后利用舷吊等设备将受损管道提升至作业船舶上进行焊接修复，最后再回放至水下由潜水员完成管道对接工作[15]。浅水域海底管道常采用此方法进行应急抢修维修，优点是不需要特种机械设备，维修速度快且维修质量较高[7]。将水上提管维修作业划分为8个步骤：

1) 管线挖沟作业，利用挖沟机等设备沿着管道破损的地方向两边开挖，从而达到起管作业环节中需要暴露的管道长度要求；

2) 切除破损管道，潜水员利用闸刀锯或爬管切割机对损伤管段进行冷切割；

3) 提升管道，按照海管起吊程序将管端提升至海面作业船舶上；

4) 水上焊接作业，对破口处理后的海管端部焊接法兰，然后焊接检验并做相应的包胶防腐处理，再按照起吊计算程序将其回放至海底，另外一端也按照相同的方式进行处理；

5) 更换管道测量，通过精准测量仪得到海管法兰之间的相对空间位置和方位角，这是完成受损管道水下修复对接的重要作业程序；然后根据测量出的参数对需要更换的管道进行预制；

6) 水下海管对接，潜水员将预制管段进行水下连接；

7) 管线试压，以生产压力对修复后的管线整体进行试压，稳压24 h；

8) 保护回填，利用砂袋将修复位置周围的悬空部位进行回填，并对修复管段进行检查和水下录相。

2.2 JSA分析

根据维修经验，结合相关参考文献[12]，基于风险矩阵对该水上提管维修作业进行JSA分析，如表1所示。其中，P为事故频率指标；C为后果严重度指标；R表示风险等级指数。通过风险等级计算得出切割破损管道作业N2、提管作业N3和管线挖沟作业N1这3个环节危险度较大。

3 水上提管维修作业贝叶斯分析

3.1 贝叶斯网络模型

贝叶斯网络可定量描述系统中的关键因素与最终输出结果之间的因果关系[16]。将该水上维修各环节以及作业中的风险因素信息以节点的方式处理，从而建立水上提升维修作业贝叶斯网络模型，如图1所示。

3.2 贝叶斯概率推算

依据模糊集理论、专家判断及历史数据查阅得到基本事件的先验概率值，基本事件概率见表2。对贝叶斯网络向前推导，预测并计算出该水上提管维修作业成功的概率为96.67%，其中N1到N8各个作业流程的成功概率变化趋势如图2所示。由各作业阶段概率下降幅度可知，提管作业N3和切割破损管道作业N2中成功概率较低，是维修作业的薄弱环节，且与JSA分析结果相似。

后验概率是修正先验概率后所获得的更接近实际情况的概率估计，表示事件发生的可能性大小。假定海底管道水上提管维修作业失效状态为已发生，利用反向推理进而得到各基本事件的后验概率，各基本事件先后验概率对比如图3所示。由计算结果可知，海底管道水上提管维修作业失效各基本事件的后验概率中，发生可能性最大的前5项分别为：①提升过程中碰撞、掉落；②操作失误；③浮袋和舷吊等布置不到位；④试压程序错误；⑤沙袋滑动。

表1 水上提管维修JSA表Table 1 JSA analysis of above-water lifting pipeline repair

表1(续)

图1 水上提管维修作业贝叶斯网络模型Fig.1 Bayesian network model for above-water lifting pipeline repair operation

事件代码事件名称先验概率后验概率事件代码事件名称先验概率后验概率X1挖沟机等设备故障0.000 113 00.003 4X15切割设备故障0.000 6910.020 8X2作业船舶定位不精确0.000 453 00.013 6X16通讯设备故障0.001 8000.054 1X3舷吊断裂失效0.000 060 70.001 8X17浮袋和舷吊等布置不到位0.003 4000.102 1X4ADS失效0.000 303 00.009 1X18提升过程中碰撞、掉落0.005 9000.177 2X5恶劣海洋环境0.001 000 00.030 0X19不具备焊接作业资质0.001 0000.030 0X6第三方干扰0.000 317 00.009 1X20焊接质量差0.000 7200.021 6X7管道暴露长度不满足起管要求0.000 442 00.013 2X21焊接设备故障0.000 1850.005 6X8不具备水下切割作业资质0.000 317 00.009 5X22测量仪器不精密0.000 1490.004 8X9防护用品配备不当0.000 453 00.013 6X23操作失误0.004 5000.135 1X10作业人员生理状况不佳0.000 227 00.006 8X24保压时间不足0.001 6000.048 1X11违反水下切割作业安全操作规范0.002 500 00.075 1X25试压设备故障0.000 1400.004 2X12高温金属熔滴或熔渣伤害0.000 410 00.012 3X26试压程序错误0.003 4000.102 1X13带电设备与潜水装具绝缘性差0.000 140 00.004 2X27沙袋滑动0.002 9000.087 1X14监督、指挥不善0.000 710 00.020 8

图2 各环节成功概率Fig.2 Success probability of each step

图3 先/后验概率对比Fig.3 Comparison of prior and posterior probability

3.3 敏感性分析

敏感性分析是通过改变模型输入参数，引起输出值变化的分析方法，从而验证贝叶斯网络模型的可信度，敏感性高的参数会更明显地影响推理结果。因此，选取后验概率中数量级变化较大的前5项，设定其节点的概率变化阈值为-10%～10%，分析各节点对该水上提管维修失效的影响程度。

图4 敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis

5个节点的敏感性分析如图4所示。由图4可知，提升过程中碰撞、掉落基本事件概率提升10%，则最终维修失效概率提升约0.06%；操作失误基本事件概率提升10%，则最终维修失效概率提升约0.04%；同时浮袋和舷吊等布置不到位、试压程序错误对维修影响也较为显著，其概率提升10%，则维修失效概率提升约0.03%；沙袋滑动基本事件概率提升10%，则最终维修失效概率提升约0.027%。由此可说明，提升过程中碰撞、掉落基本事件概率变化引起维修失效概率值的变化更大。

4 结论

1)对水上提管维修8个作业环节进行风险辨识得到，切割破损管道作业、提管作业和管线挖沟作业风险较高。

2)建立水上提管作业贝叶斯网络模型进行定量风险分析，结果显示，作业成功概率为96.67%；提管作业和切割破损管道作业为风险程度较高的关键性步骤；提升过程中碰撞、掉落事件发生概率最高，应采取预防措施着重控制该事件的发生。

3)提出的基于JSA-BN方法可应用于近岸海底管道应急维修作业安全分析，能够预先识别作业风险因素，预测作业成功概率，有助于提高海底油气管道维修作业风险防控水平。