基于事故树模型的海洋工程平台爆炸事故

(江苏科技大学 电子信息学院， 江苏 镇江 212003)

0 引 言

深海石油是目前世界能源的一大支柱，针对深海石油勘探开采的复杂性及难度高等特点，海洋石油开采平台的安全性面临着巨大的挑战。大型海洋石油开采平台耗资惊人，一旦发生事故将对国家造成不可挽回的经济损失，同时，对海洋环境会造成难以估量的破坏，因此海洋平台的安全风险评估是一项不可缺少的环节。目前，针对海洋平台的风险分析主要有：Hazop(危险与可操作性研究)风险分析法、平台结构分析、系统动力学分析[1]以及平台的事故因素数理统计分析等。这些针对平台事故的风险分析都具有一定的独立性，缺乏一种系统多因素协同分析的机制，造成风险分析效果不理想。本文运用事故树分析(Fault Tree Analysis， FTA)方法，根据海洋平台事故发生的多因素构建FTA模型，确定有效的事故预防路径，通过对事故顶上事件概率的计算，得出海洋平台在一段时间内的风险发生概率，从而确定平台的安全性。

1 FTA原理

FTA属于系统工程中图论的范畴，由故障树演变而来，是一种演绎的安全系统分析方法。FTA的基础原理是从需进行风险分析的安全风险事件(事故树顶上事件)开始，逐步寻找事故出现的因素，直到找出风险发生的基本因素(事故树基本事件)为止[2]。

1.1 事故树模型的分析步骤

FTA模型是从需分析的特定事故或故障(顶上事件)开始，层层分析其发生原因，直到找出事故的基本原因(底事件)为止的一种分析模型。最初由统计分析指定风险事故发生的顶上事件，其次建立基本事件的逻辑关系，最后通过具体的定性分析或定量分析确定系统的事故预防路径和系统的安全程度。具体分析步骤如图1所示。

图1 事故树模型分析步骤

1.2 事故树模型定性分析

定性分析从事故树模型中基本事件的发生以及各基本事件对上级事件发生影响的逻辑关系出发，综合基本事件的发生概率导致顶上事件事故发生的影响程度，从而最终确定顶上事件的发生路径。求解事故树模型的最小割集、最小径集以及结构重要度[3]。

(1) 最小割集、最小径集

事故树模型中的最小割集是指:造成风险事故顶上事件的各种基本事件的组合，也就是风险事故发生的基本因素结合的路径。事故树模型中的一个最小割集就是造成风险事故发生的一条途径。最小割集最基本的求解方法是使用布尔代数简化法[3]。

事故树模型中的径集是割集的对偶，简单的描述就是将事故树模型中的“与门”和“或门”对调，预防顶上事件发生的基本事件组合。最小径集是预防风险事故发生基本因素的一条途径。最小径集的基本求解原理是在事故树的对偶模型“成功树”上采用事故树最小割集方法获得最小径集[4]。

(2) 结构重要度

基本事件的结构重要度：风险评估项目的事故树模型中基本事件导致顶上事件发生逻辑关系的重要程度。结构重要度的值如果较高，那么在风险评估项目的事故树模型中基本事件导致顶上事件发生的概率可能性就越大，基本事件的结构重要度值求解可用以下公式[4]近似计算：

(1)

式中：Iφ(i)为第i个基本事件的结构重要度值；φ(1,xi)表示基本事件xi状态为1时顶上事件的状态；φ(0,xi)表示基本事件xi状态为0时顶上事件的状态；n为基本事件的个数。

(3) 概率重要度

基本事件的概率重要度：风险评估项目的事故树模型中第i个基本事件发生的概率变化导致顶上事件发生概率变化的程度。事故树模型中顶上事件发生概率函数是n个基本事件发生概率的多次线性函数，对自变量qi进行一次求导即可得到基本事件的概率重要度，计算公式[4]如下：

(2)

式中：Ig(i)为基本事件的概率重要度；P(T)为顶上事件发生概率；qi为基本事件发生概率。

(4) 临界重要度

基本事件的临界重要度：风险评估项目的事故树模型中第i个基本事件事故概率变化率导致顶上事件事故概率的变化率，即基本事件因素事故发生概率的变化率与最终顶上事件事故发生概率的变化率的比值称为临界重要度。计算公式[4]如下：

(3)

2 海洋平台的爆炸FTA

2.1 事故树模型建立

资料统计和分析表明，海洋平台具有极大的安全隐患，其主要危险可归纳为:井喷、油气泄漏、火灾爆炸[5]等。由于火灾爆炸属于关联最大的事故，因此将火灾爆炸作为事故树模型的顶上事件，中间事件则由平台爆炸和钻井井喷组成。从多种渠道收集资料进行统计分析，确定事故树模型的基本事件，事故树具体模型如图2所示。

图2 海洋平台的事故树模型

2.2 事故树模型定性分析

(1) 最小割集计算

最小割集描述造成海洋平台事故发生的各种基本因素的结合，每个最小割集就是海洋平台事故发生的一条途径。利用布尔代数简化法[4]得到事故树模型的最小割集如下:

T=M1×M2

=(X1+X2+X3+X4+X5)×(M7+X6+X7)×(M8+M9)

=(X1+X2+X3+X4+X5)×(M10+M11+M12+X6+X7)×(X8+X9+M13+M14)

=(X1+X2+X3+X4+X5)×(X6+X7+X10+X11+X12+X10+X13+X14)×

(X8+X9+X15+X16+X17+X18)

由此可以计算出海洋平台事故树模型的210个最小割集：

S1=(X1,X6,X8); S2=(X1,X6,X9); S3=(X1,X6,X15); S4=(X1,X6,X16); S5=(X1,X6,X17)…

S43=(X2,X6,X8); S44=(X2,X6,X9); S45=(X2,X6,X15); S46=(X2,X6,X16); S47=(X2,X6,X17)…

S85=(X3,X6,X8); S86=(X3,X6,X9); S87=(X3,X6,X15); S88=(X3,X6,X16); S89=(X3,X6,X17)…

S127=(X4,X6,X8); S128=(X4,X6,X9); S129=(X4,X6,X15); S130=(X4,X6,X16); S131=(X4,X6,X17)…

S169=(X5,X6,X8); S170=(X5,X6,X9); S171=(X5,X6,X15); S172=(X5,X6,X16); S173=(X5,X6,X17)…

海洋平台事故树模型的最小割集表述了顶上事件发生的基本事件的组合，也就是事故方式的一种途径。

(2) 最小径集计算

将海洋平台事故树模型中的与门以及或门逻辑关系取反，即可得到 “成功树”，然后再计算出“成功树”的最小割集，即是海洋平台事故树模型的最小径集。

T’=M1’+M2’

=(X1’×X2’×X3’×X4’×X5’)’+(M7×X6’×X7’)+(M8’×M9’)

=(X1’×X2’×X3’×X4’×X5’)+(M10’×M11’×M12’×X6’×X7’)+(X8’×X9’×M13’×M14’)

=(X1’×X2’×X3’×X4’×X5’)+(X6’×X7’×X10’×X11’×X12’×X10’×X13’×X14’)+

(X8’×X9’×X15’×X16’×X17’×X18’)

由此得出海洋平台事故树模型的3个最小径集：

P1=( X1’,X2’,X3’,X4’,X5’)

P2=( X6’,X7’,X10’,X11’,X12’,X10’,X13’,X14’)

P3=( X8’,X9’,X15’,X16’,X17’,X18’)

(3) 结构重要度

通过事故树模型的最小割集得出基本事件的结构重要度：

I(X5)=I(X4)=I(X3)=I(X2)=I(X1) >I(X})=I(X17)=I(X16)=I(X15)=I(X9)=I(X8) >I(X14)=I(X13)=I(X12)=I(X11)=I(X10)=I(X7)=I(X6)

海洋平台事故树模型的最小割集和最小径集计算结果显示：事故树模型总计有210个最小割集、3个最小径集。最小割集组合总体较多，说明海洋平台事故方式的途径非常多，同时表明导致海洋平台火灾爆炸事故发生的因素多样，有极大的复杂性。最小径集为预防海洋平台火灾爆炸事故发生的途径，这里P1表示海洋平台需要严格控制爆炸火源途径；P2表示预防钻井出现井涌；P3表示预防井控系统失效途径。

3 事故树模型应用实例

“海洋石油981”是具有世界领先技术水平的深海钻井平台，是中国耗费60亿元自主设计建造的第六代深水半潜式钻井平台，因此“海洋石油981”平台的安全格外重要。本文以此为实例通过事故树模型分析其安全性。

3.1 事故树模型重要度计算

为了验证海洋平台的安全风险分析的合理性，将事故树模型中的基本事件发生概率统一假设为0.025，通过式(1)、式(4)、式(5)计算出基本事件的结构重要度、概率重要度和临界重要度，同时以此对基本事件进行分类，如表1所示。

表1 基本事件的重要度及其分类

3.2 事故树模型顶上事件计算

事故树模型顶上事件发生概率的求解使用布尔真值法[6]进行：

(4)

当事故树模型的结构比较复杂[6]时，采用式(2)的平均近似值：

(5)

式中：S为最小割集的个数；Si、Sj分别为第i个和第j个最小割集；qi为基本事件的发生概率。

由此计算出“海洋石油981”事故树模型的顶上事件概率为0.002 7，即当海洋平台的事故基本影响因素概率假设为0.025时，海洋平台发生事故的概率在0.002 7左右。在实际环境中，事故影响因素的发生概率可能远小于假设值。海洋平台安全风险因素的发生概率需通过长时间大量历史数据进行统计分析才能得到一个比较准确的数值[7]，这里风险因素发生概率只是一个假设值，不影响最终的计算结果。

3.3 海洋平台事故预防措施

本文分析的海洋平台事故风险主要集中在爆炸上，针对此风险提出预防措施：

(1) 爆炸火源。火源是海洋平台爆炸的必然因素之一，任何火灾或爆炸的发生都是由火源引起的，因此需严格控制火源的产生。针对火源点，海洋平台管理应制订一系列规章制度，保证海洋平台远离危险火源，如《工作人员行为规范》《严禁吸烟条例》《严禁携带火源条例》《静电设备管理规定》等，通过规章制度的制定，最大限度地预防人为因素和控制火源点。同时，严禁在海洋平台的生产作业危险区域内进行任何违章动火作业，并且采取在危险易发生的作业区安装防爆电器等应对措施。

(2) 油气泄漏。油气泄漏是引起海洋平台重大事故的主要因素，有效控制油气泄漏是必不可少的安全风险预防措施。预防油气泄漏的方法：首先，应把好油气生产设备的质量关，采购质量最好的设备，同时培训设备操作人员，防止由于操作人员失误导致设备运转失灵；其次，可在海洋平台上容易出现油气泄漏的作业区安装可燃气体探测装置，及时向平台管理人员发出报警信号。

4 结 语

(1) 确定了海洋平台安全风险事故中易引起火灾爆炸的18种危险源，将其作为基本因素，应用FTA构建海洋平台爆炸事故的事故树模型，并通过对事故树模型的最小割集和最小径集的求解，确定了210个爆炸事故的发生途径以及3个爆炸事故发生最优预防途径。

(2) 以中国南海深海采油平台“海洋石油981”为实例进行模拟分析，假设风险发生基本因素的发生概率，通过事故树模型计算出结构重要度、概率重要度和临界重要度，说明基本因素对海洋平台事故发生的影响程度。同时，计算海洋平台在一定时间内事故发生的概率。

(3) 针对实例模拟分析的情况，有针对性地提出预防措施，确定安全风险因素预防的缓急，制定一套行之有效的安全风险预防条例，使海洋平台的安全风险预防更具有理论依据。