基于隐患分析的海洋钻修机井架及底座安全评估

张士超

(中海油安全技术服务有限公司，天津 300450)

井架及底座空间结构复杂，由于长期处于恶劣的海洋环境中并承受多种工况组合作用，设备产生故障及缺陷可能性较大。目前对井架及底座进行安全评估的重点集中在结构承载能力的检查及监测上[1-3]，而对井架及底座的隐患分析较少。为此，考虑将梳理总结出的适用于海洋钻修机井架及底座的安全检查表(safety checklist，SCL)应用在现场安全检查中，统计分析查找出的缺陷及故障；运用故障类型及影响分析法(failure mode and effect analysis，FMEA)及事故树分析法(fault tree analysis，FTA)识别出井架及底座常见故障类型及常见事故发生的原因[5-9]。通过安全评价技术手段，提出相应预防措施。

1 井架及底座隐患分析

1.1 SCL编制

传统的井架及底座安全检查方式主要是通过专家目检结合功能测试的方法，确保井架及底座整体配置及外观的完好。然而限于检查人员的流动性及SCL的不完善，造成了检查结果及参照依据不够规范，制约了提出隐患的权威性及整改问题的合规性。为了使得现场安全检查更加准确，通过收集调研国内外现行的13个石油井架相关标准进行梳理分析，将适用于海洋石油钻修机井架及底座的标准条目进行摘录。为了方便现场检查，将井架按照7个大项目分类对标。参照现场检查顺序，前4项按照空间顺序从下向上分为底座、井架、二层台及天车4个部分；后3项是通用、附属设备及检验检测3个分散在井架空间结构多个部位的内容，需要在现场检查时随时关注并记录。最终形成共计152个检查小项的海洋钻修机井架及底座SCL，见表1。

表1 井架及底座SCL检查项目及内容

1.2 井架及底座安全检查隐患统计分析

利用井架及底座SCL，通过对现场38台次的海洋钻修机井架及底座进行安全检查，共计查找出69条井架及底座隐患。

为分析出井架及底座隐患分布规律，将查找出的隐患按照所处位置及类别分类统计见图1。

图1 井架及底座隐患分类

由图1a)可见，隐患发生在二层台及井架主体部位居多，分别占总体隐患数量的42.03%和34.79%。其中二层台存在的隐患多为防护装置设置不合理；井架主体存在的隐患则涉及方面较多，包括附属构件缺失、松动，以及结构件的变形及锈蚀等严重的问题。由图1b)可见，安装不合理为最主要的隐患形式，主要包括应急逃生装置位置设置不合理、防护栏杆或其他防护装置空隙过大及未使用正规销钉等。

2 井架及底座FMEA

2.1 井架及底座FMEA编制

井架及底座系统结构形式见图2。

图2 井架及底座常见结构形式

通过统计分析近年海洋钻修机井架及底座现场安全检查的隐患数据，结合SCL及使用维保手册等资料，同时充分考虑海洋钻修机井架及底座的各种结构类型，按照FMEA的步骤和要求，编制了井架及底座FMEA表，见表2。

表2 井架及底座FMEA表

2.2 井架及底座FMEA应用案例

渤海某平台修井选用液压举升装置进行作业，并为其专门设计了底座。为确保该底座首次使用的安全性，参照FMEA表进行安全评估，采用专家打分法进行的风险等级的评定。底座FMEA分析结果见表3，相关故障(隐患)部位见图3。

表3 某液压举升装置底座FMEA表

图3 某修井用液压举升装置底座隐患示意

依据液压举升装置底座FMEA分析结果，设计单位、平台方以及作业者等相关方代表进行讨论，对隐患分等级制定限时整改措施。

3 井架FTA

3.1 井架高处坠落FTA

在常规起下钻作业过程中，井架工每日要多次爬、下井架，并长时间在二层台进行上卡、解卡及排放立根等操作；在设备停用期间，井架工也会在井架、二层台、天车等位置进行维保。此外在非作业期间，进行井架及底座结构检验检测及维修改造时，专业工程师也会在井架高处进行相关作业。井架高处作业稍有不慎即有可能发生高处坠落事故，为分析事故原因，以在井架高处坠落作为顶事件建立事故树模型见图4。

图4 高处坠落事故树

由井架高处坠落事故树可见，若要预防井架高处坠落事故的发生，除了要确保井架配备的防护装备安全有效外，更重要的是要减少作业人员发生坠落的风险。可以从人员、井架本身、环境及管理角度多方面采取措施，其中重点是要确保井架本身不存在结构缺陷。

3.2 井架高空落物FTA

在海洋石油钻修井作业时，钻台是完成连接井下工具、调试设备等工序的主要作业区域，也是作业人员长期暴露的区域。井架如果存在零部件松动现象或存在其他可坠落物，很容易引起高空落物事故，进而砸到钻台区域的作业人员或设备。为了分析井架高空落物事故原因，以在井架高空落物作为顶事件建立事故树模型见图5。

图5 高空落物事故树

由井架高空落物事故树可见，若要预防井架高空落物事故的发生，除了环境因素不可控外，可以从及时检验确保井架设备状态安全及规范人员操作2个大的方向进行风险管控。

3.3 井架失效倒塌FTA

井架作为空间刚架结构，长期承受大钩载荷及海洋环境载荷等组合作用。随着服役时间的延长，结构部件逐渐老化，增大了井架结构服役期间失效的可能性，进而引起整体倒塌，造成严重的工程事故。为分析出井架倒塌可能发生的原因，预防井架倒塌事故的发生，以井架失效倒塌作为顶事件建立事故树模型见图6。

图6 井架倒塌事故树

由井架倒塌事故树可见，若要预防井架倒塌事故的发生，需要从两个方面采取措施。一方面是要避免井架的异常载荷：针对环境载荷，需要在有异常天气或地质状况时提前停止作业，并采取甩立根或井下悬挂钻具等适当的技术措施来克服环境载荷对结构带来的不良影响；而对于人员误操作及井下异常造成的过载，则需要加强司钻等作业人员的培训及优化施工工艺来避免。另一方面是要确保井架本身不存在影响结构强度的缺陷，这需要加强日常维保来提高井架的本质安全性。

通过对井架高处坠落、井架高空落物及井架倒塌进行FTA分析可见，井架及底座结构本身的缺陷及故障均是3类事故发生的主要隐患，因此，在井架及底座服役期间，确保井架及底座的本质安全性，可有效降低相关事故发生的概率。

4 结论

1)隐患发生在二层台及井架主体部位居多；安装不合理为最主要的隐患形式。

2)通过统计分析近年海洋钻修机井架及底座现场安全检查的隐患数据，结合SCL及使用维保手册等资料，进行了井架及底座FMEA分析，进而找出了井架及底座常见故障及其原因。现场应用表明，该FMEA可作为井架及底座风险分析的参考依据，进而指导井架及底座优化设计、升级改造、维护保养及风险辨识等工作。

3)井架及底座结构本身的缺陷及故障均是3类事故发生的主要隐患。在海洋钻修机井架及底座服役期间，需要重点加强维保及检验，确保井架及底座的本质安全。

4)限于目前海洋钻修机井架及底座的隐患数据分析样本量较小，且国内外公开资料亦没有井架及底座隐患数据库，因此无法得知隐患发生概率等信息。后续可通过常态化的现场安全检查积累大量的隐患数据，分析预测井架及底座发生隐患的趋势及频率，并将分析数据用于井架及底座FMEA的风险等级划分和FTA事故发生概率计算，定量评估出在役海洋钻修机井架及底座的风险。