王云飛，張大剛，康永田，金 浩

(1．青島迪瑪爾海洋工程有限公司，山東 青島 266000；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100192)

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)溢油風(fēng)險(xiǎn)管理與防控研究

王云飛1，張大剛1，康永田1，金 浩2

(1．青島迪瑪爾海洋工程有限公司，山東 青島 266000；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100192)

針對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)復(fù)雜的工作環(huán)境以及較高的溢油風(fēng)險(xiǎn)性，有必要對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)整個(gè)工作流程以及人員、環(huán)境等因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析及評(píng)價(jià)，并制定相應(yīng)的監(jiān)督管理制度。在分析整個(gè)工作流程的基礎(chǔ)上，采用故障、模式影響分析(FMEA)和事故樹分析(FTA)的方法分別對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)和輸油船進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)源的辨識(shí)。通過分析，得到了單點(diǎn)系泊系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的故障發(fā)生模式、故障產(chǎn)生的原因以及造成的影響；通過FTA，找到了能夠造成油輪溢油事故發(fā)生的各個(gè)基本事件。據(jù)此制定相應(yīng)的維修策略以及溢油監(jiān)督管理措施，可降低溢油污染的危害。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)；油輪；風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)；故障、模式影響分析；事故樹分析

0 引 言

對(duì)于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)而言，由于其復(fù)雜的工作機(jī)理和特殊的工作環(huán)境，極易發(fā)生溢油事故。溢油事故一旦發(fā)生，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的破壞更是致命的[1-2]。比如著名的墨西哥灣原油泄漏事故，使得英國石油公司罰款達(dá)到了40億美金，污染更是導(dǎo)致墨西哥灣沿岸1 000英里(1英里=1.61 km)長的濕地和海灘被毀、漁業(yè)受損、脆弱物種滅絕的“滅頂之災(zāi)”。因此，進(jìn)行單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的溢油風(fēng)險(xiǎn)分析、監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，降低溢油風(fēng)險(xiǎn)，在經(jīng)濟(jì)方面和環(huán)境保護(hù)方面都具有重要意義。

國內(nèi)外對(duì)于各種水上水下生產(chǎn)設(shè)備以及原油運(yùn)輸設(shè)備的溢油研究比較多，比如對(duì)于海底管道泄漏的監(jiān)測(cè)與檢測(cè)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船(FPSO)的溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、水下關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的溢油評(píng)價(jià)等[3-5]。但是對(duì)于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的故障診斷、可靠性評(píng)價(jià)、可靠性分析以及風(fēng)險(xiǎn)分析較少。對(duì)于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)溢油風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)不足主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)對(duì)外輸作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不足，不能有效識(shí)別導(dǎo)致溢油的風(fēng)險(xiǎn)因素；(2)缺乏溢油評(píng)價(jià)體系；(3)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)原油裝卸過程參與的主體包括單點(diǎn)系泊、海底管線、油輪等，缺少對(duì)整個(gè)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)工作流程的風(fēng)險(xiǎn)分析和整個(gè)系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)；(4)缺乏必要的安全操作規(guī)范。

隨著單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的快速發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛，溢油等事故的發(fā)生概率也越來越高。本文將對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)整個(gè)卸油過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)工作，對(duì)油輪以及單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，找出能夠?qū)е乱缬褪鹿拾l(fā)生的原因，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)源的監(jiān)測(cè)與檢測(cè)，從而降低溢油事故發(fā)生的概率。

1 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)工作原理和工作流程

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的功能是使超級(jí)油輪不用靠泊碼頭，而是系泊在海上的單點(diǎn)浮筒上就可以進(jìn)行輸油作業(yè)，其優(yōu)點(diǎn)是在系泊期間油輪可以像風(fēng)標(biāo)一樣圍繞單點(diǎn)360°全旋轉(zhuǎn)，因?yàn)榇^總是逆著風(fēng)向和流向，所以油輪對(duì)風(fēng)、浪和流的變化不敏感，始終處于受力最小狀態(tài)。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的分類情況如圖1所示。

圖1 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)分類Fig.1 Main types of single-point mooring systems

以懸鏈?zhǔn)藉^腿系泊系統(tǒng)為例，整個(gè)系統(tǒng)由錨泊系統(tǒng)、單點(diǎn)浮筒、三臂旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、水下管匯(基盤)、海底管線、水下軟管系統(tǒng)、漂浮軟管系統(tǒng)、系泊纜總成等幾部分組成。單點(diǎn)浮筒是整個(gè)單點(diǎn)系統(tǒng)的核心設(shè)備，呈圓柱形，為全焊接鋼結(jié)構(gòu)，靠6根錨鏈在海中固定。

與傳統(tǒng)的固定式原油碼頭相比，單點(diǎn)系統(tǒng)具有多方面的優(yōu)勢(shì)：

(1) 技術(shù)上——單點(diǎn)系泊系統(tǒng)將碼頭由岸邊移至海上，解決了世界上絕大部分港口航道較窄、較淺、規(guī)模較小，不能與大型油輪和超大型油輪發(fā)展相匹配的矛盾。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)可以系泊超大型油輪，能發(fā)揮其運(yùn)輸成本低廉的優(yōu)越性;是邊際油田、深海油田及離岸遙遠(yuǎn)油田實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采的先進(jìn)技術(shù)手段。

(2) 應(yīng)用上——單點(diǎn)系泊系統(tǒng)可以在7級(jí)大風(fēng)及浪高3～5 m的情況下進(jìn)行原油裝卸。每年平均工作日達(dá)到330個(gè)(90%)，對(duì)海域條件要求寬松，作業(yè)環(huán)境條件較寬，抵抗惡劣海況能力強(qiáng)，根據(jù)需要可設(shè)計(jì)成抵御50～100年一遇的臺(tái)風(fēng)。

(3) 經(jīng)濟(jì)上——單點(diǎn)系泊系統(tǒng)全部建設(shè)投資約為同樣等級(jí)的固定碼頭的20%～30%，每噸原油裝卸費(fèi)用可以減少30%～40%。

單點(diǎn)系泊作業(yè)流程如圖2所示。油輪系泊到單點(diǎn)浮筒后，由港作拖輪將2根水面漂浮軟管吊接到油輪上。油輪操作者將軟管分別接到船上的2個(gè)輸油鋼管接口。卸油完成后，由油輪操作者卸開漂浮軟管尾端接頭，在船上加盲法蘭，經(jīng)每次小于1 m3的高壓水沖洗、裝好盲法蘭后，將漂浮軟管拋到海面，由港作拖輪收好漂浮軟管，準(zhǔn)備接卸下一艘油輪。

圖2 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)作業(yè)流程Fig.2 Operation process diagram of single-point mooring system

2 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)溢油原因分析

通過對(duì)溢油事故的統(tǒng)計(jì)和分析得出，在整個(gè)工作過程中，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)和油輪為溢油重大危險(xiǎn)源。因此，對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)作故障、模式影響分析(FMEA)，以溢油為事故樹頂事件對(duì)油輪進(jìn)行事故樹分析(FTA)，找出導(dǎo)致溢油的各原因和預(yù)防措施。

2.1 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)FMEA

FMEA是一種廣泛應(yīng)用的故障分析方法，目的在于通過分析，了解影響系統(tǒng)功能的關(guān)鍵零部件的故障情況，尋找方法改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過對(duì)部件本身存在的故障的分析，可以了解故障原因以及故障對(duì)系統(tǒng)的影響，以便制定合理的維修策略，保證系統(tǒng)的安全[6]。

FMEA是一種表格分析方法，可以是系統(tǒng)任一層次的展開，簡單、清晰地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障模式及其影響的分析。分析步驟為：(1)確定研究對(duì)象；(2)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行層次劃分；(3)確定故障模式及其判據(jù)；(4)分析故障原因；(5)分析故障模式的影響。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的FMEA分析結(jié)果見表1。

表1 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)FMEA分析結(jié)果Table 1 FMEA analysis of single-point mooring system

2.2 油輪溢油FTA

FAT是一種常用的安全評(píng)價(jià)方法，采用FAT可以找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為安全對(duì)策的制定提供依據(jù)，從而達(dá)到預(yù)防事故、保持系統(tǒng)安全性的目的[7]。FAT包括定性分析和定量分析，定性分析包括求取FAT的最小割集、最小徑集和基本事件的結(jié)構(gòu)重要度分析。

最小割集是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的充分必要的基本事件的集合[8]。只要最小割集中的基本事件有一個(gè)不發(fā)生，頂事件就不會(huì)發(fā)生。最小割集越多，頂事件發(fā)生的途徑越多，系統(tǒng)也就越危險(xiǎn)，即最小割集代表系統(tǒng)的危險(xiǎn)性。

最小割集的計(jì)算就是展開化簡過的事故樹結(jié)構(gòu)函數(shù)式，每一項(xiàng)都為頂事件的一個(gè)最小割集。對(duì)于未化簡事故樹，展開結(jié)構(gòu)函數(shù)式后經(jīng)過布爾代數(shù)運(yùn)算處理才能得出最小割集。

結(jié)構(gòu)重要度指忽略基本事件的發(fā)生概率，只從事故樹的結(jié)構(gòu)上分析基本事件發(fā)生與否對(duì)頂事件的影響程度[9]。根據(jù)每一基本事件的結(jié)構(gòu)重要度大小，可以區(qū)別每一安全措施的輕重緩急，使得制定的安全措施更加有效，能最大程度地保障系統(tǒng)的安全性。

計(jì)算基本事件的結(jié)構(gòu)重要度公式為

(1)

式中：IΦ(xi)為第i個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度；kj為第j個(gè)最小割集；nj為第kj個(gè)最小割集的基本事件個(gè)數(shù)。

對(duì)于油輪溢油進(jìn)行FTA，首先必須搜集大量溢油事故資料進(jìn)行分析和整理，從而確定導(dǎo)致溢油事故發(fā)生頻率高、泄漏量大的事故發(fā)生的原因和影響。

根據(jù)國際油輪船東防污染委員會(huì)對(duì)于1974～2005年間各種溢油事故按照泄漏量和事故原因的統(tǒng)計(jì)，得到表2所示統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 全球1974～2005年船舶溢油事故次數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Globe statistics of ships’ oil spill from 1974 to 2005

從表2中可以看到，由于碰撞、擱淺、船體破損和火災(zāi)爆炸引起的泄漏量大于700 t的事故比例分別占到了28.30%，34.40%，12.55%和8.70%。因此，可以確定由于海損造成的溢油事故占到了總事故的83.95%，是導(dǎo)致溢油事故發(fā)生的最主要因素。此外，根據(jù)勞輝[10]編纂的《最近29年我國沿海船舶碼頭溢油50噸以上事故統(tǒng)計(jì)》也可以得出，海損是造成油輪溢油事故的最主要原因。因此，本節(jié)主要從海損事故導(dǎo)致的溢油作為頂事件進(jìn)行展開建模。得到油輪溢油事故樹如圖3所示。對(duì)于圖3中符號(hào)的說明見表3。

圖3 油輪溢油事故樹Fig.3 Fault tree about oil tanker leakage

表3 油輪溢油事故樹符號(hào)說明Table 3 Signs of fault tree about oil tanker leakage

由圖3可以得到最小割集為：{2,4}，{2,9}，{3,10}，{3,11}，{12,14,15}，{13,14,15}，{5,8,20,22}，{6,8,20,22}，{7,8,20,22}，{5,8,21,22}，{6,8,21,22}，{7,8,21,22}，{5,8,20,23}，{6,8,20,23}，{7,8,20,23}，{5,8,21,23}，{6,8,21,23}，{7,8,21,23}，{1,4,8,13,18}，{1,4,13,16,18}，{1,4,8,17,18}，{1,4,16,17,18}，{1,4,8,13,19}，{1,4,13,16,19}，{1,4,8,17,19}，{1,4,16,17,19}。

由以上分析可以得出，該故障樹共有26個(gè)最小割集，包括4個(gè)二階最小割集、2個(gè)三階最小割集、12個(gè)四階最小割集以及8個(gè)五階最小割集。一般情況下，割集階數(shù)越小，發(fā)生溢油事故的可能性就越大，可見，4個(gè)二階最小割集和2個(gè)三階最小割集直接影響著系統(tǒng)的可靠性，有可能是系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

2.3 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)整體溢油原因分析以及應(yīng)對(duì)策略

通過對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的FMEA和對(duì)油輪的FTA，可以得到可能導(dǎo)致溢油事故發(fā)生的危險(xiǎn)因素，如圖4所示。

由圖4可以看出，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)整個(gè)輸油過程的溢油風(fēng)險(xiǎn)主要來自于兩個(gè)方面，一個(gè)是主觀因素，一個(gè)是客觀因素。主觀因素包括了人員的能力和管理水平，客觀因素包括了環(huán)境因素和設(shè)備因素。依據(jù)前文的分析得出，整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及人為因素是影響整個(gè)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)輸油過程的主要因素，因此，本文從這兩個(gè)角度提出必要的控制決策和相關(guān)建議。

圖4 溢油風(fēng)險(xiǎn)主要因素Fig.4 Oil spill risk factors

首先需要對(duì)整個(gè)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)和油輪等進(jìn)行必要的可靠性評(píng)價(jià)。隨著工作時(shí)間的延長，整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)長時(shí)間暴露在各種復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境中，各結(jié)構(gòu)材料必然發(fā)生老化、腐蝕變薄，極有可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形，甚至發(fā)生斷裂、泄漏等。雖然必要的維護(hù)和維修可以在一定程度上降低上述隱患出現(xiàn)的可能性，但整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的強(qiáng)度降低了，從而大大增加了發(fā)生事故的可能性。因此，對(duì)營運(yùn)中的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行必要的可靠性評(píng)價(jià)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和結(jié)構(gòu)缺陷，并采取必要的措施對(duì)危險(xiǎn)源進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，盡早發(fā)現(xiàn)并解決問題。同時(shí)，還需要加強(qiáng)對(duì)各設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)。定期維護(hù)保養(yǎng)雖不能徹底解決腐蝕等問題，但是可以在一定程度上降低事故發(fā)生的概率。對(duì)于維修和保養(yǎng)，可以選用先進(jìn)的維修策略，比如以可靠性為中心的維修策略等，將狀態(tài)維修、定期維修和事后維修有效地結(jié)合起來。

另外，操作人員以及工作人員水平的高低也直接決定著單點(diǎn)系泊系統(tǒng)工作過程中溢油風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率。對(duì)于工作人員采取的措施可以從以下方面進(jìn)行開展：(1)加強(qiáng)對(duì)工作人員的教育培訓(xùn)。一方面要加強(qiáng)職業(yè)技能的培訓(xùn)，規(guī)定工作人員上崗的必備條件。另一方面，還應(yīng)加強(qiáng)工作人員心理素質(zhì)的培訓(xùn)，尤其是應(yīng)變能力的培訓(xùn)。可以制定一套應(yīng)急應(yīng)變的能力考核體系，并嚴(yán)格把關(guān)工作人員的考試、評(píng)估和發(fā)證制度。(2)加強(qiáng)主管單位的安全監(jiān)督。相關(guān)主管部門應(yīng)按照國家和地方的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行安全監(jiān)督工作，結(jié)合單點(diǎn)系泊系統(tǒng)工作環(huán)境和條件的特點(diǎn)，可以與相關(guān)科研單位合作，制定有效的安全監(jiān)督管理辦法和手段。

3 結(jié) 語

本文將單點(diǎn)系泊系統(tǒng)輸油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與油輪外輸溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相結(jié)合，分別通過FMEA和FTA對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)和油輪系統(tǒng)進(jìn)行安全分析。通過FMEA，對(duì)浮筒系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、系泊總成、控制系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)等發(fā)生故障的模式、故障發(fā)生的原因以及故障對(duì)整個(gè)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)工作的影響進(jìn)行了總結(jié)，為制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略打下了基礎(chǔ)。在FTA分析中，以油輪溢油為頂事件，搜集大量溢油事故資料并對(duì)其進(jìn)行分析和整理，從而確定了發(fā)生頻率高、泄漏量大的溢油事故發(fā)生的原因和影響。通過上述分析，找到了導(dǎo)致溢油事故發(fā)生的主要因素為主觀因素和客觀因素。分別從主觀因素和客觀因素兩個(gè)方面出發(fā)給出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，指出通過先進(jìn)的維修維護(hù)策略和嚴(yán)格的監(jiān)督管理制度，可以在一定程度上降低單點(diǎn)系泊系統(tǒng)溢油事故發(fā)生的概率。這些結(jié)果將有助于保障單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

[1] 朱艷吉,王寶輝,蓋翠萍.石油類污染物的環(huán)境行為及其對(duì)環(huán)境的影響[J].化工時(shí)代,2006,20(9): 66.

[2] 周長波,于秀玲,白艷英.我國清潔生產(chǎn)審核咨詢機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀分析及政策建議[J].化工環(huán)保,2009,29(4): 291.

[3] Feng J,Zhang H G.Diagnosis and localization of pipeline leak based on fuzzy decision-making method[J].Acta Automatica Sinica,2005,31(3): 484.

[4] Liu X,Wirtz K W.Consensus oriented fuzzed decision support for oil spill contingency management[J].Journal of Hazardous Materials,2006,134: 27.

[5] 李懷明.蓬萊19-3油田海底溢油輸移擴(kuò)散數(shù)值模擬研究[D].青島：中國海洋大學(xué),2013.

[6] 王邵印.故障模式和影響分析(FMEA)[M].廣州: 中山大學(xué)出版社,2003.

[7] Elliott M S.Computer-assisted fault-tree construction using a knowledge-based approach[J].IEEE Transactions on Reliability,1994,43(1): 112.

[8] 邵延峰,薛紅軍.故障樹分析法在系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用[J].中國制造業(yè)信息化,2007(1): 15.

[9] Sinnamon R M,Andrews J D.New approaches to evaluating fault trees[J].Reliability Engineering amp; System Safety,1997,58(2): 89.

[10] 勞輝.最近 29 年我國沿海船舶碼頭溢油 50 噸以上事故統(tǒng)計(jì)[J].交通環(huán)保,2003,24(6): 46.

StudyonOilSpillRiskManagementandPreventionforSingle-PointMooringSystems

WANG Yun-fei1， ZHANG Da-gang1， KANG Yong-tian1,JIN Hao2

(1.DMAROffshoreEngineeringInc.,Qingdao,Shandong266000,China; 2.714ResearchInstitute,ChinaShipbuildingIndustryCorporation,Beijing100192,China)

Considering the complex working environment and the high risk of oil spill of single-point mooring systems,it is necessary to do risk evaluation and establish the corresponding monitoring,maintenance,supervision and management system for the whole work flow which includes people,various equipment,environment and so on.We study the single-point mooring system with failure mode and effects analysis (FMEA),and investigate the oil tanker with fault tree analysis (FTA).Through the analysis of the single-point mooring system,the key parts failure modes and the reasons and effects of the failure are obtained.Through the FTA,we get the various basic events that may cause the oil spill.On the basis of the analysis,we can make relevant maintenance policy and supervision and management measures to reduce the risk of oil spill.

single-point mooring system; oil tanker; risk source recognition; failure mode and effects analysis; fault tree analysis

TE88

A

2095-7297(2014)03-0200-07

2014-08-21

王云飛(1987—)，男，碩士，主要從事水下生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、屈曲分析以及安全評(píng)價(jià)等方面的研究。