（安全技术及工程专业论文）海洋钻机起升系统安全评价.pdf

s a f e t ya s s e s s m e n to nt h el i f t i n gs y s t e mo fo f f s h o r ed r i l l i n g z h a oh u a n j u a n ( s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f q im i n g x i a a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo f f s h o r eo i lr e s o u r c e s ，o f f s h o r eo i ld e v e l o p m e n tw e l lh a sb e e n t a k e ni n t op e o p l e sa t t e n t i o n ，w h i c hc a nn o tw o r kw i t h o u tt h es u p p o r to fo f f s h o r ed r i l l i n gr i g ， d r i l l i n ge q u i p m e n ti su p s t r e a mo ft h eg i a n to f f s h o r eo i li n d u s t r ye q u i p m e n t r i gh o i s t i n g s y s t e mi sav e r yc o m p l e xm e c h a n i c a lv i b r a t i o ns y s t e mw h i c hi st h ec o r eo fd r i l l i n gr i g ，i t s p e r f o r m a n c ed i r e c t l ya f f e c t st h ew o r kp e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r er i g t h e o r e t i c a l l ys a f e t y a n a l y so no f f s h o r eo i ld r il l i n gh o i s ts y s t e ms h o u l db ed o n e 。 f i r s t l y ，a c c o r d i n gt os t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a r i n ep l a t f o r md r i l l i n ge q u i p m e n t ， t h eu s eo fd o m i n ot h e o r yo fa c c i d e n to nd r i l l i n gp l a t f o r ma c c i d e n ti sa b l et oe f f e c t i v e l y s i m p l i f yt h er i gs t r u c t u r e a n dt h e n ，c r i t i c a li n c i d e n t si nt h eo f f s h o r ed r i l l i n gr i gs t a t u sc a nb e i d e n t i f i e d d os a f e t y a n a l y s i so n o f f s h o r e d r i l l i n gr i gf r o mt h e s ei n c i d e n t s ，a n dt a k e a p p r o p r i a t es e c u r i t ym e a s u r e st oe n s u r et h a tt h e s ek e yt a c h es h o u l dw o r ko nt h es e c u r i t ys t a t e s e c o n d l y ，t h eu s eo fh s eh a z a r di d e n t i f i c a t i o nc o u l df i n dr i gh o i s t i n gs y s t e mf a i l u r eo n v a r i o u sf a c t o r sf r o mt h em a n ，m a c h i n et oe n v i r o n m e n t f i n do u tt h er i gh o i s t i n gs y s t e m f a i l u r ea n dh u m a ni n j u r yr i s kf a c t o r sf r o ma n a l y s i n gt h et y p eo fa c c i d e n ta n dp e r s o n a li n j u r y c a t e g o r yo no f f s h o r ep l a t f o r m s t h e n ，t h ec o n v e n t i o n a lf a u l tt r e ea n a l y s i ss h o u l db ed o n eu s i n gt h ea b o v ea n a l y s i st o e s t a b l i s ht h em i n i m u mc u ts e t ，a n dt h e nd e t e r m i n et h e i m p o r t a n tb a s i ce v e n t s ，i nt u r n ， i m p o r t a n tb a s i ce v e n t sc a nb ei d e n t i f i e dw h i c hm a yl e a dt ot h ef a i l u r eo fs u p e r i o re v e n t s t h o s ee q u i p m e n tw h i c ht a k et h eo c c u r r e n c eo fs u c hf a i l u r e sn e e dt ot a k es p e c i a ls a f e t y m e a s u r e sa n de q u i p m e n to rt h er e l i a b i l i t ya n a l y s i s f i n a l l y , t h i s a r t i c l ew i l lf i n d r e l i a b i l i t ya n a l y s i so nt h ee q u i p m e n tw h i c ha c c i d e n t c o n s e q u e n c e si ss e r i o u s l y ，t od e t e r m i n ei ft h e yc a nw o r kr e l i a b l yo nt h e i rn o r m a lw o r k i n g s t a t ea n dm a k ea p p r o p r i a t es e c u r i t ym e a s u r e s k e y w o r d s ：m u l t i m e t e rm u l t i m o d ed o m i n ot h e o r yo fa c c i d e n t ，f a u l tt r e ea n a l y s i s ， a b a q u s ，r e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，s e c u r i t ym e a s u r e s i l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 签名： 7 p 口年 彳月7日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - j ( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 同期：加加年多月同 日期：矽加年易月 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究意义 第一章绪论 随着工业发展对能源需求的增高以及陆上采油的局限，海洋石油的开发早已列入进 程。海洋石油资源的开发离不开海洋钻机的支持，与陆地石油生产装备相比，钻井设 备同样是海洋石油工业上游的巨型装备。海洋钻机是一套实现海洋钻井生产的综合性机 组。海洋钻井技术水平的高低很大程度上取决于其钻井设备的装备水平。钻井设备的设 计、制造水平，在一定程度上反映这个国家的石油工业生产技术水平和装备制造能力。 我国钻井设备制造业正以矫健的步伐由石油机械制造大国向制造强国迈进。随着海 洋石油的发展，我国各种在用海洋平台的数量不断增加。海洋平台及设备不可靠频繁引 发故障，海洋平台倾复和爆炸造成台毁人亡的事故也偶有发生。提高海洋平台及设备的 可靠性，确保海洋作业安全的问题同益突出。作为一个结构非常复杂且处于恶劣的海洋 工作环境的系统，钻机常见故障和安全隐患也多种多样，并且这些故障和隐患可能造成 严重的事故后果。但海洋钻井平台各设备区块却是划分明确的，是具有明显串联特征的 流程设备系统【2 】【3 1 。 作为钻机的三大机组之一，钻机起升系统是一个十分复杂的机械振动系统，是钻机 的核心，它的工作性能直接影响到整个钻机的工作性能。在钻机起下钻的初始运动阶段， 在起升加速度的作用下，对钻柱的冲击以及产生的振动是十分明显的。如果在起升过程 中起升系统的动载过大，钻柱就会被破坏。因此，对海洋钻机起升系统进行安全评价是 十分必要可行的。 1 2 课题研究目标、研究内容 1 2 1 研究目的 采用合适的事故模式理论对海洋平台的事故进行分析，以期得到海洋平台事故中处 于关键地位的环节。分析影响钻机起升系统故障的人、机、环境等各方面原因以及事故 类型，找出海洋平台的危险因素。在此基础上建立钻机起升系统故障树，对所建故障树 进行常规分析，找出在保证海洋钻机起升系统安全生产工作中处于十分重要地位的部 件。并对这些部件进行安全分析，最终给出它们的安全状态，进而确定海洋钻机起升系 统的安全状态。对这些部件进行分析并提出改进意见。 第一章绪论 1 2 2 研究内容 ( 1 ) 确定海洋平台事故模式并找出关键环节； ( 2 ) 海洋平台钻机起升系统危险因素； ( 3 ) 建立海洋平台钻机起升系统故障树并进行常规分析； ( 4 ) 重要部件可靠性分析： ( 5 ) 海洋钻机平台安全措施。 1 2 3 拟解决的关键问题 ( 1 ) 找出海洋平台事故模式中的关键环节； ( 2 ) 找出处于海洋钻机起升系统安全生产工作中十分重要地位的因素和部件； ( 3 ) 钢丝绳，井架可靠性评价。 1 3 海洋石油钻井概述 1 3 1 中国海洋石油钻井发展历程 我国海洋油气资源丰富，七十年代初，为捍卫我国海域主权和勘探海底油气资源的 需要，由原地矿部在上海成立的“六二七工程筹备组”，与沪东造船厂和七0 八所等有 关单位一起开始进行海上石油钻井装备设计方案的调查研究工作，用二艘相同的尾机型 三千吨级沿海货轮拚装改建成一艘双体钻探船一我国第一艘海上钻井浮船“勘探一号”。 该钻井船在南黄海海域打下七口地质普查井，为了解南黄海的地质情况，锻炼和培养海 上队伍，特别是为摸索海上浮船钻井的经验作出了不可忽视的贡献。1 9 7 4 年底，由七0 八所、上海船厂和上海海洋地质调查局共同组建的设计组开始了“勘探三号”半潜式钻 井平台的设计工作。“勘探三号”建成之后，转战我国南北海域、东南亚海域、孟加拉 湾及俄罗斯萨哈林海域，为东海平湖油气田、春晓油气田、南海油气田的勘探开发和多 个油气田和含油气构造的发现做出了不可忽视的贡献i 。 近几年我国的造船实力不断加强，造船行业的基础设施投资规模增大，拥有一批设 施完善的造船企业，这些企业也具备建造海洋钻井平台的能力。大连船厂可以为旧平台 进行升级改造，另外也已经为国外公司成功制造了多台半潜式平台、自升式平台，为中 海油建造了一艘适应水深达到1 2 2 米自升式钻井平台“海洋石油9 4 1 ”。山海关船舶重工 有限责任公司为中国石油集团海洋工程有限公司建造的“中油海3 号”坐底式钻井平台 于2 0 0 7 年5 月完工交付使用，该平台是我国自主设计的新一代钻井平台，也是目前世 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 界上规模最大的坐底式钻井平台。同年，“中油海5 号”自升式钻井平台在青岛北海重 工有限责任公司完工交付使用。可见，我国的造船技术能力己达到得到世界同行业的认 同的水平。 2 0 0 7 年1 1 月，石油宝鸡石油机械有限责任公司成功研制了我国首台具有自主知识 产权的1 2 0 0 0 m 特深井石油钻机。该钻机的研制成功，为我国海洋深水钻井打下坚实的 装备基础，极大地提升了我国海上石油钻井方面在国际油气勘探市场的竞争力【2 】【3 1 。2 0 1 0 年2 月，由中国海油投资的3 0 0 0 m 深水深水半潜式钻井平台“海洋石油9 8 1 ”在上海外 高桥造船有限公司顺利出坞，这标志着中国首艘自行建造的超深水钻井平台的钢结构建 造和主要设备安装已经基本完成，平台的建造将由坞内搭载进入码头舾装、调试阶段。 该钻井平台是世界第六代海洋石油钻井平台，拥有当今世界海洋石油钻井装备的最高水 平，具有勘探、钻井、完井、与修井作业等多种功能【4 】。 但是，我们也要正视差距，这些产品绝大多数都是国外公司设计的，真正属于我们 自主知识产权的较少，我国的海洋石油钻机发展水平在整体技术方面与国外的海洋石油 钻机相比还存在一定的差距，我们应该看到这些差距。行业的整体技术与国外的差距也 是不可忽视的【5 】： ( 1 ) 超深井钻机配套设备不能满足目前海洋钻机的配套要求和技术发展需要； ( 2 ) 交流变频钻机转盘防倒转技术尚不成熟； ( 3 ) 钻杆自动排放系统尚处于空白【6 】【7 】。 这些差距导致我国海洋石油钻机不能满足我国工程技术服务开拓国际市场的需要， 更不能满足我国海洋石油工业实施新的钻井技术的需要。 1 3 2 国外海洋石油钻井情况 近些年，为了满足能源战略和开发的需要，世界各国特别是沿海国家为寻找和开发 新的海洋油田，积极向深海推进，以发现新的油气田。而油价的一路攀升，纵然在近期 有些回落，但还是在高价区振荡。在这种形势的驱动下，全球海洋油气勘探直呈旺盛 态势。在如此旺盛的商业需求推动下，世界各造船厂纷纷抓住这大好时机，抢接平台定 单，海洋工程装备市场出现了空前的繁荣。 海洋石油开采的几十年来，国外海洋工程技术装备的设计和建造在不断发展，新的 产品型号也不断出现。目前，世界上有许多家钻井装置设计承包商设计的海上钻井平台 产品己形成系列，半潜式钻井平台知名的如美国的f r i e d e & g o l d m a ne x d 系列；瑞典的 3 第一章绪论 g o t a v e r k e na r e n d a la b g v a 系列；挪威的a k e rk a v a e m e rh 3 、h 4 、h 6 等系列。自升 式钻井平台有美国的l e t o u r n e a u 、f & g 、b a s s 、b m c 等系列；荷兰的m s c 系列；日 本的三井海洋开发及法国的c f e m 系列。平台建造市场主要由日本、韩国、法国、挪威、 新加坡等国占据。作为自升式钻井平台设计的先驱，l e t o u r n e a u 公司占有全世界三分之 一的自升式平台型号。f & g 从8 0 年代就推出了l 7 8 0 系列，2 0 0 0 年设计的j u 2 0 0 0 型 号，在技术性能都有不少的改进。日、韩两国经过多年的技术研发，在海洋钻井工程领 域发展较快，承接和建造了许多艘大型、技术先进的半潜式钻井平台和大型f p s o t 。 1 4 海洋钻机起升系统概述 与陆地石油生产装备相比，钻井设备同样是海洋石油工业上游的巨型装备。海洋钻 机是一套实现海洋钻井生产的综合性机组。海洋钻井技术水平的高低很大程度上取决于 其钻井设备的装备水平f 1 1 。钻井设备的设计制造水平，在一定程度上反映这个国家的石 油工业生产技术水平和装备制造能力。 海洋钻机一般由起升系统、旋转系统、泥浆循环系统、动力系统、防喷器系统、控 制系统和钻机辅助系统组成。钻机的起升系统是钻机的核心，它的工作性能直接影响到 整个钻机的工作性能f 7 1 。钻机起升系统是指电动机减速器一离合器一滚筒一钢丝绳一井 架一天车一游车一大钩一钻柱。 1 4 1 井架 井架亦称为钻塔，是装在钻井平台上的一种桁架结构。顶部设有悬挂游动滑车( 顶 驱) 与大钩的天车( 升沉补偿系统) ，供下钻或起钻时装卸钻杆或吊装水下器具。下端 有的直接固定在甲板上，有的坐落在轨道上，借助于液压千斤项作前后或左右移动。井 架、钻机等钻井设备如图1 1 所示。海洋平台井架主要有塔形井架和套装井架两种。半 潜式钻井平台上所用的井架为海洋动态井架，瓶颈式塔形井架是一个横截面为正方形， 栓装封闭式钢结构。井架主体由大尺寸钢焊成截面为矩形的方钢作井架体立柱，整个井 架体由四根立柱和若干横斜腹杆经高强度螺栓连成一整体。全部裸露构件均经浸锌处 理，增强了井架的抗腐蚀能力。它承载能力大，整体稳定性好，井架内部空间大，司钻 视野开阔，适用于海上复杂工况下工作。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 - 1 海洋平台钻机起升系统 f i g1 - 1 t h el i f t i n gs y s t e mo fo f f s h o r ed r i l l i n gr i g 作为钻机起升设备的重要组成部分之一，钻机井架是石油工业生产设备中的重要组 成部分，属于一种大型承重结构，不仅要承受水平载荷，更主要的是要承受很大的垂直 载荷，在平台生产中起着重要作用【8 】“【1 4 】。 ( 1 ) 结构组成 海洋钻机上使用的井架主要由以下几个部分组成： 井架本体：多为型材组成的空间桁架结构： 天车台：安置天车和升沉补偿装置并作为维修天车的工作台； 二层台：二层台是进行起下钻操作及排放立根的工作台。井架内悬挂游动滑车、 大钩等起升设备； 工作梯。 5 第一章绪论 ( 2 ) 海洋钻井工艺对井架的基本要求： 足够的承载能力及稳定性，保证起下一定深度的钻杆柱和下放一定深度的套管 柱。所谓足够，即要与所配用的钻机大钩公称起重量( 最大钻柱重量) 及大钩最大起重 量相适应。 足够的工作高度和空间，足够的钻台面积。工作高度越高，起下的立根长度越 长，可以节省时间。井架上下底应有必要的尺寸，以安装天车及升沉补偿装置，并保证 起下钻操作时游系设备能够畅行无阻；保证钻台上便于布置设备、安放工具，方便工人 安全操作，使司钻有良好的视野。 1 4 2 天车、游车、大钩和钢丝绳 天车、游车、钢丝绳和大钩，通常统称为游动系统。天车、游动滑车，用钢丝绳联 系起来组成复滑轮系统，在很大程度上降低快绳拉力，进而减轻钻机绞车在钻井各个作 业过程中的负荷和起升机组发动机应配备的功率。 ( 1 ) 天车、游车 现在采用的天车、游车基本都是单轴的。通过滚动轴承将多个绳轮装在一根心轴上， 或者两轴的轴心线一致的两轴。单轴天车或者游车，轴一般是双支承的，轴的直径较大， 轴上钻有轴向和径向黄油孔道，引黄油来润滑轴承。个别也有为了减轻重量采用空心轴 的。另外，单轴天车或游车，轴也有多支承的，轴及轴承直径可比双支承的小些，缺点 是不易保证载荷均匀分布于各支承上。 快绳一侧滑轮转动速度快于死绳一侧，表明各个滑轮处轴承的磨损是不均匀的，愈 靠近快绳处滑轮轴承的磨损愈严重。轮槽磨损也是不可避免的。为抵抗磨损，轮槽应进 行表面热处理。当轮槽磨损严重或已出现波纹状沟痕时，应及时更换滑轮，以延长钢丝 绳的使用寿命。 升沉补偿装置主要有三种类型：死绳或快绳恒张力升沉补偿装置，天车上的升沉补 偿装置，游车大钩问的升沉补偿装置。天车上的升沉补偿装置的结构如图1 2 所示，其 工作原理是：天车装在一个能浮动的框架内，有垂直的轨道，天车可通过滚轮在轨道内 上下移动，天车上绕的钢丝绳一端通过助滑轮缠到绞车滚筒上，另一端通过另一辅滑轮 固定到井架底座上。天车由主气缸支撑，这四个主汽缸的气体由装在井架上的储能器供 给。当平台上升时，天车沿轨道向相对于井架向下的方向运动；起下钻操作时，将天车 以锁紧装置锁住，使之不随起下钻而上下运动；正常钻进时，通过气动调节阀控制储能 6 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 器内气体压力，以保持井底钻压或调解钻压。有行程指示器指示天车的位置，当天车位 于最低点时，可放松滚筒上的钢丝绳以使游车下放，继续钻进；当大钩载荷突变时，液 缸就会支撑天车，使其缓慢移动，以保证安全，在主气缸失效时，也会由液缸支撑天车， 正常工况下，可通过控制阀停止液缸的工作【8 1 。 图l - 2 天车升沉补偿装置 f i g1 - 2 h e a v ec o m p e n s a t e do fc r o w nb l o c k ( 2 ) 石油钻机用大钩一般都是三钩。 大钩主要由钩身、钩杆、钩座、提环、止推轴承和弹簧等组成。钻井工作对大钩的 要求有：应具有足够的强度和工作可靠性；钩身能灵活转动，以便上、卸扣；大钩弹簧 行程应足以补偿上、卸钻杆扣时的距离；钩口和侧钩的闭锁装置应该绝对可靠、闭启方 便；大钩应该有缓冲减振功能，以减小拆卸立根时的冲击。 ( 3 ) 海洋钻井用游动系统钢丝绳一般为顺穿法。s y t 5 6 0 9 1 9 9 9 规定，各级钻机均 选用圆股钢丝绳中的6 s ( 1 9 ) 纤维绳芯或者6 s ( 1 9 ) + 7 x 7 金属绳芯钢丝绳。规定各级 钻机选用的钢丝绳应该保持钻井绳数和最大钻柱重量情况下，安全系数不小于3 ；在最 多绳数和最大钩载情况下，安全系数不小于2 t 9 1 。 1 4 3 钻机绞车 ( 1 ) 功用与结构组成 钻井绞车是半潜式钻井平台钻机设备中的关键设备，其主要功能是起下钻具、套管、 隔水管、水下器具及悬持全部钴具和钻头等。钻机绞车不仅是起升系统设备，也是整个 7 第一章绪论 钻机的核心部件，是钻机三大工作机之一，钻井绞车的起升能力不仅是钻井平台的重要 标志性的参数之一，也是其它相关钻井设备配置的参照依据【8 】o 1 ) 功用 用以起下钻具、下套管； 钻井过程中控制钻压，送进钻具； 借助猫头上、卸钻具丝扣，起吊重物和其它辅助工作； 作为转盘的变速机构或者中间传动机构。 2 ) 结构组成 作为多功能的起重工作机，各型绞车本质上都具有类似的功能结构部件。绞车一般 由以下几部分组成： 滚筒、滚筒轴总成是绞车的核心部件； 制动结构，包括机械刹车和电磁刹车； 传动系统，引入并分配动力和传递运动，对于内变速绞车该系统除包括传动轴 及滚筒轴、猫头轴以外，还包括链条、齿轮、轴系零件及转盘中间传动轴等； 控制系统，有牙嵌、齿式、启动离合器，司钻控制台，控制阀等； 润滑系统，包括黄油润滑、滴油润滑和密封传动、飞溅或者强制润滑等类型； 支撑系统，有焊接的框架式支架或者密闭箱壳式座架。 ( 2 ) 绞车的选用 一台钻机选用何种类型的绞车要考虑多种因素，主要考虑： 1 ) 功率大小，主滚筒是否需要上钻台，安装移运的方式； 2 ) 变速方式，重型、超重型钻井绞车多采用绞车内变速； 3 ) 倒车方式，绞车外还是绞车内倒车； 4 ) 是否充当传转盘的中间机构、变速机构； 5 ) 润滑方式，黄油、滴油、飞溅或是强制润滑； 6 ) 控制方式，一般都采用集中气控制、气排挡； 7 ) 驱动类型。 一般来说，海洋平台所用绞车还应具备以下技术特点： 1 ) 交流变频驱动，绞车无级调速，保证作业平稳，冲击小； 2 ) 硬齿面丌式齿轮与行星齿轮箱组合传动，使结构紧凑，占地面积小； 3 ) 采用失效保护安全模式，防护盘式刹车，有效防止事故； 8 中围石油人学( 华东) 硕十学位论文 4 ) 机械制动机构，确保拖航作业时设备能稳定安全的运行； 5 ) 能耗制动系统，可实现绞车悬停、制动； 6 ) 采用独立交流变频驱动排绳器，主动排绳，依托程序控制，实现自动调节。 1 4 4 刹车机构 绞车的刹车机构包括主刹车和辅助刹车。 ( 1 ) 机械刹车功用与使用要求 1 ) 功用 正常钻进时，控制滚筒的转动，以调节钻压，送进钻具；下钻、下套管时，刹慢或 刹住滚筒，控制下放速度，悬持钻具。 2 ) 使用要求 对于绞车的刹车机构来说，要求它的使用性能具有安全可靠、灵活省力、寿命长等 特点。在现场可以看到，钻井过程中，司钻总是手不离刹把。如果刹车机构不灵活、费 力，将大大加重司钻的体力劳动强度，带来操作的不方便。现场曾经不止一次因为刹车 不可靠而发生重大溜钻事故，造成设备损失、井下事故，甚至危及工人的人身安全。 ( 2 ) 辅助刹车 海洋钻机辅助刹车采用电磁涡流刹车。电磁涡流刹车是一种新型辅助刹车，适用于 海洋和陆地钻机上。它利用电磁感应原理进行无损制动，具有无易损件、制动性能好、 使用寿命长、操作维修简单等优点。 结构和原理 典型的涡流刹车，主要由左、右定子和转子组成，定子中固嵌着激磁线圈( 刹车线 圈) 。三相3 8 0 v 的交流电源经三相变压器降压输入整流器，经过三相整流桥输出连续可 调的直流电至激磁线圈，在激磁周围产生固定磁场。当转子被滚筒轴转动时，转子磁通 密度的变化在转子表面产生感生电动势，即可引起涡电流。此涡电流形成旋转磁场，与 固定磁场相互作用便产生制动力矩。产生的热量被由侧面输入的冷却水带走。 特性 调节电位器改变送入刹车线圈的电流，便可以获得较低的m n 曲线，即在任何载荷 下可以调得所需要的下钻速度。当转速降至3 5 r m i n 时，制动力矩仍为最大值的7 5 ， 能够满足低速重载下钻的要求【9 】【l0 1 。 9 至三童查壁堕茎! 量! 垫望里里堡坌堑 第二章海洋钻井平台事故致因理论分析 2 1 海上钻井平台类型及结构 随着海洋石油资源开发的发展，海上石油钻井在石油产业中的地位变的越来越重 要。作为实施海底油气勘探和开采海洋石油的海上结构物，海洋钻井平台主要有自升式 钻井平台和半潜式钻井平台2 种。 ( ”自升式钻井平台 自升式钻井平台主要由平台、桩腿和升降结构组成，平台可以沿桩腿升降，一般无 自航能力。工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起至离开海面的安全工作高度。平台桩 腿需要进行预压，以保证遇到风暴时平台桩腿不致下陷。完井后平台降到海面上，拔出 桩腿井全部提起，使得整个平台浮于海面，由拖轮拖至新的井位继续作业。该类钻井平 台的水深适应性强且工作稳定性良好，困而发展较快，应用数量约占移动式钻井装置总 数的1 2 。 ( 2 ) 半潜式钻井平台 半潜式钻井平台上部为工作甲板，下部为两个用支撑立柱连接的下船体。工作时下 船体潜入水中，甲板处于水上安全工作高度。该类钻井平台拥有平台水线面积小，工作 水渫大，波浪影响小，移动灵活等优点；但也存在投资大，维持费用高，需有一套复杂 的水下器具，有效使用率低等缺点l 。 以某平台为例，平台结构布置如图2 - l 。 圈2 - 1 海洋平台结构布置简图 啦2 - 1t h e h e m a t ks t r u c t u r e s l a y o u t o f o f f * h e r ep h t f o r m 趣_ m 中国石油大学( 华东) 硕一i ：学位论文 2 2 海洋石油平台危险性 自海洋平台使用以来，由海洋平台及设备不可靠引起的故障频繁出现，海洋平台倾 复和爆炸造成机毁人亡的事故也偶有发生。海上石油钻井平台作业劳动强度大、工作时 间长、设备密集度高、环境影响因素多，属于特殊的作业类型。海上钻井平台安装有钻 井、动力、通讯、导航，以及安全救生和人员生活设施的等设备，结构复杂。同时，海 洋平台长期受海上风暴、潮流和低温环境的影响，这些都是导致产生海上平台事故的因 素。 随着海洋石油的发展，我国各种在用海洋平台的数量不断增加。海洋石油生产历史 告诉我们，许多重大事故的发生仅是因为是某- - d 的环节疏漏。1 9 9 4 年7 月，胜利四号 平台在卸套管时，发生吊车司机被挤压致死的严重事故，其事故原因有：值班队长无证 操作吊机，严重违章；吊车司机自我防护意识差。1 9 9 8 年7 月，胜利二号平台在夜间修 泵使用电动砂轮机时，发生1 人触电死亡的严重事故，其事故原因有：工作人员的手 套、工鞋全是湿的，地面积水，手持式电动砂轮机为非船用防潮设备，造成进水漏电； 没有接地线：没有按规定安装漏电保护器。1 9 9 8 年9 月，胜利九号平台接立柱作业 时，发生顶碰天车事故，致使井架工1 人死亡的严重事故，其事故原因有：刹把操作 者安全意识差，思想麻痹，违章操作；防碰天车失灵，平台安全检查不到位，设备带 隐患运行；井架工高空作业未系安全带。1 9 9 8 年1 2 月，胜利五号平台在修理作业中 对顶驱吊环刷油漆时，发生一钻工随吊笼坠落死亡的重大事故，其事故原因有：设备本 身存在缺陷、操作者未按程序操作；气动绞车刹车毂上带有太多的机油，使绞车的制动 性能明显降低；日常安全检查不够认真，没有及时发现事故隐患，或者是可能注意到了， 但却忽视了其可能造成的后果而继续使用。 英国北海石油天然气平台所发生爆炸事故得根本原因就是凝析油注入泵的泄压安 全阀拆除后，该位置安装上了一个盲板法兰，但没有上紧该盲板法兰，结果凝析油从此 处泄漏，造成天然气聚积，可燃气达到爆炸极限后遇明火爆炸。2 0 0 1 年3 月，巴西石油 公司p 3 6 海上半潜式采油平台发生爆炸，事故主要原因是：安装在右舷尾部立柱内第4 层甲板处的应急排放罐的排放泵被拆下维修，为安全起见维修人员将该应急排放罐放空 阀关闭，并关闭了由流程进入该罐的阀门，但因这个阀门没有完全关严，油气进入应急 罐，造成超压爆炸，之后发生的二次爆炸引发了整个柱体爆炸，损坏了结构，大量海水 进入立柱内，导致平台翻沉。 第二章海洋钻井平台事故致【大l 理论分析 另一方面海洋平台对环境有着潜在污染危险，钻井过程、生产过程的废弃物的排放 均可能造成海洋污染【1 2 】【13 1 。 2 3 海洋钻井平台事故致因理论分析 2 3 1 事故致因理论内容 从事故的定义和特性可知，事故是违背人的意志而发生的意外事件，而且事故具有 明显的因果性和规律性【1 3 】。阐明事故因何发生，是如何发生事故的，以及如何预防事故 发生的理论，被称为事故致因理论【l4 1 。事故致因理论就是从大量典型事故的本质原因做 分析，进而提炼出的事故机理和事故模型。这些机理和模型从理论角度反映了事故发生 的规律性，能够从理论上为事故的定性定量分析和事故的预测预防，提供科学完整的依 据，为安全管理的改进工作打下坚实的基础【1 4 】。 2 3 2 多米诺骨牌事故致因理论 多米诺骨牌事故致因理论( 见图2 2 ) ，假设事故的发生是一连串事件，按一定的顺 序互为因果依次发生的结果。这个观点可形象化为五块平行摆放的骨牌，第一块倒下以 后就引起后面的牌连锁式倒下。可以理解为客观的发生时间上处于上游的事件是发生时 间上处于下游的事件的充分必要条件。这五块骨牌依次是人体本身，按人的意志进行的 动作，人的不安全行为和物的不安全状态引起的危险性，发生事故，受到伤害。 按照这个事故理论的指导，为了防止事故，只要抽取五块牌中的任何一块，事件链 就被破坏，可以防止事故发生。实际上，这个理论过于绝对化，各块牌之间的连锁并非 是绝对的充分必要条件。对于复杂系统，每块牌牵连着很多其他的牌，有的是连锁关系， 有的是并列关系，每块牌的结构也可能是由很多块次一级的牌结构构成，若是这些次一 级的牌能够都发生则会导致下一块牌连锁式的倒下。但实际上这是不可能的，处于主干 地位的次一级的牌( m 。，p 。，h o ，d o ，) 拥有更大的的能力导致下一块张牌倒下。 应考察清楚系统中哪些事件应该是主干链接的骨牌之一，做到以尽量小的代价取得尽量 大的安全效果【l o 】。 回回回回回 图2 - 2 多米诺骨牌事故理论 f i 9 2 2 t h ed o m i n ot h e o r yo fa c c i d e n t 附注：图中，m 代表人体本身；p 代表按人的意志进行的动作；h 代表人的不安全行为和物的不安 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 全状态引起的危险性；d 代表发生事故；a 代表受到伤害。 海洋钻井平台设备结构复杂，但各设备区块却是划分明确的，是具有明显串联特征 的流程设备系统。其中每一台设备又可看成是由元器件构成的子系统。这表明，调查海 洋平台钻井事故时可以将之看作是一连串事件，溯下游而上，最终可以查找出事故发生 的根本原因。由此可见，钻井平台事故模式的分析采用多米诺骨牌事故模式来进行，能 有效简化钻机的结构，进而可以找出处于海洋钻机事故的关键地位的环节( 事故发生的 关键因素) 。然后，从这个环节对海洋钻机进行安全分析并采取相应的安全措施，以保 证这些处于关键地位的环节处于安全工作生产的状态1 5 】 【19 1 。 2 3 3 平台多米诺骨牌事故理论分析 事故致因理论的意义在于，它把各种各样的事故中共性的东西具体抽象出来，把这 些认识和积累的经验升华到理论水平，进而反过来指导实践。可见，若是由具体的海洋 平台事故模式的分析抽象出具体的多米诺事故模式理论的关键环节并验证，那么，这些 关键环节在其他平台事故中也普遍的处于关键地位。 在海洋平台生产史上，事故原因往往是人的操作中某一小的环节疏漏，或者是设备 不可靠和人为操作失误这两个因素共同作用导致了事故的发生。本文以典型的1 9 8 8 年 发生的阿尔法平台事故为例，用多米诺事故模式理论分析这起事故，籍此来寻找海洋平 台多米诺事故模式中处于关键地位的环节。案例中，以m 代表人体本身环节，p 代表按 人的意志进行的动作环节，h 代表人的不安全行为和物的不安全状态引起的危险性环 节，d 代表发生事故环节，a 代表受到伤害环节。 1 9 8 8 年7 月5 日，阿尔法平台上的一台泵的安全阀门需要维修，工人填写了相应的 报修工作许可单，由于即将要对该安全阀门进行修理，故工人没有及时用工具上紧相应 的安全阀门螺母，且将此泵停止运行。7 月6 日另一台泵出现故障，段长没有看到另一 台泵的安全阀的报修工作许可单，为了不停止生产，他允许负责人启动了这台缺少安全 阀门的泵。另一角度处，工作人员觉得网格平台硌脚，在上面大面积铺设了一层厚厚的 脚挚( p ) 。事后，事故调查人员发现这2 份工作许可单分别是由不同部门进行保管的， 即一份泵的工作许可单和一份泵的安全阀门的报修工作许可单并不是保存在同一个地 方( h ) 。由于安全阀门没有拧紧，造成大量天然气泄漏( h ) ，最终造成b 模块中的第 一次爆炸( d ) 。b 模块和c 模块中间的防火墙，虽能经历高温但不能承受爆炸的冲击 波的破坏( h ) ，碎片冲击撞断了一根天然气管道，大火的高温熔断了输送管道，导致原 1 3 第二帝海洋钻片甲台事故致【大1 理论分析 油从管道中泄露( d ) 。漏下的原油堆积在工人铺设的脚挚上，着火的原油不能流进大海 ( h ) ，上窜的火苗炙烤另一根高压天然气输出管，引起更大的爆炸和火势，灭顶之灾发 生了。爆炸摧毁了控制系统以及重要的信息搜集系统，导致通讯中断，灭火行动被迫中 止，管道和阀门的控制开关也全都失灵。后来，甚至阿尔法平台上的“安全水系统”也 遭到了破坏，这一系统本来是可以用来灭火的。不过卡伦法官发现，即使控制系统没有 被破坏导致瘫痪，送水管道内也因为水垢太多而出现了多处阻塞，已无法正常工作( h ) 。 由于爆炸是在夜晚发生的，这时大部分工人都在生活区，生活区就在这些危险的燃料管 道和设备的上面。海风把浓烟吹向了工人们的生活区( h ) 。更为严重的是，大火着起来 的时候，石油还在不断地从其它平台输送到阿尔法平台上来( h ) 。大火的温度高达7 0 0 摄氏度，它只用了2 0 分钟就把从塔肯平台引过来的燃气管道烧出了个大洞。这才是导 致第二次大爆炸的直接原因。约2 2 时2 0 分气体立管发生破裂再次发生大爆炸，其后又 发生一系列爆炸( d ) 。整个平台结构坍塌，倒入海中，当时平台上共2 2 6 人，其中1 6 5 人死亡，仅6 1 人生还，造成巨大人员伤亡和经济损失( a ) 。 分析这起事故的发展历程可见，是许可证制度的不完善最终导致了悲剧的发生。假 使要求工作人员工作将许可单和报修工作许可单放在一起，且工作人员按照要求操作， 那么问题泵就不会被起动而发生爆炸。假使防火墙能挡住爆炸冲击不损坏，那么原油就 不会泄露。假使原油泄漏时没有被脚挚阻挡而在平台上起火，那么高压管道就不会爆炸。 假使石油工人的生活区不设置在危险的燃料管道和设备的上面，且不在海风的下风向， 那么就不会有1 6 5 个之多的人死亡。这些关键因素都属于人的不安全行为和物的不安全 状态引起的危险性环节。 该案例可证明在海洋平台多米诺骨牌中，人的不安全行为和物的不安全状态引起的 危险性环节包含的危险因素颇多且处于重要地位，此环节直接导致事故的发生，事故后 果严重，因此确定这块牌处于关键地位。钻井平台所处的环境以及平台上人员的工作环 境是与所分析的阿尔法平台所近似的，因此该案例所得的结论同样适合于钻井平台。由 上文所描述过的其它海洋平台事故的原因分析，可以验证这个结果是正确的。 可见人的不安全行为和物的不安全状态引起的危险性环节包含的危险因素颇多且 处于重要地位，此环节直接导致事故的发生，事故后果严重，因此可以确定这块牌处于 关键地位。对人的不安全行为和物的不安全状态进行控制是可行的，可从这个方面约束 该环节，进而确保海洋平台安全生产工作。 以上分析可见，事故由人或物的不安全状态激发。从人、机、环境系统工程学的观 1 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 点进行分析，可将人或物的不安全状态分为人的不安全行为，物的不安全状态，以及环 境的影响。 “人的不安全行为”理论上主要指在思想上的不安全隐患和实际操作中安全技能方 面存在的不安全性因素。卡伦法官在阿尔法平台事故报告中写到：西方石油公司的安全 管理的不善与这次事故有着密切的不可逃避的关系。当这种混乱的管理发展到不可收拾 的地步时，阿尔法平台发生事故也就在所难免了。可证明安全管理是该环节中处于十分 重要地位的因素。目前对安全管理的约束，通行的办法是进行安全教育，安全培训，它 们可以左右整个过程中人的决策。可以说充分、细致的安全教育与安全培训是保证安全 生产的必要条件。 “物的不安全状态 包括机械设备，信息系统和一切生产过程中会涉及到的硬件部 分中存在的不安全性，还包含环境等因素的影响。海洋钻机工作过程中，对外界造成环 境污染等问题，对内会造成职业安全卫生问题。例如产生严重的噪音，使用伤害人体的 泥浆药品，造成员工尤其是泥浆工受到伤害。 “人的不安全行为”和“物的不安全状态 并非相互独立，它们是相互影响、相互 牵制的，互为事故发生的充分条件。要保证海洋钻机起升系统安全，那么这两个方面都 不可忽略。钻机的起升系统是钻机的核心，本文主要对海洋钻机起升系统进行安全分析， 论文将从“人的不安全行为”和“物的不安全状态”主要包含的几个方面查找海洋钻机 起升系统危险因素。 1 5 第三章海洋钻机起升系统危险因素识别 第三章海洋钻机起升系统危险因素识别 安全评价是以实现工程、系统安全为目的，应用系统安全工程，对工程、系统中存 在的危险有害因素进行识别与分析，判断工程、事故和职业危害的可能性及其严重程度， 从而为工程、系统的设计、施营活动制定防范对策措施，为安全管理决策提供科学依据。 每种评价方法都有其适用的范围和其自身的优缺点，对具体的评价对象，必须选用合适 的方法才能产生出好的评价效果。选用安全评价方法时，应遵循充分性、适应性、系统 性、合理性的原则【2 1 h 2 4 1 。 3 1 安全管理存在的不安全隐患 人是企业效益产生的根本，员工的精神状况、身体状况直接影响其工作能力和效率。 对于保障职工的健康工作，现在尚未建立完善的管理制度，多数平台管理者认为只要没 有大病或传染病就可以了，职工的感受、情绪、心态没有受到充分重视。 平台上噪音较大，使用散泥浆将会大大减轻对人体的损害，有的平台有泥浆罐却没 能在生产中使用。平台上的职工处于不良条件下长期作业，应定期体检，从而避免职业 病的发生，另一方面这也可及时监测职工的身体健康状况，以使职工身体保持良好状态， 这项工作实际中做的也不够。这些现象、做法都有损于健康和不符合健康要求。虽是小 问题但可从中看出人们的健康意识较差，更主要是管理层没有正确对待职工健康问题。 据统计，由于人类活动而流失入海的石油量已超出了海洋的自我清洁能力，造成海 洋污染。钻井平台所用的泥浆不可能全部运到陆地，一般只能排放到海里，虽然现在要 求采用无毒( 或低毒) 泥浆药品，但是排放量太大对附近海域还是会产生不良的影响。 钻出的岩屑、舱底污水也被排放到海里，试油、加油时发生泄漏的油污，这些都会对海 洋环境造成一定程度的污染。很多平台受条件所限泥浆、岩屑、污水不得不排放到海罩， 油污水分离器和生活污水处理器各平台基本都未正常使用，而是将舱底油污水和生活污 水不经处理直接排放入海，塑料包装袋及各类垃圾不注意回收，油手套、油抹布、棉纱 等会被随手扔到海里，这都是因为管理不善、保护环境意识差造成的【2 酬。 3 2 人员操作存在的危险因素 ( 1 ) 物体打击 起升系统中的设备种类多，结构复杂，松动的零部件以及人员进行检修或操作时遗 1 6 中国石油大学( 华东