（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于灰色模式识别理论的海底管道系统的路由定量风险评估.pdf

摘要 海底管线的路由设计是海洋石油开发设计中很重要的一项工作，这部分将直 接影响并制约着海底管道的设计、铺设及维修工作，同时还将影响到管道的正常 运营和路由区域内经济活动的安全程度。因此进行海底管线的路由条件风险评估 对于海洋石油开发的经济性和安全性都有很重要的意义。 本文综合考虑影响海底管道系统安全的潜在风险因素，从工程地质条件、 海洋环境条件及海洋设施和开发活动条件三大块出发，确定指标评估体系，并 在大量的资料搜集、分析和研究的基础上，建立评估的标准模式，对风险量化。 同时根据影响海底管道安全程度因素具有很强的模糊性、不确定性的特点，提 出了一种适于海底管道路由定量风险评估的灰色模式识别模型。该模型以灰色 关联度为基础，结合级别变量特征值来确定模式识别结果，克服了一般灰色关 联度分析方法评价结果趋于均化、分辨率低的缺点。通过这一评估模型，可以 有效地评定某一选定路由线路的定量化的路由风险程度，进而可以为多条线路 的优选工作打下基础，同时为海底管道的设计人员、施工人员，以及管理人员 提供指导性意见。 确定模型后，本文还通过应用c + + b u i l d e r 编程软件和s q ls e r v e r 数据库软 件完成了评估程序的软件开发，并通过渤南油田的实例来加以验证。实例计算 表明，该方法可简明、直观地反映出海底管道路由系统风险等级状况。 关键词：海底管道、路由、定量风险评估、灰色模式识别理论、指标评估体系 a bs t r a c t r o u t i n gd e s i g no ns u b m a r i n ep i p e l i n ei so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tw o r k si nt h e e x p l o i t a t i o n o ft h eo c e a n p e t r o l e u m ，w h i c h w i l l d i r e c t l y a f f e c ta n dr e s t r i c tt h e s u b m a r i n ep i p e l i n e sd e s i g n ，b u i l d i n ga n dm a i n t e n a n c e ，a n di tw i l la l s oa f f e c tt h e p i p e l i n e sn o r m a lo p e r a t i o na n dt h es a f e t yo fe c o n o m i c a c t i v i t i e si n s i d e t h e r e f o r e c a r r y i n g ar i s k a n a l y s i s o nt h es u b m a r i n ep i p e l i n e s r o u t i n gs h o u l dh a v e av e r y i m p o r t a n tm e a n i n g f o rt h eo c e a n p e t r o l e u me x p l o i t a t i o n se c o n o m y a n d s a f e t y t h i sp a p e rs y n t h e t i c a l l yt h o u g h to v e rt h el a t e n t r i s kf a c t o r sw h i c hw i l lh a v e i n f l u e n c eo nt h es u b m a r i n ep i p e l i n e ss a f e t y ，a n de s t a b l i s h e dt h ei n d e xe v a l u a t i o n s y s t e m a b o u tt h e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o n 、t h eo c e a n i c h y d r o g r a p h i c c o n d i t i o na n dt h ec o n d i t i o no fo c e a n i ce s t a b l i s h m e n ta n de c o n o m i ea c t i v i t i e s o nt h e b a s i so faf l o o do fd a t a sc o l l e c t e da n da n a l y z e d ，t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h es t a n d a r d m o d eo ft h ee v a l u a t i o n a tt h es a m et i m e ，c o n s i d e r i n gt h a tt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s h a v et h e f u z z y a n di n d e t e r m i n a t ec h a r a c t e r i s t i c s ，an e wm o d e lo fg r e y - m o d e i d e n t i f i c a t i o nf o rs u b m a r i n ep i p e l i n er o u t i n gr i s kq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sw a sb r o u g h t f o r w a r d t h i sm o d e li sb a s e do ng r e yr e l a t i o n a ld e g r e ea n dc o m b i n e dw i t he i g e n v a l u e o fg r a d ev a r i a b l e ，s oi to v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go fh o m o g e n i z e dt e n d e n c yo ft h e g r e y i n t e r r e l a t i o n a n a l y s i sm e t h o d t h r o t 【g h t h i s m o d e l , w ec a na v a i l a b l y a n d q u a n f i f i c a t i o n a l l ya s s e s st h er i s kd e g r e eo f ac e r t a i nr o u t i n gl i n e ，t h e nc a n g r o u n dt h e s e l e c t i o no ft h er o u t i n gs c h e m e s ，a n ds u p p o r tg u i d a n c ef o rt h es u b m a r i n ep i p e l i n e s d e s i g n i n g ，c o n s t r u c t i n ga n dm a n a g e m e n t t h i sp a p e rs t i l la c h i e v e di nt h es o f t w a r e s e x p l o i t a t i o n o ut h ep r o c e d u r eo f e v a l u a t i o nb ym e a n so ft h ec + + b u i l d e r6 0i d ea n dt h es q ls e r v e rd a t a b a s e s o f t w a r ea n dt o o kt h eb o n a no i l f i e l d sd a t aa sa ne x a m p l et ot a k e i n t ot h e v e r i f i c a t i o n e x a m p l em a k e s i tc l e a rt h a tt h i sm o d e lc a l lc o n c i s e l ya n dd i r e c t l yr e f l e c t t h er i s kd e g r e eo ft h em u t i n g s y s t e m k e yw o r d s ：s u b m a r i n ep i p e l i n e , r o u t i n g ，r i s kq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，g r e y - m o d e i d e n t i f i c a t i o nt h e o r y , i n d e xe v a l u a t i o ns y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蓬而a 确 签字日期：硼c 年1 月乃f t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索。并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：蓬蛹昀 签字日期：加阜年工月乃1 7 t 导师签名： 签字日期：吱归z 年文月文气日 l ， 第一章绪论 1 1 选题的目的及意义 第一章绪论 进行海洋石油开发是一项投资大、风险大、工艺技术复杂的系统工程。一旦 系统发生事故，将可能导致多方面、多角度的严重后果和影响，包括人身伤亡、 经济损失以及环境污染等。在国内外海上油气开发过程中，恶性事故接连不断， 教训惨重，以平台事故为例，如表1 1 ，1 2 所示，所有这些事故都造成了极其 严重的后果，有的不但伤亡人数众多，经济损失巨大，而且对附近的海洋生态环 境带来了长期的破坏影响。随着人们对安全程度和环境保护要求的不断提高，业 主开始要求进行工程风险评估。基于安全角度出发，行业标准和规范，如挪威船 级社d n v 规范，也开始严格规定要对海洋工程进行风险评估，包括对海底管道、 海上平台等。一些国家如n o r w a y 、u k 、c a n a d a 等也提出了强制性的风险评估 要求。 表1 1 海上油气开发恶性事故( 国外) 平台名称时间作业活动原因后果 墨西哥湾的几个平台1 9 6 4 、钻井飓风，结构设平台结构倒塌 1 9 6 5 、 计水平偏低 1 9 9 2 s a n t ab a r b a r a 海峡中1 9 6 9 钻井不合适的导管井喷污染 d o sc u a d r a sa 平台 设计 墨西哥湾的b a y 1 9 7 0钻井生产和同时作业 1 1 口井燃烧， m a r c h a n d 平台修井4 人伤亡 北海e k o f i s h 平台1 9 7 7生产和修井同时作业井喷大量溢油 北海a l e x a n d e r 平台1 9 8 0生产支撑钢管疲劳平台倾覆，1 2 3 破裂人死亡 北海p i p e ra l p h a 平台 1 9 8 8钻井生产和同时作业火灾和爆炸， 建造1 6 5 人死亡 北海w e s tg a m m a 平台1 9 9 1拖航天气恶劣，缆平台倾覆 绳拉断 北海c o r m o r a n t 平台1 9 9 2飞行直升飞机坠落6 人死亡 第一章绪论 表1 2 海上油气开发恶性事故( 国内) 平台名称时间作业活动原因后果 渤海二号钻井船1 9 7 9 1 1 2 5拖航倾覆，7 2 人死亡 渤海公司滨海1 0 7 浮 1 9 8 3 4 倾覆，经济损失4 8 0 万 吊 元 莺歌海“爪哇海号”钻1 9 8 3 1 0 2 5钻井台风倾覆，8 1 人伤亡 井船 南海北部湾1 0 3 6 1 9 8 6 1 9钻并并喷，经济损失5 4 9 万 井美元 珠江口惠州7 一l 油田 1 9 9 1 8 1 5铺管台风 倾覆，1 7 人死亡，5 入 1 ) b - 2 9 大型铺管船失踪 随着对海洋工程风险评估重视度的提高，人们也逐步发现，对海底管线的路 由条件进行风险评估是很有必要的。海底管线的路由设计是海洋石油开发设计中 很重要的一项工作，这部分将直接影响并制约着海底管道的设计、铺设及维修工 作，同时还将影响到管道的正常运营和路由区域内经济活动的安全程度。因此进 行海底管线的路由条件风险评估对于海洋石油开发的经济性和安全性都有很重 要的意义。 海洋工程有着较强的系统性，海洋生产的每个环节，包括设计、施工、运 营及维护之间都是相互影响和相互制约的。例如：海底含油结构的分布位置、已 建成的生产设施位置、实际的海洋环境条件、工程地质条件以及海洋开发活动 的干涉等都会影响到海底管线的路由走向。因此我们需要在设计之初，综合考 虑所有的风险影响因素来进行海底管线的路由风险评估，得到海底管线路由环 境的风险程度。然而由于影响海底管道系统安全的潜在风险因素非常多，并且 极为复杂，涉及多学科领域，所以以往的路由风险评估均属于定性的风险评估。 通常情况下这种定性的风险评估只是对实际的海底管线路由情况进行综合评价 和描述，不能够客观的、定量化的反映海底管线实际的路由风险程度，在实际 的工程应用中不方便。但是随着实际工程的需要和将来的发展趋势，对路由风 险评估的要求将会越来越高，迫切需要提出一种用于海底管道路由定量风险评 估的计算模型，并实现程序化计算。 本论文在进行了大量的资料搜集、分析和研究之后，参考其他领域用于环 境类风险评估的理论方法，提出了种基于灰色模式识别理论的海底管道路由 定量风险评估方法。应用这一路由定量风险评估方法，我们可以在拥有了某一 选定路由线路的环境数据的情况下，得出这一路由线路的定量化的环境风险程 度。从而我们可以更为直接有效地评定路由线路的环境危险度，进而在多条线 第一章绪论 路的优选工作中提供基础性指导，帮助选择最为合适的路由走向。同时通过了 解某一选定路由线路的环境风险程度，无论是海底管道的设计人员在环境设计 参数的选择上，还是施工人员在施工过程中的风险躲避上，又或者是管理人员 在管线运营过程中的风险管理上，都可以得到有效的信息支持，减少工作的盲 目性，增加其可靠性。 1 2 论文研究的主要内容 本论文经过了1 年多的酝酿、筹划和研究工作，主要的研究内容有： 1 风险辨识和风险量化 为了对海底管道进行定量的路由风险评估，必须首先对海底管道系统自身 作内在的风险分析，确定其潜在危险，并进行风险量化。潜在危险指可能伤及 人类、破坏环境、中断油气输送、或造成其中两种以上破坏的物理状态。确定 潜在危险是进行安全与风险评估的第一步，它应该明确被评估事项的构成界限。 因此在论文研究初期就首先针对以往的事故统计资料( 表1 3 ) 、环境资料以及 规范等进行风险辨识和风险量化。 表1 31 9 7 0 1 9 9 8 年事故原因一览表 事故原因 19 7 0 1 9 9 8 【】 外部干涉5 0 建造不合理材料不合格 1 8 腐蚀 1 5 地面运动6 错误操作5 其他原因 6 2 选择评估方法建立评估模型 海底管道路由风险评估有着自身的特点，潜在风险因素多而复杂，且通常 具备随机性、模糊性及信息不完全性。综合分析海底管线风险评估理论的发展 历程，以及以往常用的工程风险分析理论及方法，在全面分析这些评估方法的 优缺点及适用场合的基础上，结合路由风险评估的实际特点，来选择适用于海 底管道系统路由定量风险评估的理论方法，并建立了基于灰色模式识别理论的 路由定量风险评估模型。 3 建立指标评估体系，确定分级标准 在大量的资料查阅工作后，综合考虑影响海底管道安全的路由风险因素，从 工程地质条件、海洋环境条件和海洋设施及开发活动条件三个角度出发，来建立 第一章绪论 海底管线路由定量风险评估的指标体系，并分别确定这些指标( 4 0 多个) 的分 级标准。 4 评估方法程序化，编写评估软件 为了方便实际工程中的应用，实现评估的程序化，通过应用c + + b u i l d e r 语 言软件和s q ls e r v e r 数据库软件编写了基于灰色模式识别理论的路由定量风险 评估软件，以实现程序化评估，并通过实例进行验证。 1 3 论文的结构 第一章为绪论，简要介绍本论文研究的目的及意义，以及本论文主要的研究 内容。 第二章为评估理论模型的选择。首先综合分析了海底管道风险评估理论的研 究现状及发展过程，然后参照以往各种工程风险分析方法的特点，并结合海底管 道路由风险评估自身的实际情况，提出了一种适用的路由定量风险评估的方法一 基于灰色模式识别理论的路由定量风险评估方法。 第三章全面介绍基于灰色模式识别理论的路由定量风险评估方法。 第四章综合考虑所有影响海底管线安全的潜在风险因素，经过系统的研究和 分析后，从三个大块，即工程地质条件、海洋环境条件和海洋设施及开发活动条 件来建立路由风险评估的指标体系。并对这4 0 多个指标进行了较为全面而详细 地描述。同时参阅大量的资料统计和分析，以及规范要求来对这些指标体系进行 分级定标。 第五章是对所实现的程序化软件进行概要介绍，包括程序流程，编程思想， 编程实现等。 第六章是实例评估结果。 第七章是结论。 第二章海底管道系统的风险评估 第二章海底管道系统的风险评估 2 1 风险评估的基本理论 2 1 1 风险的基本概念 不同学科对风险的定义方式有所不同，但是其核心内容是相同的。所谓风 险是指在一定时间内，由于系统行为的不确定性( 主要指发生了意料之外的事 故) 给人类带来危害的可能性。这种可能性既可采用频率( 单位时间事件的发 生率) 表示，也可采用概率( 具体环境下事件发生的几率) 来表示。风险通常 是和潜在的危险相关，因此又可定义为因从事某种特定活动而要承受其不利后 果的概率。这在安全工程中更精确的定义是在某一特定期间或特定环境内，发 生某种不希望的特定事件的可能性。 风险有多种分类方法： 1 按风险来源或损失产生的原因，可以将项目风险划分为自然风险和人为 风险。自然风险是由于自然力的作用而造成财产毁损或人员伤亡的风险，如在 项目实施过程中发生洪水或地震，造成工程损害、材料损失。人为风险是指由 于人为因素带来的风险，包括行为风险、政治风险、经济风险、技术风险、组 织风险等。本文主要讨论自然风险。 2 按照影响范围可以将项目风险划分为局部风险和总体风险，局部风险影响 的范围小，而总体风险影响的范围大，局部风险和总体风险是相对的。 3 风险可以有许多不同的表现方法。不是所有的风险均能明显的暴露出来， 因此按照风险的表现方法，风险可进一步分成未知风险、隐风险或无意识风险、 显风险或有意识风险、可预测的风险、临时风险。 ( 1 ) 未知风险 不知道风险的后果，同时也不完全了解风险。对于可感知的核电站风险和 采用新的工程技术的风险就属于未知风险。 ( 2 ) 隐风险或无意识风险 风险是不明显的，检测元件检测不到危险。对于这类风险，人可以很自然 的产生错误的安全感觉。 ( 3 ) 显风险或有意识风险 第二章海底管道系统的风险评估 可以通过检测元件检测出来的风险，并给处于危险中的人员一些警告或采 取缓和或减轻风险行动的手段。在火灾事故中燃烧的风险或当爬山时迎面掉下 石块的风险就属于显风险。 ( 4 ) 可预测的风险 风险的概率与后果均可采用一定方法计算出来，因此这种危险允许由那些 处于危险状态的人员和负责对他们进行保护的人做出一些判断。 ( 5 ) 临时风险 风险仅仅在短期存在，或仅仅可能在某个特定的原因下存在风险。如繁忙 的交通路口。 每类风险要求采用不同的分析方法。在分析和设定可接受的风险标准时， 主要依据风险的概率和后果的关系，对风险迸行恰当的分类。 2 1 2 风险评估的基本概念 风险评估理论最早于2 0 世纪五六十年代开始应用于欧美核电厂的安全性评 估之中。随后在发达工业国家中诸如化学工业、环境保护、航天工程、医疗卫 生、交通运输、经济等众多的领域得以推广和应用。到1 9 8 0 年，美国风险分析 协会( t h e s o c i e t y f o rr i s k a n a l y s i s ，s r a ) 的成立成为风险评估历史上的一个里 程碑。风险评估是- - i 1 具有较强实用价值的新兴学科，它通过对风险的辨识和 估计。对工程系统风险做出综合评估，从而找出减少工程风险的资金投入和改 善管理的方案。 2 2 海洋工程领域的风险评估发展 海洋工程领域的风险分析研究始于2 0 世纪7 0 年代后期。英国石油公司为 发展北海地区的石油开发项目，率先在海洋工程领域引入了风险分析方法，这 一时期采用的方法主要是继承了核电厂风险分析的成果。1 9 8 1 年挪威石油管理 部门颁布了海洋平台的安全评估规范，规范要求所有新的离岸设施在概念设计 阶段必须进行定量风险评估( q r a ) 。1 9 9 1 年挪威再次颁布了新的风险评估规范 以取代1 9 8 1 年版的安全评估规范，指导海洋结构物的风险分析和风险管理。1 9 9 3 年，为了进一步推动石油工业的发展，在广泛参考众多国际标准的基础上，挪 威石油管理部门出台了n o r s o k 规范，以统一的n o r s o k 规范来取代各石油 公司的内部安全规范以及其他的工业规范。 在此期间英国最初是抱着不以为然的态度，然而1 9 8 8 年的北海p i p ea l p h a 第一章海底管道系统的风险评估 平台的爆炸事故使英国认识到q r a 的必要性和重要性，并逐渐加大投入，资助 新1 e t 离岸设施的风险评估研究和应用。1 9 9 2 年以后英国所有的离岸油气装置 的设讨和现有离岸结构性能的再评估均引入了风险评估方法。 尽管海洋工程领域的风险评估研究相对较晚，然而其优越性很快得到了认 同。如今，世界上主要的石油公司如英国石油公司、荷兰壳牌石油公司、美国 菲利普斯公司等均建立了公司内部的风险评估规范。各大保险公司也均制定了 详细的风险评估和风险管理规范，积极参与被保对象的风险管理，共同提高企 业抵御各种风险的能力。海洋工程领域的风险评估研究在世界范围内掀起研究 热潮，各种分析方法逐步得到了应用。相比之下，目前国内海洋工程领域的风 险评估和风险决策的研究与应用还很不充分。1 1 1 2 3 海底管道的风险评估发展 2 3 1 评估应用 管道在油气工业中的应用已有上百年的历史，无论是应用初期的铸铁管， 还是当今普遍采用的优质钢管都会在使用一定时期后发生因腐蚀、第三方破坏 或超压等因素造成的管道泄漏或管道破裂事故。由于油气介质具有易燃、易爆 和易扩散的特性，所以油气管道的泄漏或破裂事故很容易造成人身伤害、设施 破坏和环境污染等严重后果。尽管油气管道输送公司通过在设计、施工、操作 期间采取各种技术手段防止了大量事故的发生。但是由于管道所处环境复杂多 变，常规的预防措施仍难以确保油气管道的长期安全运行嗍。因此，必须采用一 定的方法对管道经过一段时间运行后的完好状态做出评估，并在此基础上预测 管道在未来某时段内的运行状况，提前作好预防管道事故的准备，从而有效地 防止油气管道灾难性事故的发生，风险评估技术正是在这种需求背景下被引入 到油气管道工业中的一种新型管理技术。 管道的风险评估是选用科学的风险分析方法对管道进行风险分析，为管道 的风险控制进步实现风险管理的决策提供可靠的依据，以便对现有资源进行 合理的调配和利用，在降低风险的同时获取最大的经济和社会效益。 对于已建管道进行风险分析，可以摸清事故原因中可变因素与不可变因素 的组成，进行分析和制定安全维护计划，采取减少风险的最佳对策。对于同一 管道系统的不同管道的风险评估，可以明确薄弱环节，分清轻重缓急，掌握减 第章海底管道系统的风险评伟 少风险的最佳时机。此外，借鉴其他管段系统的事故原因，通过采用数据库查 询的方式，可以查明已建管段系统是否存在类似问题，以防患于未然。 对于新建管段，选线时不仅要选择省工时、省费用的线路，而且要考虑风 险小的方案( 这方面以前未给以充分重视) ，通过综合考虑找出最优方案。也就 是说，当对多条备用线路互相比较时，要经过仔细的计算和认真的评估，求得 各条线路的工时、费用、相对风险等，并运用工程最优化原理，确定最终线路。 这不仅能节省建设投资，加快进度，方便运行管理，而且能减少管道的风险， 从而获得最大的收益。 管道风险评估技术以诱发管道事故的各种因素为依据，以影响因素发展成危 险的可能性为条件，以事故后果造成的综合经济损失为评估指标，对在役油气 管道的安全程度进行综合评价。1 。 2 3 2 研究现状 关于管道的风险评估，国外已进行了近3 0 年的研究，并取得了一定的成绩， 已经实现了由安全管理向风险管理的过渡，由定性风险分析向定量风险分析的 转化，风险分析已逐步规范化。如1 9 8 5 年美国b a t t e l l ec o l u m b u s 研究院发表了 风险调查指南( g u i d e l i n e sf o rh a z a r dp r o c e d u r e s ) ，在管道风险分析方面运 用了评分法；1 9 9 2 年，w k e n tm u h l b a u e r 撰写的管道风险管理手册( p i p e l i n e r i s km a n a g e m e n tm a n u a l ) “1 ，详细叙述了管道风险评估模型和各种评估方法， 它是美国在前2 0 年开展油气管道风险评估技术研究工作的成果总结，为世界各 国普通接受且作为开发风险评估软件的睢一依据。该书在1 9 9 6 年再版时作者增 加了约1 3 篇幅介绍不同条件下的管道风险评估修正模型，并在风险管理部分 补充了成本与风险关系的内容，使该书更具实际指导意义。目前，它已成为世 界各国开展油气管道风险评价研究工作的指导性文献。 加拿大从2 0 世纪9 0 年代初期开始了油气管道风险评估和风险管理技术方面 的研究工作。在1 9 9 3 年召开了管道寿命专题研讨，会上就“开发管道风险评估 准则”、“开发管道数据库”、“建立可按受的风险水平”、“开发评价工具 包”和“开展风险评估教育”等课题展开了讨论，并达成共识“1 。并在1 9 9 4 年 召开的管道完整性专题研讨会上，成立了以加拿大能源管理协会、国家能源委 员会等7 个团体组成的管道风险评估指导委员会“1 ，并明确该委员会的工作目标 是促进风险评估和风险管理技术在加拿大管道运输工业中更好地应用，负责本 国管道风险管理技术开发的实施方案。该国的n e o c o r r 工程有限公司自1 9 9 4 年 第二章海底管道系统的风险评估 起丌展油气管道的腐蚀和风险咨询业务，成功地开发了c m i 腐蚀管理软件，为 全球十几家油气公司做出了详细的风险评估，受到了大家的一致好评。另外， 加拿大c - f e r 公司在基于管线完整性管理优化工程项目中，研制开发出管线维 护和检测的风险分析软件包( p i r a m i d ) ，用于分析管线的失效概率、失效后果 和总风险计算。 英国健康与安全委员会在管线风险管理项目研究中，研制出m i s h a p 软件 包，用于计算管线的失效风险，并取得了实际应用。另外，英国煤气公司为其 管道系统风险评估发出t r a n s p i p e 软件包，在输入运行数据后，评估出该地区 的个体风险和公共风险等，并以f n 曲线表示输出。1 9 8 4 年。该公司将运用此 软件包做出的评价报告提交给国家“健康与安全部”，有效地解决了英国工程 学会制定的t d 1 标准与“健康与安全部”所定标准之间的条款冲突。该软件 包代表了风险评估的当时水平，目前已在更新数据模式和扩大计算范围方法得 到进一步完善。 国外在将风险分析应用到管线维修和管理过程中已取得了巨大的经济效益 和社会效益。如美国a m o c o 管道公司从1 9 8 7 年采用风险评价技术管理所属的油 气输送管道和储罐以来，己使年泄漏率由1 9 8 7 年工业平均数的2 5 倍下降到 1 9 9 4 年的1 5 倍，从而使公司在1 9 9 4 年取得了接近创记录的利润水平。该公司 的应用实践表明，完善的风险管理手段可降低泄漏修理和环保措施的费用。对 腐蚀管线采用合理使用原则可明显降低维修费用。0 1 我国有关油气输送管风险评价的研究工作起步较晚。管道风险评估技术经 著名油气储运专家潘家华教授于1 9 9 5 年在油气储运杂志上介绍后，近年来 已逐渐引起科技人员的注意，并且处在定性分析阶段。由于我国油气管线现状 和条件与国外有较大差异，国外油气管线风险管理的成果不完全适用于我国管 道现状，因此应该根据我国管线的实际情况，有针对性地进行有关风险评价的 理论和方法研究，而且只有将这种研究建立在定量分析的水平上，管线风险评 估才真正具有系统性、精确性和预见性。 2 4 海底管道路由风险评估方法的研究现状 从上一小节我们可以看出国内外对海底管线的风险评估研究已经有了长足 的发展，：但是在海底管道的路由风险评估方面却仍然是一个涉足不深的领域。 国内外对这方面的评估工作存在严重匮乏，发展滞缓。近年来，随着人们对工 程安全程度要求的提高，以及实际工程的需要，部分研究人员已经开始了对这 第二章海底管道系统的风险评估 一方面的深入研究。得益于科学风险分析方法在管道风险评估方面的新发展和 地理信息系统的不断发展，人们已经取得了一定研究成果，如黄以光的“浅谈 海底油气管道路由工程地质条件评价”，s a n d r ac f e l d m a n ，r a m o n ae p e l l e t i e r ，e d w a l s e r j a m e sc s m o o t 和d o u g l a sa h l 的“a p r o t o t y p ef o rp i p e l i n er o u t i n gu s i n g r e m o t e l y s e n s e dd a t aa n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma n a l y s i s ”。印度科学 技术学会海洋工程中心( o c e a ne n g i n e e r i n gc e n t e r 1 n d i a ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 的m r p r a n e s h 和a s j o h n s o n 还做了这方面的软件分析“s u b m a r i n ep i p e l i n e r o u t i n gs o f t w a r e ”。1 。但是这一软件在研究时做了大量假设，这些假设无形中 屏蔽了很多风险因素，例如它没有考虑第三方的破坏情况，因此在实际应用过 程中将存在很大缺陷，不能够完全真实地反映管道的路由风险程度。 在实际的工程开发之前，受业主委托的勘探公司将对路由环境进行数据勘 查工作，通常他们会根据所勘查到的数据进行初步的定性分析，以及综合评价， 以示参考。例如“春晓油田管道宁波、舟山登陆方案及其路由条件初步研究”； “渤南油田群管线路由工程地质条件和物探调查报告”。但是这些分析都较为 粗略，不能够满足工程设计中的需要。 综合分析以往的海底管道路由风险评估研究，我们可以总结出以下几个特 点： 海底管道的路由环境数据不充分，通常受业主委托进行路由环境勘探的 公司能够得到部分的海洋地质条件和海洋气象、水文等条件数据，但是对于第 三方干涉的数据统计匮乏： 缺乏稳定性与风险性，点评估与面评估相结合的系统研究； 缺乏系统的、科学的评价指标体系的建立： 缺乏成熟的、有效的评估模型： 缺乏对评估成果与设计应用及决策之间的一体化研究。 因此，笔者认为海底管道系统的路由风险评估是个多角度、多层次的确 定性与非确定性、线性与非线形相结合的系统。以往的研究工作还处于部分性、 片段性的研究阶段，而且都属于定性的风险分析，没有进行综合性的定量风险 评估，在实际的工程应用中极为不方便，缺乏定量化的指导方向，因此需要我 们的不断完善。 第二：章海底管道系统的风险评估 2 5 海底管道路由定量风险评估方法的选择 2 5 1 路由风险评估的特点 海底管道的路由风险评估具有自身的特点，主要有以下两方面： 、路由环境复杂 海底管道系统的路由问题涉及多学科综合研究，因此要进行海底管道的路由 风险评估研究，必须具备多学科的综合知识，对海洋环境条件学和第三方问题 进行综合分析。第三方问题主要是考虑经济活动开发的影响，包括穿越渔场和 航道，因此需要对渔场及航道内的航行船只信息有综合性的了解，这需要大量 的资料统计。而海洋环境条件学属于边缘科学，具有多学科性、综合性的特点， 并且彼此关联，互相影响。海洋环境条件学自始至终与海洋石油工业联系在一 起，并不断对海洋石油工业起作用，使海洋石油勘探开发投资加大，风险加大。 总的来说，海洋环境条件学主要包括四大门类七大学科。 四大门类是：气象与水文；海底工程地质与灾害地质；腐蚀、防腐 与污损生物；环境保护与环境条件监测、检测。 七大学科是；海洋气象海洋水文：主要有海浪、海流、潮汐、海冰等； 工程地质与灾害地质：主要有地形、地貌、土质、土力学、砂土液化、海底 灾害地质、地震危险性等；腐蚀与防腐：主要有海洋化学、水质、腐蚀环境 等； 污损生物：主要有种类、分布、附着情况等；环境保护：主要有污 染源、污染状况、防污染技术、海水质量保护与生态保护等：环境条件监测 与检测：包含两个方面的监测与检测，一个是环境保护方面的，一个是工程方 面的。主要有：环境监测或检测；水文气象监测；腐蚀监测：污损生物检测； 腐蚀环境监测与检测：桩基与动力响应( 结构疲劳损伤) 监测等。 二、载荷情况复杂 在计算路由风险程度时，需要考虑所在环境的海洋环境载荷情况，主要包括 风力、波浪力、海流力、冰力、地震力等，这些力都具有随机性和模糊性。因 此，海洋环境载荷的计算属于不确定性分析问题。例如波浪力主要取决于波 高，但波高的大小是随海况的不同而随机变化的，而且观测出的波高值也是大 约值，具有模糊性。 2 5 2 风险评估的基本方法 对于常规问题，风险评估是根据专业工程人员的经验以及利用已经建立好 第二章海底管道系统的风险评估 的方法直观做出的。但是，对于复杂的或高风险的领域，就需要一种更为详细 和结构化的处理方法。为达到这一目的，针对不同的系统进行风险分析，已研 究出一些方法，如初步的危险分析( p h a ) 、危险和可操作性研究( h a z o p ) 、 故障类型及影响分析( f m e a ) 、故障树分析( f t a ) 、事件树分析( e t a ) 和因 果模型分析法( c e a ) 等。这些评估方法适用于系统全生命周期中的不同阶段， 其评估思想是要从事件的角度出发来确定系统风险程度，因此可以认为是基于 事件类的风险评估理论。 一、 初步的危险性分析( p h a - - p r e l i m i n a r yh a z a r d s a n a l y s i s ) 初步的危险性分析是一种定性分析评价系统内危险因素和危险程度的方 法是在系统生命周期的早期，也就是在设计、施工、生产之前，对系统存在 的危险性类别、出现条件、导致事故的结果做宏观的概略分析。包括对系统存 在的可能导致严重后果的危险因素进行识别，并加以排序，然后针对排序后的 危险因素依次确定减小发生频率和产生后果的措施。 二、危险和可操作性研究( m 墟d p ) h a z o p 一词是由i c i 于2 0 世纪7 0 年代早期创始的。第一本关于如何使用 h a z o p 方法的书于1 9 7 7 年出版。现在已经广泛应用于工艺生产过程，通常是 应用于全流程的风险分析，通过对整个系统的因果分析来确定新的或已有的系 统方案、设备操作和功能实现的危险及其原因，寻求必要对策。 h a z o p 的概念是要将整个系统分成若干个单元，并对每个单元系统提出一 系列问题，研究小组来揭示设计意图与实际发生的偏差，并从处理危险和可操 作性的角度来决定偏差的结果。 h a z o p 分析方法的特点是由中间状态参数的偏差开始，分别找出原因，判 明后果，是属于从中间向两头分析的方法。 目前在海洋工程的风险评估中已经广泛应用了h a z o p 风险评估方法，几乎 所有的油田在开发过程中都会进行h a z o p 风险分析，如平湖油田、春晓油田等。 通过应用这一分析方法，可以很容易的识别设计、操作程序和设备中的潜在危 险，尽可能将危险消灭在项目实施早期，同时为操作指导提供有用的参考资料。 但是h a z o p 只是识别技术，不是解决问题的方法。它实质上是定性的技术，是 基于事件的定性风险评估方法。 三、故障类型及影响分析( f m e a - - f a i l u r em o d e sa n de f f e c t sa n a l y s i s ) 故障类型及影响分析( f m e a ) 是用于识别危险的方法之一，它没有h a z o p 方法正规，但是f m e a 方法具有一定的灵活性，可以基于功能研究，也可以基 于硬件研究。f m e a 的研究深度可以根据研究对象进行调整。f m e a 方法可用 第二章海底管l 苴系统的风险评估 于快速识别对象中危险区域，以便集中力量对危险区域进行研究，获得最好的 安全分析结果。 该技术最仞是用于研究材料和设备的故障，也可以更广泛的应用于其他方 面的研究，它- l 丁以系统地识别构件( 或设备) 的失效模式及其对系统和系统中 其他构件的影响。在设计阶段，主要是对系统各个组成部分进行分析，找出他 们所能产生的故障及其类型，查明每种类型对系统的安全所带来的影响，判明 故障的严重程度，以便采取防止或消除措施。 但是f m e a 通常受到时间、可用资源以及可用的必要数据的限制，因此它 最好应用于早期的危险程度分析，或者采用其他判据，如安全、成本、可操作 性等来分析。它经常与故障树分析( f 1 a ) 结合在一起使用，最适合于复杂的机 械和电子系统，可以可靠的提高系统的安全性能。 四、故障树分析( 兀a f a u l t t r e e a n a l y s i s ) 故障树分析方法是2 0 世纪6 0 年代初由美国贝尔实验室在预测民兵导弹发 射随机失效概率时提出的，其后波音公司研制出了f t a 的计算机程序，进一步 推动了f t a 的发展。到了6 0 年代中期，随着概率风险分析( p r a ) 在核电站分 析中的应用，f t a 成为主要的定性和定量分析工具。如今f t a 已广泛地应用于航 天工业、机械制造、核电站等工程领域的系统可靠性分析中，在海洋结构物的 风险分析中也成为常用的方法之一。 故障树分析方法( f t a ) 是对既定的工程项目、生产系统或作业中可能出现 的事故条件及可能导致的灾害后果，按工艺流程或因果关系用符号制成故障树， 用以分析系统的安全问题或系统的运行功能问题，判明灾害或功能故障的发生 途径与导致灾害( 功能故障) 的因素之间的关系。 故障树分析方法的特点是，首先确定系统的危险或事故，作为故障树的顶 端事件，然后逐项分析导致发生顶端事件的各个事件要素以及它们之间的逻辑 关系和因果关系，所以它是一种自上而下的分析方法，不仅能分析事故的直接 原因，而且能深入揭示出事故的潜在原因。在工程或设备的设计阶段，在事故 调查中，都可以使用故障树分析方法做出安全性的评价。 但是f t a 只能用于处理元件或子系统的工作或故障情况，不能处理降低性 能后是否满足要求的情况。故障树分析是安全系统工程中的重要分析方法之一， 它能对各种系统的危险性进行辨识和评价，既适用于定性分析。又能定量分析， 体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性。 五、事件树分析( e t a ) 事件树分析是从事件的起始状态出发，按一定的顺序逐项分析系统构成要 第二章海底管道系统的风险评估 素的状态( 成功或失败) ，并将要素的状态和系统的状态联系起来进行比较，以 查明系统的最后输出状态，所以事件树分析是从总体上分析事故发生发展的动 态过程和相关因素，并可以从中判断灾害的严重程度。事件树分析可以用于各 种工艺过程，机械装置及作业系统，特别是对大规模系统的危险性进行分析与 定量评价。 一 事件树分析的作用： ( 1 ) 通过事件树分析，可以看出系统的变化过程，也就是查明系统各构成 要素对导致发生不希望事件的作用及其相互关系，从而判明事故发生的可能途 径及其危害： ( 2 ) 进行事件树分析时，在树的各个节点上只选择失败和成功两种情况， 而不考虑某一局部或具体的故障情节，因此可以快速地推断和查明系统的事故： ( 3 ) 根据各个要素的故障率数据，可以简略地计算不希望事件的发生概率； ( 4 ) 可以作为确定事故树顶端事件的一种辅助方法； ( 5 ) 可以作为对已发生的事故进行原因分析的技术方法。 事件树分析方法存在的问题是，事件树成长非常快，为了保持合理的大小， 往往分析要粗糙一点，同时由于该方法非常依赖于分析者的判断，所以有必要 进行灵敏度分析和可信程度检查。 六、因果模型分析法( c e a ) 因果模型分析法是故障树和事件树以及事故后果分析相结合的一种分析方 法。事件树在故障树分析的基础上能给出事故链发生的概率，再由系统事故后 果分析求出损失指标，最后由风险定义式求出风险曲线。 因果模型分析法非常复杂，必须指定特定的应用，要用许多方法来提炼所 使用的模型。 ，上述基于事件类的评估方法经过不断的演变，到目前为止，主要有三种发 展方向：一种是从已知的中间事件推