中图分类号: TE88
文献标识码: A
文章编号: 2095-7297(2014)03-0200-07
收稿日期: 2014-08-21
网络出版日期: 2014-09-20
版权声明: 2014 海洋工程装备与技术编辑部 版权所有
作者简介:
作者简介:王云飞(1987--),男,硕士,主要从事水下生产设备结构设计,屈曲分析以及安全评价等方面的研究.
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摘要
针对单点系泊系统复杂的工作环境以及较高的溢油风险性,有必要对单点系泊系统整个工作流程以及人员,环境等因素进行风险分析及评价,并制定相应的监督管理制度.在分析整个工作流程的基础上,采用故障,模式影响分析(FMEA)和事故树分析(FTA)的方法分别对单点系泊系统和输油船进行了风险源的辨识.通过分析,得到了单点系泊系统关键零部件的故障发生模式,故障产生的原因以及造成的影响;通过FTA,找到了能够造成油轮溢油事故发生的各个基本事件.据此制定相应的维修策略以及溢油监督管理措施,可降低溢油污染的危害.
关键词：
Abstract
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.
Keywords：
对于单点系泊系统而言,由于其复杂的工作机理和特殊的工作环境,极易发生溢油事故.溢油事故一旦发生,不仅造成巨大的经济损失,对海洋生态环境的破坏更是致命的[1-2].比如著名的墨西哥湾原油泄漏事故,使得英国石油公司罚款达到了40亿美金,污染更是导致墨西哥湾沿岸1000英里(1英里=1.61 km)长的湿地和海滩被毁,渔业受损,脆弱物种灭绝的"灭顶之灾".因此,进行单点系泊系统的溢油风险分析,监测和检测,降低溢油风险,在经济方面和环境保护方面都具有重要意义.
国内外对于各种水上水下生产设备以及原油运输设备的溢油研究比较多,比如对于海底管道泄漏的监测与检测,浮式生产储油船(FPSO)的溢油风险评价,水下关键生产设备的溢油评价等[3-5].但是对于单点系泊系统的故障诊断,可靠性评价,可靠性分析以及风险分析较少.对于单点系泊系统溢油风险的认识不足主要体现在以下几个方面:(1)对外输作业风险认识不足,不能有效识别导致溢油的风险因素;(2)缺乏溢油评价体系;(3)单点系泊系统原油装卸过程参与的主体包括单点系泊,海底管线,油轮等,缺少对整个单点系泊系统工作流程的风险分析和整个系统的可靠性评价;(4)缺乏必要的安全操作规范.
随着单点系泊系统的快速发展,其应用越来越广泛,溢油等事故的发生概率也越来越高.本文将对单点系泊系统整个卸油过程进行风险源辨识工作,对油轮以及单点系泊系统进行风险分析,找出能够导致溢油事故发生的原因,加强风险源的监测与检测,从而降低溢油事故发生的概率.
单点系泊系统的功能是使超级油轮不用靠泊码头,而是系泊在海上的单点浮筒上就可以进行输油作业,其优点是在系泊期间油轮可以像风标一样围绕单点360°全旋转,因为船头总是逆着风向和流向,所以油轮对风,浪和流的变化不敏感,始终处于受力最小状态.单点系泊系统的分类情况如图1所示.
以悬链式锚腿系泊系统为例,整个系统由锚泊系统,单点浮筒,三臂旋转系统,水下管汇(基盘),海底管线,水下软管系统,漂浮软管系统,系泊缆总成等几部分组成.单点浮筒是整个单点系统的核心设备,呈圆柱形,为全焊接钢结构,靠6根锚链在海中固定.
与传统的固定式原油码头相比,单点系统具有多方面的优势:
(1) 技术上----单点系泊系统将码头由岸边移至海上,解决了世界上绝大部分港口航道较窄,较浅,规模较小,不能与大型油轮和超大型油轮发展相匹配的矛盾.单点系泊系统可以系泊超大型油轮,能发挥其运输成本低廉的优越性;是边际油田,深海油田及离岸遥远油田实现经济开采的先进技术手段.
(2) 应用上----单点系泊系统可以在7级大风及浪高3~5 m的情况下进行原油装卸.每年平均工作日达到330个(90%),对海域条件要求宽松,作业环境条件较宽,抵抗恶劣海况能力强,根据需要可设计成抵御50~100年一遇的台风.
(3) 经济上----单点系泊系统全部建设投资约为同样等级的固定码头的20%~30%,每吨原油装卸费用可以减少30%~40%.
单点系泊作业流程如图2所示.油轮系泊到单点浮筒后,由港作拖轮将2根水面漂浮软管吊接到油轮上.油轮操作者将软管分别接到船上的2个输油钢管接口.卸油完成后,由油轮操作者卸开漂浮软管尾端接头,在船上加盲法兰,经每次小于1 m3的高压水冲洗,装好盲法兰后,将漂浮软管抛到海面,由港作拖轮收好漂浮软管,准备接卸下一艘油轮.
通过对溢油事故的统计和分析得出,在整个工作过程中,单点系泊系统和油轮为溢油重大危险源.因此,对单点系泊系统作故障,模式影响分析(FMEA),以溢油为事故树顶事件对油轮进行事故树分析(FTA),找出导致溢油的各原因和预防措施.
FMEA是一种广泛应用的故障分析方法,目的在于通过分析,了解影响系统功能的关键零部件的故障情况,寻找方法改进设计.通过对部件本身存在的故障的分析,可以了解故障原因以及故障对系统的影响,以便制定合理的维修策略,保证系统的安全[6].
FMEA是一种表格分析方法,可以是系统任一层次的展开,简单,清晰地对系统进行故障模式及其影响的分析.分析步骤为:(1)确定研究对象;(2)对系统进行层次划分;(3)确定故障模式及其判据;(4)分析故障原因;(5)分析故障模式的影响.单点系泊系统的FMEA分析结果见表1.
表1 单点系泊系统FMEA分析结果
Table 1 FMEA analysis of single-point mooring system
| 子系统 | 故障模式 | 故障原因 | 故障影响 |
|---|---|---|---|
| 浮筒系统 | 导轨异常振动或异响 | 导轨变形,击穿,磨损 | 降低导轨使用寿命 |
| 浮筒泄漏 | 由于海浪,碰撞等原因导致浮筒损伤,碰穿 | 导致溢油事故的发生,从而致使整个输油过程的中断 | |
| 防缠绕架腐蚀,断裂 | 海水腐蚀,碰撞以及保修不力,存在质量问题 | 造成浮筒固定困难,存在碰撞的隐患 | |
| 旋转系统 | 旋转头泄漏 | 旋转头疲劳损伤 | 降低使用寿命,严重状况下导致断裂,输油中止 |
| 输油臂故障 | 疲劳磨损 | ||
| 系泊臂故障 | 磨损 | ||
| 平衡臂故障 | 疲劳损伤 | ||
| 导向轮故障 | 撞击损坏,磨损 | ||
| 输油管道 | 水下软管破损摩擦损坏,软管损伤 | 人员作业失误,意外撞击 | 存在油品渗漏隐患 |
| 漂浮软管端部蝶阀故障 | 密封老化 | 冷却器管束漏气 | |
| 外输软管破裂,断开或意外释放 | 软管受拉,老化严重,尤其是末端磨损严重,压力过大 | 溢油事故,如遇火源甚至引起火灾及爆炸 | |
| 漂浮软管截断阀故障 | 浮子丢失 | ||
| 输油臂蝶阀故障 | 齿轮磨损或走位 | ||
| 海底球阀故障 | 操作失效 | ||
| 海底管线故障 | 基础冲刷,腐蚀 | ||
| 系泊总成 | 过渡链磨损严重 | 过渡链过度负载,旋转过多 | 断裂,可能导致停输 |
| 缆绳滑落水中,缠绕进支持船螺旋桨 | 人员操作及指挥失误 | 造成船体损坏或主机内油品渗漏 | |
| 大缆和软管发生交叉 | 环境变化导致 | 大缆和软管磨损和损坏 | |
| 系泊部件(系泊链,配重块)失效,缺失 | 环境因素 | FPSO船体发生大幅度移位,甚至导致FPSO船体结构受损,若控制不当或没有采取弥补措施,将会引起溢油事故 | |
| 系泊系统的零部件(滑环,连接件等)损坏,缺失 | |||
| 摩擦链固定失效 | 磨损,脱扣 | 易导致后续输油作业失败 | |
| 控制系统 | 海底球阀水上控制部分泄压,充压失效 | 操作失误,零部件损伤 | 可能导致停输和溢油 |
| 应急系统 | 应急系统失效,警报,控制系统失效 | 可燃气体探测器,预警装置,电控截止阀等设备失效 | 不能及时发现泄漏的可燃气体,或不能及时切断燃气供应造成可燃气体浓度达到爆炸极限,一旦遇到火源,将发生爆炸或火灾 |
| 通信失败 | 通信系统失效或人为操作有误 | 不能及时沟通油轮及FPSO在外输期间的实时情况(包括偏移情况,动力情况以及协调指挥),易导致可控事故升级,发生剐蹭,碰撞等事故 | |
| 导航系统 | 供电系统放电过多,短路 | 零部件的质量问题,人员操作失误,环境因素(大雨,雷电,风浪,大雾等) | 通信不畅,导航容易出现偏差.严重时可导致碰撞事故的发生 |
| 雷达应答器功能失效 | |||
| 主航标灯光敏损坏,过载 | |||
| 雾笛功能失效 | |||
| 漂浮软管示位灯短路,碰坏 |
FAT是一种常用的安全评价方法,采用FAT可以找出系统的薄弱环节,为安全对策的制定提供依据,从而达到预防事故,保持系统安全性的目的[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,最小径集和基本事件的结构重要度分析.
最小割集是导致顶事件发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个不发生,顶事件就不会发生.最小割集越多,顶事件发生的途径越多,系统也就越危险,即最小割集代表系统的危险性.
最小割集的计算就是展开化简过的事故树结构函数式,每一项都为顶事件的一个最小割集.对于未化简事故树,展开结构函数式后经过布尔代数运算处理才能得出最小割集.
结构重要度指忽略基本事件的发生概率,只从事故树的结构上分析基本事件发生与否对顶事件的影响程度[9].根据每一基本事件的结构重要度大小,可以区别每一安全措施的轻重缓急,使得制定的安全措施更加有效,能最大程度地保障系统的安全性.
计算基本事件的结构重要度公式为
式中:
对于油轮溢油进行FTA,首先必须搜集大量溢油事故资料进行分析和整理,从而确定导致溢油事故发生频率高,泄漏量大的事故发生的原因和影响.
根据国际油轮船东防污染委员会对于1974~2005年间各种溢油事故按照泄漏量和事故原因的统计,得到表2所示统计结果.
表2 全球1974~2005年船舶溢油事故次数统计表
Table 2 Globe statistics of ships' oil spill from 1974 to 2005
| 事故类型 | 泄漏量 | 总数 | 大于700 t事故比例/% | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 小于7 t | 7~700 t | 大于700 t | |||
| 装/卸 | 2820 | 328 | 30 | 3178 | 8.75 |
| 加装燃油 | 548 | 26 | 0 | 574 | 0 |
| 其他操作 | 1178 | 56 | 1 | 1235 | 0.30 |
| 碰撞 | 171 | 294 | 97 | 562 | 28.30 |
| 搁浅 | 233 | 219 | 118 | 570 | 34.40 |
| 船体破损 | 576 | 89 | 43 | 708 | 12.55 |
| 火灾和爆炸 | 88 | 14 | 30 | 132 | 8.70 |
| 其他未知原因 | 2180 | 146 | 24 | 2350 | 7.00 |
| 总计 | 7794 | 1172 | 343 | 9309 | 100 |
从表2中可以看到,由于碰撞,搁浅,船体破损和火灾爆炸引起的泄漏量大于700 t的事故比例分别占到了28.30%,34.40%,12.55%和8.70%.因此,可以确定由于海损造成的溢油事故占到了总事故的83.95%,是导致溢油事故发生的最主要因素.此外,根据劳辉[10]编纂的《最近29年我国沿海船舶码头溢油50吨以上事故统计》也可以得出,海损是造成油轮溢油事故的最主要原因.因此,本节主要从海损事故导致的溢油作为顶事件进行展开建模.得到油轮溢油事故树如图3所示.对于图3中符号的说明见表3.
表3 油轮溢油事故树符号说明
Table 3 Signs of fault tree about oil tanker leakage
| 符号 | 事件 | 符号 | 事件 |
|---|---|---|---|
| T | 海损事故溢油 | X4 | 风灾 |
| A1 | 碰撞 | X5 | 船舶通航密度大 |
| A2 | 结构缺陷破坏 | X6 | 海况较差 |
| A3 | 管路泄漏 | X7 | 通信不畅 |
| B1 | 过失碰撞 | X8 | 责任意识和职业道德差 |
| B2 | 不可抗力 | X9 | 大雾 |
| B3 | 开裂 | X10 | 设计人员资质不合格 |
| B4 | 磨损 | X11 | 设计方案本身有问题 |
| B5 | 脱落 | X12 | 老化,超过规定使用权限 |
| B6 | 断裂 | X13 | 风,海浪的侵蚀 |
| C1 | 环境因素 | X14 | 关键设备磨损严重 |
| C2 | 人为因素 | X15 | 船型老,比如单壳船等 |
| C3 | 海况极度恶劣 | X16 | 业务能力有所欠缺 |
| C4 | 腐蚀 | X17 | 设备保养不及时 |
| C5 | 违规操作 | X18 | 压管现象严重 |
| C7 | 第三方破坏 | X19 | 违规施工 |
| D1 | 业务能力差 | X20 | 操作技能差 |
| D2 | 身体状况差 | X21 | 学历,资历不足,专业知识欠缺 |
| X1 | 质量问题 | X22 | 身体状况不好 |
| X2 | 非正常事故(撞击等) | X23 | 疲劳驾驶 |
| X3 | 重物撞击 |
由图3可以得到最小割集为:{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,该故障树共有26个最小割集,包括4个二阶最小割集,2个三阶最小割集,12个四阶最小割集以及8个五阶最小割集.一般情况下,割集阶数越小,发生溢油事故的可能性就越大,可见,4个二阶最小割集和2个三阶最小割集直接影响着系统的可靠性,有可能是系统中的薄弱环节.
通过对单点系泊系统的FMEA和对油轮的FTA,可以得到可能导致溢油事故发生的危险因素,如图4所示.
由图4可以看出,单点系泊系统整个输油过程的溢油风险主要来自于两个方面,一个是主观因素,一个是客观因素.主观因素包括了人员的能力和管理水平,客观因素包括了环境因素和设备因素.依据前文的分析得出,整体的结构强度以及人为因素是影响整个单点系泊系统输油过程的主要因素,因此,本文从这两个角度提出必要的控制决策和相关建议.
首先需要对整个单点系泊系统和油轮等进行必要的可靠性评价.随着工作时间的延长,整个结构系统长时间暴露在各种复杂的运行环境中,各结构材料必然发生老化,腐蚀变薄,极有可能出现结构变形,甚至发生断裂,泄漏等.虽然必要的维护和维修可以在一定程度上降低上述隐患出现的可能性,但整个结构系统的强度降低了,从而大大增加了发生事故的可能性.因此,对营运中的单点系泊系统进行必要的可靠性评价,可以及时发现整个系统的薄弱环节和结构缺陷,并采取必要的措施对危险源进行重点监测和检测,尽早发现并解决问题.同时,还需要加强对各设备的维护保养.定期维护保养虽不能彻底解决腐蚀等问题,但是可以在一定程度上降低事故发生的概率.对于维修和保养,可以选用先进的维修策略,比如以可靠性为中心的维修策略等,将状态维修,定期维修和事后维修有效地结合起来.
另外,操作人员以及工作人员水平的高低也直接决定着单点系泊系统工作过程中溢油风险的发生概率.对于工作人员采取的措施可以从以下方面进行开展:(1)加强对工作人员的教育培训.一方面要加强职业技能的培训,规定工作人员上岗的必备条件.另一方面,还应加强工作人员心理素质的培训,尤其是应变能力的培训.可以制定一套应急应变的能力考核体系,并严格把关工作人员的考试,评估和发证制度.(2)加强主管单位的安全监督.相关主管部门应按照国家和地方的相关规定进行安全监督工作,结合单点系泊系统工作环境和条件的特点,可以与相关科研单位合作,制定有效的安全监督管理办法和手段.
本文将单点系泊系统输油风险评价与油轮外输溢油风险评价相结合,分别通过FMEA和FTA对单点系泊系统和油轮系统进行安全分析.通过FMEA,对浮筒系统,旋转系统,管道系统,系泊总成,控制系统,应急系统和导航系统等发生故障的模式,故障发生的原因以及故障对整个单点系泊系统工作的影响进行了总结,为制定相应的应对策略打下了基础.在FTA分析中,以油轮溢油为顶事件,搜集大量溢油事故资料并对其进行分析和整理,从而确定了发生频率高,泄漏量大的溢油事故发生的原因和影响.通过上述分析,找到了导致溢油事故发生的主要因素为主观因素和客观因素.分别从主观因素和客观因素两个方面出发给出了相应的应对策略,指出通过先进的维修维护策略和严格的监督管理制度,可以在一定程度上降低单点系泊系统溢油事故发生的概率.这些结果将有助于保障单点系泊系统的安全运行.
The authors have declared that no competing interests exist.
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