李曉冬，唐文勇

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室,上海 200240; 2. 青島理工大學 山東省城市災(zāi)變預(yù)防與控制工程技術(shù)研究中心,山東 青島 266003)

固定式海洋平臺結(jié)構(gòu)風險設(shè)計方法綜述

李曉冬1，2，唐文勇1

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室,上海 200240; 2. 青島理工大學 山東省城市災(zāi)變預(yù)防與控制工程技術(shù)研究中心,山東 青島 266003)

海洋平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要考慮海洋環(huán)境和工作荷載作用，但近年來事故荷載的影響日益引起設(shè)計者關(guān)注。在此背景下，以固定式導管架平臺結(jié)構(gòu)為目標，綜述當前針對事故荷載的風險設(shè)計方法的應(yīng)用現(xiàn)狀。首先論述在事故極限狀態(tài)設(shè)計中應(yīng)用風險分析的必要性；隨后綜述通用規(guī)范，如NORSOK、DNV、API等規(guī)范系列中對風險分析方法的使用現(xiàn)狀，包括風險決策的不同層次、安全標準的各類形式，重在分析各類規(guī)范相關(guān)規(guī)定的異同，探討各類方法的適用性；最后結(jié)合我國現(xiàn)狀，論述若針對事故荷載編制基于風險方法的設(shè)計規(guī)范，目前尚存的問題，以及解決途徑。

海洋平臺；結(jié)構(gòu)設(shè)計；基于風險的設(shè)計；安全水平；風險分析；概率法

Abstract: Traditionally, the effects of ocean environmental loads and working loads are normally assessed in offshore structural design, but the accidental loads effects have gotten more and more attention recently. In this context, the application status of risk-based accidental limited state design methodology especially for fixed offshore platform structures were commented. In detail, the necessity of using risk analysis method in accidental limited state design was firstly analyzed. Consequently, some risk-based design methods in general standards, e.g. NORSOK, DNV and API standard, were summarized, which involved different levels of risk decisions and kinds of risk acceptable criteria. On this basis, the features and advantage of these provisions in different standards were compared in order to understand their applicable condition. At last, the present problems and solutions of drawing up risk-based design codes of offshore structures under accidental loads in China were discussed.

Keywords: offshore platform; structure design; risk-based design; safety level; risk analysis; probability method

海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法主要有工作應(yīng)力法(WSD)和荷載抗力系數(shù)法(LRFD)[1]。WSD法是比較成熟的確定性方法，而LRFD法是簡化的概率法。挪威船級社的DNV規(guī)范傾向于使用LRFD法[2]，而美國石油學會的API規(guī)范推崇WSD法，但1992年以后也推出了基于LRFD法的規(guī)范，當前兩個版本并行使用[3-4]，說明概率法設(shè)計代表先進發(fā)展方向。中國海洋石油領(lǐng)域采用API規(guī)范，因此也建立了并行的行業(yè)標準[5-6]，但當前仍使用WSD法為主，這是因為API的LRFD法中使用的各類荷載值及荷載系數(shù)是根據(jù)美國墨西哥灣的情況確定的，在我國海域直接使用存在誤差。近年來，我國專家對LRFD展開大量研究，例如通過標定計算，分析適合我國各海區(qū)的荷載及系數(shù)。此類工作中，最新的課題當屬對事故載荷的研究。

傳統(tǒng)的固定式海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計不考慮事故載荷(例如火災(zāi)、爆炸、船舶碰撞、高空落物，等等)的作用，人們經(jīng)驗上認為：事故雖然破壞性強，但屬于低頻率偶發(fā)事件，對平臺的安全威脅不大。但近幾十年來，隨著海洋開發(fā)的不斷深入，海洋平臺屢次發(fā)生惡性事故，例如：“Herald of Free Enterprise”(1987)、“Derbyshire”(1980)和“Piper Alpha”(1988)等事故造成巨大人員傷亡，而“Amoco Cadiz”(1978)、“Prestige”(2002)、“Deepwater Horizon”(2010)等造成嚴重環(huán)境災(zāi)難。這些事故引起世界廣泛關(guān)注，也促使設(shè)計者開始重視平臺結(jié)構(gòu)在事故中的安全表現(xiàn)。當前，API和DNV的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范均已包含了應(yīng)對事故荷載的內(nèi)容。事故不同于環(huán)境載荷，其發(fā)生發(fā)展過程主要受設(shè)備失效、人為失誤的影響，不確定性因素更多、更復(fù)雜。為此，API和DNV規(guī)范均引入了更高級別的概率方法——“風險分析”作為安全評估工具。

針對上述情況，以固定式海洋平臺為例，綜述針對事故荷載進行風險設(shè)計的相關(guān)問題。具體來說，首先論證“為什么”，即從理論角度分析為什么需要用風險方法評估結(jié)構(gòu)安全能力。隨后綜述“怎么做”的問題，即如何開展基于風險的設(shè)計，包括不同層次的風險決策、不同形式的安全標準。最后論述“可行性”，即探討針對事故的風險設(shè)計仍存在的問題，當前的研究熱點和進展。本文可以為我國編制專門應(yīng)對事故的，具備國際先進水平的、基于風險的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范提供參考。

1 針對事故荷載的設(shè)計方法

1.1極限狀態(tài)法設(shè)計

當前海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計已很少依據(jù)彈性理論，大多使用極限狀態(tài)設(shè)計，即規(guī)定一些特定極限狀態(tài)，當結(jié)構(gòu)整體或局部超過這一狀態(tài)時即認為不符合設(shè)計要求。根據(jù)荷載特點可把極限狀態(tài)分成四類：承載極限狀態(tài)(ULS)；疲勞極限狀態(tài)(FLS)；工作條件極限狀態(tài)(SLS)和事故極限狀態(tài)(ALS)。ALS中，結(jié)構(gòu)安全校核應(yīng)該針對兩個問題：一是結(jié)構(gòu)抵抗事故荷載的能力；二是事故后結(jié)構(gòu)局部受損，其繼續(xù)抵抗環(huán)境荷載的能力[7]。

1.2基于概率法進行設(shè)計

極限狀態(tài)設(shè)計中，WSD法是確定性方法，成熟且使用簡便，但也存在明顯不足：假定各類荷載和結(jié)構(gòu)抗力是確定值，安全校核時要求荷載效用之和必須小于結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力。但實際上荷載和抗力都是隨機變量，符合一定分布規(guī)律，要求結(jié)構(gòu)可以抵抗所有可能出現(xiàn)的極端荷載，經(jīng)濟上難以承受，也無必要。事故荷載的隨機性高且破壞性強，使用上述原則尤其不合適。解決問題的途徑是可靠度設(shè)計法，其關(guān)鍵是制定目標安全水平(荷載小于抗力的概率)，來代替絕對安全的原則。但在設(shè)計實踐中使用完全基于概率的方法有困難，例如各類不確定性(包括統(tǒng)計不確定性、模型不確定性、人為假定等等)必然會影響可靠度分析的準確性。

面對上述兩難的情況，LRFD法是一個折中的方案。LRFD雖然與WSD的設(shè)計原則類似，也要求荷載效用之和小于結(jié)構(gòu)抗力，但荷載特征值不是根據(jù)經(jīng)驗取定，而是根據(jù)荷載的統(tǒng)計分布，按照一定安全標準取其下限分位值。另外，LRFD分別設(shè)立抗力系數(shù)和荷載系數(shù)，根據(jù)各類荷載的變異大小，取不同系數(shù)，從而使結(jié)構(gòu)面對不同荷載時具備統(tǒng)一的安全水平。對于標準化的設(shè)施，由規(guī)范推薦各類荷載及系數(shù)的取值，設(shè)計者直接采納進行安全校核即可。LRFD是對可靠度設(shè)計的簡化，因此也稱半概率方法。

1.3基于風險的設(shè)計

風險評估和結(jié)構(gòu)可靠度分析一樣，也是概率方法，但兩種方法屬于不同理論體系。結(jié)構(gòu)可靠度分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，僅以結(jié)構(gòu)為研究主體，以其失效概率衡量結(jié)構(gòu)安全水平。而從安全理論來說，系統(tǒng)在外部威脅下表現(xiàn)出的安全水平通常由風險值衡量。在定量風險評估中，風險值等于損失(人員傷亡、環(huán)境污染或財產(chǎn)損失)與該損失出現(xiàn)概率之積，風險越小系統(tǒng)越安全。

海洋油氣設(shè)施是復(fù)雜系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)、工藝、存儲、錨泊等子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)風險只涉及和結(jié)構(gòu)損傷有關(guān)的事故(其它事故，如火災(zāi)直接造成人員傷亡等不予考慮)，是平臺總風險的一部分。理論上說，基于風險的設(shè)計應(yīng)確保平臺系統(tǒng)面對各類威脅表現(xiàn)出的總風險值低于一個可接受水平。但現(xiàn)實中很難實現(xiàn)，目前仍是各類子系統(tǒng)分別設(shè)計。具體對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，更是針對不同威脅和不同失效模式分別校核其安全性。結(jié)構(gòu)的安全威脅主要是外荷載作用，ULS、FLS、SLS和ALS四類狀態(tài)下外荷載的性質(zhì)是不同的(如表1所示)。

表1 結(jié)構(gòu)安全威脅的對比分析

ULS、SLS和FLS研究的是正常工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)失效問題，直接原因是工作與環(huán)境荷載作用；但由于這些荷載無法避免，結(jié)構(gòu)失效的本質(zhì)原因其實是自身安全閾值不足，和其它系統(tǒng)無關(guān)。在風險設(shè)計中，當結(jié)構(gòu)失效的后果確定時，可以僅用結(jié)構(gòu)失效概率表征風險水平。因此，面對正常工作荷載，采用可靠度方法評價結(jié)構(gòu)安全是合理的，當前各類規(guī)范也主要是采用可靠度方法的簡化方式——“半概率法”進行設(shè)計(如1.2所述LRFD法)。

而ALS的發(fā)生與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無關(guān)，內(nèi)在原因是其它子系統(tǒng)失效(如設(shè)計建造的質(zhì)量缺陷；閥門泄漏；防火預(yù)警失靈等)，直接原因是人為失誤，結(jié)構(gòu)失效僅是事故的結(jié)果之一。此時，結(jié)構(gòu)安全評估的任務(wù)十分復(fù)雜，包括確認：哪些事故場景需要考慮？事故荷載的分布規(guī)律？哪些是結(jié)構(gòu)安全關(guān)鍵構(gòu)件？等等。這些問題都需要經(jīng)典的風險分析方法解決。

但是對于成熟的海洋設(shè)施(固定海域、標準化的布置及構(gòu)件類型)，主要事故威脅、安全關(guān)鍵構(gòu)件明確，而且可以參考事故記錄、設(shè)計經(jīng)驗，得到完整的事故載荷分布規(guī)律，從而具備了和ULS相似的計算條件，因此也可以用可靠度方法或LRFD法評價結(jié)構(gòu)安全。詳細應(yīng)用情況將于第2節(jié)論述。

2 基于風險的設(shè)計決策體系

2.1概述

API把使用風險方法進行的設(shè)計決策歸納為三類任務(wù)：基于風險的篩選；基于風險確定名義載荷和基于風險的設(shè)計[8]。由圖1可見：事故篩選是ALS設(shè)計的首要工作，合理的途徑是以風險作為指標，選取對結(jié)構(gòu)影響大的事故進行安全校核。具體設(shè)計中，條件允許時，LRFD因1.2所述優(yōu)點，是首選方法，此時需借助風險標準確定名義荷載，當極限狀態(tài)方程校核無法達標時，可以進一步借助風險評估來判斷結(jié)構(gòu)能否滿足安全目標；另外對于無法確定名義荷載的結(jié)構(gòu)物，也必須直接使用基于風險的安全評估。

圖1 基于風險的ALS設(shè)計決策框架Fig. 1 Decision-making procedure of risk based ALS design

2.2基于風險的篩選

在結(jié)構(gòu)設(shè)計初期，需要決策是否針對某類事故進行ALS設(shè)計。按照DNV-OSS-121規(guī)范的規(guī)定，該決策過程是“利用風險指標把影響微小或次要的危險排除，這包括那些極不可能發(fā)生的危險及其次生災(zāi)害(由于某類保護措施有效)，或者那些對人員及財產(chǎn)造成后果極小的危險類型?！盵9]

在風險評估方法體系中，進行此類決策使用風險識別方法；由于設(shè)計初期缺乏具體數(shù)據(jù)，使用HAZOP、FEMA、WHATIF等定性方法是常見選擇[10]。例如，API-RP-2FB規(guī)范是針對火災(zāi)爆炸危險的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，由于此類事故通常與原油泄漏、點燃等工藝風險有關(guān)，規(guī)范使用“工藝設(shè)施檢查法”進行風險識別[8]，符合下列情況時認為火災(zāi)爆炸風險足夠小，以至不需進行ALS設(shè)計：就事故后果來說，平臺應(yīng)該擁有少量設(shè)備，如有限的井口、儲罐及其附屬管道(對應(yīng)較低庫存)；空間足夠開放(包括甲板在內(nèi)不超過兩個固體邊界)；無人值守，等等。就事故發(fā)生來說，與后果因素相似，要求平臺小、工藝簡單(對應(yīng)較低泄漏和點燃頻率)；設(shè)備數(shù)量少；低頻率管控、維護(對應(yīng)較少失誤)，等等。

2.3基于風險確定名義載荷

NORSOK和DNV的相關(guān)規(guī)范[2, 11-13]主要針對北海的固定式導管架平臺編制，這些平臺設(shè)計方案成熟，有完善的事故記錄，因此規(guī)范采用LRFD法。

例如NORSOK-N-001規(guī)范[11]要求按照超越概率10-4的標準確定事故載荷的名義值，而此超越概率是由風險標準倒推出來的。圖2演示了該過程，其中有兩處代換體現(xiàn)了LRFD其實是風險設(shè)計的簡化：首先，以載荷超越概率10-4代表結(jié)構(gòu)受損概率，此簡化忽略了結(jié)構(gòu)抗力的不確定性，結(jié)構(gòu)失效概率主要由事故載荷不確定性決定。另外，假設(shè)平臺在整體傾覆時造成的后果固定，因此以平臺傾覆概率代表死亡50～100人事故的出現(xiàn)概率，即以結(jié)構(gòu)可靠度指標代換了事故風險指標。

上述基于LRFD的規(guī)范雖然以風險值提出目標安全水平，但卻通過圖2中的過程對事故荷載提出名義值，并規(guī)定事故載荷系數(shù)取1；因此還不屬于基于性能的設(shè)計(performance based design)，仍然是基于規(guī)定的設(shè)計(prescriptive based design)。

圖2 名義載荷確定過程Fig. 2 Procedure of determining nominal loads

2.4基于風險進行設(shè)計

直接基于風險的設(shè)計應(yīng)該由規(guī)范提供目標安全水平，規(guī)定風險評估流程；在設(shè)計中，由設(shè)計者具體評估風險大小，并采取控制措施以確保平臺可以達到安全目標。使用這類風險決策是真正基于性能的設(shè)計，能給予設(shè)計者更多自主權(quán)。許多國家以法令形式規(guī)定對海洋平臺進行安全評估，DNV-OS-A101[9]和NORSOK-Z-013[14]規(guī)范也都曾對安全評估方法做過介紹。但此時的安全評估不僅是安全管理的文件，更要作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的決策工具。風險評估與結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的關(guān)系可用圖3來表示。

圖3(a)是DNV-OS-A101規(guī)范提出的風險設(shè)計一般過程，深色部分是必須由安全評估完成的任務(wù)。此時，風險識別須找出三類目標：減小風險的措施；關(guān)鍵構(gòu)件及其關(guān)鍵性能參數(shù)；事故場景(事故怎樣發(fā)生、發(fā)展，造成結(jié)構(gòu)怎樣失效，等等)。風險估計選用的方法及精度則由設(shè)計決策的具體需要來定。風險評價使用的安全標準由設(shè)計規(guī)范設(shè)定。減小風險措施包含三種類型：移除危險源；減少危險發(fā)生；緩解事故影響(包括增強結(jié)構(gòu)承載或安全系統(tǒng)等)。此流程是針對包括結(jié)構(gòu)在內(nèi)各類設(shè)施的整體風險設(shè)計框架，但當前整體設(shè)計難以實現(xiàn)，仍以各系統(tǒng)分別設(shè)計為主。因此該流程僅宏觀上提出了風險設(shè)計的基本原則。

設(shè)計中，必須考慮因為各類隨機變量的影響，事故往往有多種場景，進而導致事故荷載水平和受影響構(gòu)件差別很大，比如火災(zāi)，因為風向、風速，泄漏位置、速度等變量的隨機變化，火災(zāi)的工況會有很多可能。但若對每個可能場景都分析結(jié)構(gòu)的強度、剛度和延展性，工作量仍將十分巨大。對此問題，API-RP-2FB規(guī)范[8]使用風險矩陣對可能場景進行篩選：對于低風險場景不進行結(jié)構(gòu)評估；而對采取了各類減緩措施后風險仍比較大的場景，則確定為設(shè)計工況，并校核關(guān)鍵構(gòu)件的安全能力。圖3(b)展示了該流程，其中“改變方案”是指改變平臺布局或功能(例如從住人改為無人)，以期徹底改變風險狀況；而“減小風險”是指通過緩解措施(例如加強結(jié)構(gòu)承載、增設(shè)防爆墻等)降低風險。有研究表明[15]：設(shè)計時“改變方案”比“減小風險”更難操作，且付出代價更高；因此該流程中風險控制原則是優(yōu)先考慮緩解措施，最后才改變方案。

圖3中兩個設(shè)計流程均是根據(jù)風險指標不斷調(diào)整措施、繼而重新評估的迭代過程，因此主要使用于概念設(shè)計階段。最終的詳細設(shè)計，則使用傳統(tǒng)工具進行，確保概念設(shè)計中選擇的方案(包括結(jié)構(gòu)承載能力、安全預(yù)防和控制措施等)得到具體實現(xiàn)。

圖3 基于風險進行設(shè)計決策的過程Fig. 3 Process of risk-based design making

3 基于風險的安全標準體系

在基于風險進行的ALS設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的安全標準是一系列基于風險建立的標準體系，通常包含目標安全水平、結(jié)構(gòu)安全目標和功能表現(xiàn)標準。

3.1目標安全水平

使用概率法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，確定目標安全水平(target safety level，簡稱TSL)是首要工作。當使用結(jié)構(gòu)可靠度評估結(jié)構(gòu)安全時，TSL用結(jié)構(gòu)的失效概率表示。使用風險分析方法時，TSL則通常表示為定量的風險值，而此時，TSL又會根據(jù)結(jié)構(gòu)失效原因(事故類型)、失效模式和失效后果的差異而被分別建立，即表示為結(jié)構(gòu)以某類模式失效的概率與失效后果的乘積。結(jié)構(gòu)失效概率有時間跨度的要求(1年或平臺整個服役期)，當失效后果以人員死亡衡量時，失效概率的時間跨度通常取為1年。

就事故類型來說，常見種類有火災(zāi)、爆炸、船舶碰撞和高空落物等。而結(jié)構(gòu)失效模式主要可以分為局部損壞和整體傾覆。從方法上能夠?qū)崿F(xiàn)把TSL表示成一個風險值，但現(xiàn)實中針對不同事故和失效模式分別設(shè)立TSL，會使設(shè)計更方便。例如NORSOK-N-001規(guī)范[11]，以風險指標規(guī)定在北海中作業(yè)的常規(guī)固定式平臺的TSL，即每年死亡50～100人事故(平臺整體傾覆)的頻率不高于6×10-5。既然各類事故給平臺帶來的風險基本相當[6]，可以把該TSL均分，要求平臺受單類事故影響整體傾覆的概率不高于10-5。如2.3節(jié)所述，該規(guī)范推薦LRFD法，首先對構(gòu)件抵抗局部損傷的極限狀態(tài)校核，此時使用的事故荷載年超越率為10-4。然后再對損傷平臺在工作荷載及環(huán)境荷載作用下發(fā)生整體傾覆的模式進行校核，上述荷載年超越率取為10-2，結(jié)構(gòu)抗力為95%的分位數(shù)，而抗力和荷載的系數(shù)均取1，這樣就使平臺在局部受損情況下發(fā)生整體傾覆的條件概率保持在10-1的量級。從而確保平臺在單類事故中整體傾覆的概率為10-4×10-1=10-5。

就事故后果來說，包括人員傷亡、環(huán)境破壞和經(jīng)濟損失，原則上可以都統(tǒng)一為經(jīng)濟指標，從而得到單一的定量風險水平值。但現(xiàn)實中，通常是分別計算，以最嚴重的為控制指標[16]，原因如下：首先是人員傷亡和環(huán)境污染換算成金錢時，標準難以統(tǒng)一。其次，都用金錢衡量容易誤導設(shè)計者把利益最大化作為安全設(shè)計的目標。另外，造成人員傷亡和環(huán)境破壞的結(jié)構(gòu)失效模式有差異，例如，人員死亡往往由平臺甲板失效或整體傾覆等系統(tǒng)失效引起，而下部構(gòu)件等局部損壞不會對人員構(gòu)成威脅。環(huán)境污染則是由立管、海底管線和儲罐等裝置損壞，繼而伴隨泄漏而引發(fā)。上述損失由金錢統(tǒng)一衡量，不利于研究風險來源。因此，通常是根據(jù)人員傷亡與環(huán)境破壞指標來確定目標安全水平。

3.2結(jié)構(gòu)安全目標和功能表現(xiàn)標準

TSL是設(shè)計海洋平臺時的安全原則，但由于結(jié)構(gòu)與各類事故發(fā)生并無關(guān)系，僅是破壞作用的載體，設(shè)計中應(yīng)針對某類事故場景，進一步確定具體結(jié)構(gòu)的損傷控制要求，DNV稱其為結(jié)構(gòu)安全目標(safety target，簡稱ST)[9]。ST的規(guī)定應(yīng)確保實現(xiàn)TSL目標，當事故場景的出現(xiàn)概率不同時，ST的內(nèi)容也相應(yīng)改變。以API對結(jié)構(gòu)抵抗火災(zāi)時的規(guī)定為例[8]：“對小概率(罕有發(fā)生)的場景，防爆墻或防火墻應(yīng)留在原地、不裂紋、不與支撐物斷開，發(fā)生有限變形，以免事故蔓延；安全關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)能有效減小事故影響，確保事故中切斷危險源，人員安全逃生，火勢得到控制；通訊設(shè)施、危險化學品的儲運設(shè)施保持完好；整個平臺在事故后應(yīng)能避免傾覆或倒塌。對于中高概率(較頻繁發(fā)生)的場景，則應(yīng)把損傷限制在更小的范圍，例如要求平臺結(jié)構(gòu)經(jīng)歷事故后，經(jīng)檢修能在短時間內(nèi)恢復(fù)生產(chǎn)。”

對于安全關(guān)鍵構(gòu)件，通常還需借助力學工具(理想彈塑性模型或非線性有限元工具)對其進行事故極限狀態(tài)(ALS)的安全校核。此時，ST中對損傷后果的定性規(guī)定就顯得籠統(tǒng)了，需要進一步轉(zhuǎn)化為具體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的臨界指標，DNV稱其為結(jié)構(gòu)的性能標準(performance criteria，簡稱PC)[9]。事故通常引起能量耗散，例如碰撞事故中的動能釋放，火災(zāi)中的熱輻射等，這導致結(jié)構(gòu)響應(yīng)往往伴有遠超過彈性極限的大變形或應(yīng)變，因此在ULS中常用的彈性指標(如極限應(yīng)力或彎矩)不再適合制定ALS下的PC，此時PC的規(guī)定應(yīng)能直接或間接反映結(jié)構(gòu)吸收事故能量的能力。以DNV-RP-C204規(guī)范[17]為例，使用基于動力學的塑性方法分析結(jié)構(gòu)在ALS中的響應(yīng)，在理想塑性模型中，針對構(gòu)件橫截面分析時，使用最大變形作為PC指標；而針對微小單元分析時，則使用極限應(yīng)變。構(gòu)件在伸展變形時，如果發(fā)生屈曲(受壓區(qū)域)或裂縫(受拉區(qū)域)，將失去繼續(xù)吸收能量的能力，此時，以發(fā)生上述情形時的結(jié)構(gòu)臨界狀態(tài)作為PC。

需要注意的是，有些事故荷載(如火災(zāi))并非瞬時發(fā)生，而是在一段時間中的動態(tài)過程。針對此類事故的PC應(yīng)能反應(yīng)結(jié)構(gòu)物在事故中的耐久能力。例如API-RP-2FB規(guī)范[8]對H120級防火墻的PC規(guī)定：該級防火墻在池火中應(yīng)能在120分鐘內(nèi)保持穩(wěn)定完整，背火面升溫到140℃所用時間不能少于120分鐘。建立這類有關(guān)結(jié)構(gòu)失效和時間歷程PC很有意義，對建立事故應(yīng)急體系有非常重要的支持作用。

4 風險設(shè)計方法的研究進展

如前面所述，基于風險的方法代表著固定式海洋平臺ALS設(shè)計的發(fā)展方向，而且NOSOK、DNV和API等規(guī)范在使用風險方法方面已經(jīng)取得成功經(jīng)驗。但在我國編制類似規(guī)范，仍有許多現(xiàn)實的障礙需要跨越，下面將從風險分析方法和目標安全水平兩個方面來具體分析，并介紹相關(guān)研究進展。

4.1風險分析方法

對各類事故事件的風險分析是ALS風險設(shè)計的核心，但設(shè)計決策的任務(wù)不同，需要的風險分析方法也有差異，就圖1中的三類決策來說：1)危險識別與篩選，處于項目初期，具體信息少，目的是找出主要事故威脅或識別安全關(guān)鍵構(gòu)件，因此可以使用定性方法；2)基于風險確定荷載水平，主要針對常規(guī)平臺類型的設(shè)計，結(jié)構(gòu)失效的后果相對固定，風險分析的主要任務(wù)是準確分析事故荷載的統(tǒng)計特征；3)直接基于風險的設(shè)計，需要依賴評估結(jié)果選擇設(shè)計方案和安全措施，因此需要定量風險分析為成本-效益分析提供依據(jù)。而無論定性還是定量方法，都涉及模型建立和數(shù)據(jù)分析兩大類問題。

在項目可行性研究或概念設(shè)計階段，由于信息匱乏，定性分析是常用方法。尤其對于新型結(jié)構(gòu)物，如近海風電設(shè)施，缺乏成熟經(jīng)驗借鑒，在項目初期利用風險分析輔助決策已成為潮流。例如文獻[18]利用HAZOP對臺灣海域的風電建設(shè)過程進行了危險源識別；文獻[19]介紹了利用HAZOP、FEMA對近海風電設(shè)施進行關(guān)鍵安全部件識別的過程。這些方法雖然不能提供定量的評估結(jié)果，但通過對風險因素(出現(xiàn)頻率、后果損失，等)的定性分級，可以為項目初期決策提供有效支持。

定性分析的問題是風險因素的估計依靠專家判斷，人為不確定性影響大；模糊集的引入可以在一定程度上控制這類影響。如文獻[20]在模擬平臺油氣泄漏時，利用模糊隸屬度函數(shù)為專家判斷得到的事件發(fā)生頻率添加了置信水平，有效減小了主觀不確定性的影響。更深入地做法可以把風險因素進一步細分，分別進行模糊評估，而后綜合分析總體風險。通常做法是劃分為頻率和損失[21-22]，頻率又可以進一步劃分為事故頻率和某失效模式出現(xiàn)條件概率[23]，損失則可分為人員傷亡、環(huán)境損害、財產(chǎn)損失等[22]。把風險指標細分，有效減小了每次主觀判斷不確定性的影響范圍。也可以把不同屬性的風險因素用一種模糊語言表達，便于綜合評估，例如文獻[24]把平臺溢油風險劃分為設(shè)計參數(shù)、油藏情況、海區(qū)環(huán)境、組織管理水平、應(yīng)急能力等多屬性指標體系，并把不同量綱的、定性與定量的指標統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為模糊集變量，進而實現(xiàn)綜合評估。進行多屬性評估時，層次分析法(AHP)通常被用來確定各個屬性對總風險的重要度[22]，而邏輯推理[21,25]、近似推理[23,25]、證據(jù)推理[23]等方法是目前常被用來進行模糊集綜合計算的工具。相對于直接依靠專家打分的定性方法，模糊綜合評估大大減小了不確定性的影響，因此不僅可以用來危險識別，還可以進行基于風險的方案選擇。例如文獻[21]就是在概念設(shè)計中利用該方法對某水下結(jié)構(gòu)物的四種設(shè)計方案分別進行了風險分析，最終選擇了模糊風險度最小的方案。

進行定量分析時，事件樹(ETA)和故障樹(FTA)是模擬風險事件發(fā)生發(fā)展的經(jīng)典方法。但其也有缺點，例如必須假定風險事件中各隨機變量是彼此獨立的，而且ETA和FTA適合表達二維狀態(tài)變量，當變量狀態(tài)多變時，將大幅提升計算量。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BN)模型較好解決了上述問題，例如文獻[26-27]利用BN模型模擬了FPSO錨鏈受損導致次生災(zāi)害的場景，該模型反應(yīng)了局部損傷、海況、操作因素、救援因素等相互影響的復(fù)雜情況，并顯示了考慮變量多維狀態(tài)時的分析效率。文獻[28]則闡明了BN模型在應(yīng)對數(shù)據(jù)缺乏時的優(yōu)勢，例如可以綜合專家判斷與統(tǒng)計分析的結(jié)果，便于進行數(shù)據(jù)更新等。

進行定量分析除了要有高水平模型，更依賴于充分的信息數(shù)據(jù)。直接的方法是建立事故數(shù)據(jù)庫，除了統(tǒng)計事故歷史數(shù)據(jù)，精確的數(shù)值模擬或可靠的物模實驗也是完善數(shù)據(jù)的途徑。例如文獻[29]在研究平臺火災(zāi)爆炸風險時，利用LHS抽樣工具對風速、風向，泄漏速率和位置等變量隨機抽樣，形成眾多場景，通過CFD計算得到大樣本的爆炸荷載數(shù)據(jù)，為基于超越概率確定特征荷載提供了依據(jù)。文獻[30]則在分析火災(zāi)爆炸荷載不確定性的基礎(chǔ)上，進一步用3D有限元工具LS-DYNA模擬了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，并分析了結(jié)構(gòu)變形的統(tǒng)計特征。另外，文獻[31]針對近海風電設(shè)施的碰撞風險、文獻[32]針對管線保護結(jié)構(gòu)的落物風險，也進行了類似研究。具體過程都是先利用風險分析工具研究事故荷載的隨機分布，而后利用LS-DYNA模擬結(jié)構(gòu)損傷情況，利用大量數(shù)值模擬的結(jié)果分析結(jié)構(gòu)損傷的概率特征，為基于風險確定結(jié)構(gòu)的安全目標和性能標準積累了數(shù)據(jù)。

我國屬新興海洋國家，事故數(shù)據(jù)庫建立難以一蹴而就，類比借鑒法也是提供定量數(shù)據(jù)的選擇。但數(shù)據(jù)庫往往針對固定海區(qū)，借用時需要考慮環(huán)境的差異性。比如，當前最權(quán)威的油氣泄漏事故數(shù)據(jù)庫是HSE建立的HCRD，該庫數(shù)據(jù)來源于北海區(qū)域的典型石油作業(yè)平臺。在分析墨西哥灣某平臺油氣泄漏風險時，直接使用HCRD的數(shù)據(jù)會帶來誤差，這是因為兩地硬件設(shè)施和安全管理的差異會導致風險不同。DNV為減小此類借用誤差，習慣采用MOR(modification of risk)技術(shù)[15]，即對比分析兩地設(shè)施在“風險誘因”和“控制措施”方面的差異，以此為據(jù)確定概率的修正參數(shù)。以上面泄漏風險為例，若修正參數(shù)是“2”，而依照HCRD數(shù)據(jù)計算的泄漏概率為P，則墨西哥灣的泄漏概率為2P。確定修正參數(shù)的方法有很多，最常使用的四種是CCPS、MANAGER、API 581和BBM方法，DNV在風險評估實踐中最常用的是BBM(barrier based method)方法[33-34]。

4.2目標安全水平(TSL)

目前確定TSL的方法可以歸納為三類：1)通過分析當前權(quán)威規(guī)范，以其中明確規(guī)定或隱含表達的結(jié)構(gòu)安全水平作為TSL；2)從安全管理理論出發(fā)，以當前社會可以接受的某類損失的出現(xiàn)概率為安全指標，通過成本效益分析確定TSL，即考慮把人員傷亡控制在一臨界水平，使此時投入的邊際成本剛好不大于“社會的投入意愿”；3)基于優(yōu)化設(shè)計原則確定目標安全水平，即考慮使風險帶來的期望損失與控制風險投入的成本之和最小，從而實現(xiàn)利潤最大化。方法1的可操作性強，但等同于完全認可了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)規(guī)范的安全水平，要求偏低。考慮到當前風險評估主要用于初步設(shè)計階段，方法2和3更適合輔助方案決策，但此兩種方法需要定量的風險值作為安全指標，因此采用這些方法需要前提，即開發(fā)可靠性高的定量風險計算方法。

如3.1節(jié)所述，可以針對人員傷亡、環(huán)境破壞和經(jīng)濟損失等不同后果分別制定TSL，但傳統(tǒng)上人員傷亡被作為主控風險。利用成本效益原則確定TSL時，對于人員傷亡的社會投入意愿通常由CAF值表示，該意愿值可以借助“生命質(zhì)量指標(LQI)”來確定[35]，而LQI則考慮國民生產(chǎn)總值、人員工作時間等因素。早在1998年，文獻[36]就利用LQI計算了各國的CAF值，結(jié)果表明發(fā)展中國家和發(fā)達國家的風險控制意愿差別明顯。近年，文獻[27]在對FPSO的錨鏈失效風險進行評估時，分別利用LQI指標和優(yōu)化原則計算了目標失效概率，結(jié)果表明：前者比后者更小，即基于LQI的安全標準比基于優(yōu)化原則的標準更加嚴格。

海洋石油平臺的事故通常會伴隨油氣泄漏，因此針對海洋環(huán)境污染的風險標準也應(yīng)成為發(fā)展的重點。文獻[14]提出了海洋工業(yè)中原油泄漏事故的風險接受標準，它將環(huán)境污染的程度用環(huán)境恢復(fù)時間來度量。文獻[37-38]則描述了一個形如CAF的自然環(huán)境保護意愿指數(shù)CATS，從而可以利用成本效益原則來確定環(huán)境風險接受標準。

5 結(jié) 語

綜上所述，可以得到如下結(jié)論：

1)在海洋平臺結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)設(shè)計中，概率法已經(jīng)成為未來發(fā)展的主流方向。結(jié)構(gòu)可靠度分析和風險分析都是概率法的常見工具，但對于ALS狀態(tài)，使用風險分析方法更加合理，尤其對于創(chuàng)新型設(shè)計，結(jié)構(gòu)安全評估只能依靠風險分析。

2)目前，風險方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的使用主要體現(xiàn)在兩個方面：設(shè)計中的關(guān)鍵決策依據(jù)風險評估方法做出；結(jié)構(gòu)安全評估依據(jù)風險標準體系進行。以上兩個方面在發(fā)達國家規(guī)范中已有應(yīng)用，可以為我國建立國際水平的新規(guī)范提供成熟的經(jīng)驗。

3)在我國建立基于風險方法的ALS設(shè)計規(guī)范，仍有許多現(xiàn)實障礙，主要表現(xiàn)為風險評估方法可靠性和適用性問題，還必須面對目標安全水平的確定問題。

4)海洋石油部門在日常安全管理中建立事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，可以為風險評估建立信息基礎(chǔ)，這是基于風險方法建立ALS規(guī)范必要的戰(zhàn)略任務(wù)之一。目前，為克服數(shù)據(jù)缺乏的困難，可以利用科學手段借鑒權(quán)威數(shù)據(jù)庫信息開展定量評估。

5)目標安全水平的確定是實現(xiàn)風險設(shè)計方法的關(guān)鍵，目前可以針對不同事故類型、失效模式和各類損失類型分別制定目標安全水平，而成本效益原則和優(yōu)化原則都可以提供合理可行的方法途徑。

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Reviews and comments on risk-based design of fixed offshore platform structures

LI Xiaodong1, 2, TANG Wenyong1

(1. Shanghai Jiao Tong University, State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai 200240, China; 2. Qingdao Technological University, Shandong Urban Disaster Prevention and Control Engineering Technology Research Center, Qingdao 266033, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.01.017

1005-9865(2017)01-0147-10

2016-01-19

李曉冬(1980-)，男，山東章丘人，講師，博士研究生，主要從事船舶與海洋工程風險評估相關(guān)的研究。E-mail: lxdouc@126.com

唐文勇。E-mail：wytang@sjtu.edu.cn