閆宏生，石尚熠，劉建成，徐立新

(1.天津大學(xué) 海洋結(jié)構(gòu)物拆解技術(shù)研究中心，天津 300072；2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，在未來25年內(nèi)，將有分布在50多個國家和地區(qū)的逾6 500座達(dá)退役年限的海洋平臺亟待處理。如何安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保地進(jìn)行海洋平臺的拆除成為關(guān)注點。為此，需要對海洋平臺拆除的全過程進(jìn)行風(fēng)險分析。國內(nèi)外許多學(xué)者都對平臺拆除過程中的風(fēng)險進(jìn)行研究。田永花[1]以CFD1-6油田為例，應(yīng)用層次分析法對整個拆除過程進(jìn)行風(fēng)險分析。李美求等[2-3]使用模糊綜合評價法對廢棄樁基平臺拆除過程進(jìn)行風(fēng)險分析，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)廢棄樁基平臺拆除可視化信息管理軟件系統(tǒng)。SAEED[4]使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和不確定性分析把平臺拆除過程中建立的風(fēng)險故障樹轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。MICHAEL等[5]使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行海洋平臺退役選項的風(fēng)險評估。BABALEYE等[6]應(yīng)用層次貝葉斯模型對平臺棄井作業(yè)過程進(jìn)行風(fēng)險分析。

水下結(jié)構(gòu)的拆除是平臺拆除過程中的重要環(huán)節(jié)，涉及安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等多方面因素。本文對水下結(jié)構(gòu)拆除的主要切割方式的特點進(jìn)行分析，進(jìn)而應(yīng)用模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法對水下結(jié)構(gòu)拆除過程的切割方式進(jìn)行風(fēng)險分析，給出各自的風(fēng)險特征。

1 平臺水下結(jié)構(gòu)拆除的切割方式

平臺水下結(jié)構(gòu)拆除的切割方式如表1所示。

表1 平臺水下結(jié)構(gòu)拆除的切割方式

2 模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險分析方法

模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法將貝葉斯統(tǒng)計原理與模糊集理論相結(jié)合，對隨機(jī)、模糊或不精確的后驗概率進(jìn)行估計和評價，可針對風(fēng)險因素間的關(guān)系進(jìn)行建模。

2.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)又稱信度網(wǎng)絡(luò)，是美國PEARL教授于1986 年提出的，由有向無環(huán)圖和條件概率表(Conditional Probability Table，CPT)定義的風(fēng)險因素的圖形表示[7]。

2.2 模糊理論

傳統(tǒng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險分析依賴于節(jié)點的精確故障概率，精確概率的獲取需要基于大量失效歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)。然而，對許多根節(jié)點來說可供參考的歷史數(shù)據(jù)較少甚至可能沒有，尤其對于重大工程施工問題來說，其歷史事故數(shù)據(jù)更難獲取，引入模糊理論可在一定程度上解決這個問題。模糊理論是在美國ZADEH教授于1965年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,規(guī)定一個隸屬函數(shù)，在一個特定的集合內(nèi)給每個對象分配一個隸屬度[8]，隸屬度的大小由專家通過經(jīng)驗和工程實例加以判斷得到。

3 風(fēng)險分析過程

3.1 風(fēng)險源識別

不論應(yīng)用何種方法進(jìn)行風(fēng)險分析，風(fēng)險源的識別都是最為重要的問題。建立5種常用切割方法的風(fēng)險源。聽取來自天津大學(xué)、中國海洋石油集團(tuán)有限公司和招商局重工(江蘇)有限公司專家的意見，對各風(fēng)險源進(jìn)行評判。為方便專家給出客觀的評判結(jié)果，引入自然語言變量：非常高、高、偏高、中等、偏低、低和非常低。將專家給出的評判結(jié)果轉(zhuǎn)化為三角模糊概率。每個自然語言變量與三角模糊數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 自然語言變量對應(yīng)的三角模糊數(shù)

以磨料水射流切割為例，各風(fēng)險源的風(fēng)險分析結(jié)果和計算得到的根節(jié)點先驗概率如表3所示，3位專家的意見用E1、E2、E3表示。磨料水射流切割中間節(jié)點對應(yīng)事件如表4所示。

表3 磨料水射流切割根節(jié)點事件及先驗失效概率

續(xù)表3 磨料水射流切割根節(jié)點事件及先驗失效概率

表4 磨料水射流切割中間節(jié)點對應(yīng)事件

3.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型建立

對風(fēng)險源識別后得到的風(fēng)險源進(jìn)行分類、分級，確立因果關(guān)系，分別把其代入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點、中間節(jié)點和葉節(jié)點，得到風(fēng)險分析貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。以磨料水射流切割為例，風(fēng)險分析貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

圖2 磨料水射流切割貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

3.3 獲取根節(jié)點先驗故障概率

為更精確客觀地描述事故發(fā)生的可能性，需要聽取多個專家的意見并對其進(jìn)行整合。采取相似性聚類方法(Similarity Aggregation Method，SAM)整合專家意見[9]。整合得到的專家意見也是一個三角模糊數(shù)，需要對其進(jìn)行去模糊化，采取均值面積法將三角模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊可能性分?jǐn)?shù)FPS[10]：

(1)

式中：f0、f1、f2為權(quán)重指數(shù)。FPS僅反映專家對根節(jié)點事件的信任度，還需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為模糊失效率FFR，即根節(jié)點事件的先驗故障概率[11]，公式為

(2)

3.4 正向推理事故發(fā)生概率

在得到根節(jié)點的先驗概率后，根據(jù)CPT可應(yīng)用桶消元法計算得到中間節(jié)點和葉節(jié)點事件的發(fā)生概率[12]。表5為計算得到的葉節(jié)點事件發(fā)生概率。

表5 各種切割方式事故發(fā)生概率

3.5 反向推理根節(jié)點后驗概率

在實際工程作業(yè)過程中，決策者一般更關(guān)注高風(fēng)險事故的發(fā)生，從而提前對其進(jìn)行控制。在已知切割事故發(fā)生的條件下，結(jié)合貝葉斯條件概率公式進(jìn)行反向推理可得到根節(jié)點的后驗概率。根節(jié)點的后驗概率即在葉節(jié)點事件已經(jīng)發(fā)生的條件下根節(jié)點事件發(fā)生的條件概率。以磨料水射流切割為例，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 磨料水射流切割根節(jié)點事件后驗概率

由圖3可知，磨料水射流切割后驗概率較大的根節(jié)點事件是管路堵塞、電源電纜損壞和油氣殘留，這3個事件最有可能導(dǎo)致事故發(fā)生。同理分析其他幾種切割方式的后驗概率可以得出，繩鋸磨損、深水作業(yè)環(huán)境、炸藥受潮和刀具磨損分別是金剛石繩鋸切割、熔化極電弧熱切割、聚能爆破切割和機(jī)械切割后驗概率最大的根節(jié)點事件。決策者可根據(jù)這個結(jié)果，對相應(yīng)的風(fēng)險進(jìn)行管控。

同時，綜合幾種切割方式的反向推理結(jié)果，油氣殘留、電源電纜損壞等風(fēng)險源的后驗概率都較大。管理失職的風(fēng)險雖然不是最大，但是對每種切割方式都有0.1以上的后驗概率，并且與其他風(fēng)險相比，這種人為的風(fēng)險本應(yīng)更易控制。在實際工程中不論應(yīng)用何種切割方式，對這些風(fēng)險都應(yīng)尤為重視。

4 結(jié)果比較分析

5種切割方式的風(fēng)險源不同，無法直接對事故發(fā)生概率進(jìn)行比較。但是每種切割方式的風(fēng)險源主要可歸為設(shè)備損壞、工期延誤、人員傷亡和環(huán)境污染等4類，因此可從這4個角度進(jìn)行比較，判斷在不同條件不同工況下應(yīng)選用的切割方法。比較結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 設(shè)備損壞概率對比

圖5 工期延誤概率對比

圖6 人員傷亡概率對比

圖7 環(huán)境污染概率對比

由圖4～圖7可知：從設(shè)備損壞的角度，熔化極電弧熱切割和磨料水射流切割的概率較高；從工期延誤的角度，聚能爆破切割和機(jī)械切割的概率較高；如果綜合設(shè)備損壞和工期延誤，機(jī)械切割有更大的概率造成經(jīng)濟(jì)損失，金剛石繩鋸切割造成經(jīng)濟(jì)損失的概率相對較??；從人員傷亡的角度，熔化極電弧熱切割因其不穩(wěn)定性有更大可能導(dǎo)致人員傷亡，磨料水射流切割和金剛石繩鋸切割則體現(xiàn)了安全性；從環(huán)境污染的角度，聚能爆破對海洋環(huán)境有相當(dāng)大的污染，許多法律法規(guī)也對其進(jìn)行限制，而磨料水射流切割的環(huán)保性使其得到了越來越多的應(yīng)用。

5 風(fēng)險控制

針對已總結(jié)的風(fēng)險源，尤其是其中風(fēng)險發(fā)生概率較大和后果較嚴(yán)重的風(fēng)險源，需要進(jìn)行有針對性的風(fēng)險控制。

高空墜物、人員意外落水、漏電事故和火災(zāi)爆炸等都是威脅作業(yè)人員生命安全的主要風(fēng)險。針對這些風(fēng)險，應(yīng)提出相應(yīng)的措施進(jìn)行風(fēng)險控制。人員本身的素質(zhì)很重要，應(yīng)對平臺拆解作業(yè)人員進(jìn)行完整的培訓(xùn)，包括知識、技能、心理等各方面。須定期檢查有沒有松動的設(shè)備，對其進(jìn)行加固。同時天氣因素也需要考慮，遇到大風(fēng)大浪可在工期允許的情況下適當(dāng)延后。對于漏電、火災(zāi)爆炸等風(fēng)險，在切割作業(yè)前應(yīng)對被拆解平臺和切割工具進(jìn)行檢測和清洗，排除漏電風(fēng)險和殘留油氣的威脅。對于已發(fā)生的事故，應(yīng)對作業(yè)人員進(jìn)行事前應(yīng)急培訓(xùn)，并準(zhǔn)備相應(yīng)的應(yīng)急系統(tǒng)和疏散程序。

對于可能造成財產(chǎn)損失的風(fēng)險，除了對相關(guān)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)外，設(shè)備的定期檢修和保養(yǎng)也很重要。對于磨料水射流切割，設(shè)備的管路磨損比較嚴(yán)重，應(yīng)定期檢查更換管路，以提高切割效率。在金剛石繩鋸切割之前應(yīng)仔細(xì)檢查夾緊裝置和張緊裝置，防止出現(xiàn)串珠繩脫落等風(fēng)險。在切割前還應(yīng)設(shè)置鋸切墊板，防止在切割過程中發(fā)生夾鋸。熔化極電弧熱切割需要選擇合適的切割電流：切割電流過大會使割條過熱，藥皮爆裂；切割電流過小會使被切割金屬熔化不良，產(chǎn)生黏弧現(xiàn)象，造成短路，使電源發(fā)生過載。爆炸切割的風(fēng)險較大，一般只用于輔助切割：在切割前應(yīng)妥善保管炸藥，防止在運(yùn)輸和儲存中發(fā)生危險；在切割時應(yīng)計算炸藥用量，撤離附近的船只、人員、設(shè)備。目前機(jī)械切割使用較少，在切割過程中應(yīng)注意套管對中，并注意不能讓刀具因振動產(chǎn)生偏心，以免高速轉(zhuǎn)動的刀片損壞其他設(shè)備。對于工期延誤的風(fēng)險，應(yīng)制定詳細(xì)的計劃，并且留出一定的裕量，以應(yīng)對突發(fā)情況。

在切割過程中應(yīng)控制廢氣、廢水的排放，減少其對環(huán)境的影響。切割產(chǎn)生的廢料不應(yīng)直接傾瀉在海中，應(yīng)收集起來運(yùn)送至陸地上進(jìn)行處理和回收利用。切割過程中產(chǎn)生的振動噪聲可能對海洋生物造成影響，應(yīng)盡可能減少爆破切割的使用。在切割作業(yè)前，應(yīng)對相關(guān)設(shè)備、船只進(jìn)行檢測，防止泄漏事故的發(fā)生。

6 結(jié) 論

不同于以往對平臺拆除全過程的風(fēng)險分析，本文聚焦于水下結(jié)構(gòu)拆除的切割方式，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法對其進(jìn)行建模、分析，并且由于風(fēng)險事件的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)較難獲取，采用模糊分析方法得到節(jié)點事件的先驗概率和條件概率，并正向和反向推理計算總失效概率和后驗概率。得到如下結(jié)論：

(1)不論是何種切割方式，風(fēng)險源都可主要分為前期準(zhǔn)備不足、經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和環(huán)境污染等幾個方面。根據(jù)專家評價的情況，前期準(zhǔn)備不足的風(fēng)險先驗概率相對較低，經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡兩個方面的先驗概率較高，更易造成嚴(yán)重事故。

(2)機(jī)械切割和聚能爆破切割發(fā)生事故概率較大，金剛石繩鋸切割發(fā)生事故概率最小。

(3)油氣殘留、電源電纜損壞和管理失職這幾個風(fēng)險事件的后驗概率較大，更有可能是切割發(fā)生事故時的事故致因。決策者可根據(jù)這個結(jié)果，對相應(yīng)的風(fēng)險進(jìn)行管控。

(4)從設(shè)備損壞、工期延誤、人員傷亡和環(huán)境污染等4個方面進(jìn)行比較分析，金剛石繩鋸切割和磨料水射流切割相對于其他切割方式有更高的可靠性，在實際的生產(chǎn)活動中也得到更多的應(yīng)用。

本文的方法也存在局限性。由于缺乏實際數(shù)據(jù)，應(yīng)用模糊分析方法得到的節(jié)點概率難免會受到主觀性的影響。但是由于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在概率更新方面的優(yōu)勢，隨著平臺拆解技術(shù)的成熟和相關(guān)實例中客觀數(shù)據(jù)的收集，該方法的不確定性可顯著降低，并且該方法可應(yīng)用于特定實例的風(fēng)險分析。