高 宇， 安 晨， 王義祥 ， 王巍巍， 張振興

(1. 中國石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院， 北京 102249； 2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

深水油氣開發(fā)逐漸成為全球油氣開發(fā)的重點，海洋工程裝備是決定深水油氣開發(fā)的關(guān)鍵因素。海洋工程裝備面臨著嚴酷的海洋環(huán)境，需要判斷和評估其服役情況?；陲L(fēng)險的檢驗(Risk-Based Inspection，RBI)方法是一種先進的檢測方法，其研究始于30年前[1]，通過計算特定系統(tǒng)的故障概率(PoF)和故障后果(CoF)對每個系統(tǒng)進行風(fēng)險評估。其中，影響PoF和CoF的關(guān)鍵工藝參數(shù)被稱為關(guān)鍵績效指標(biāo)(Key Performance Indicator，KPI)，KPI是以明確定義和可追溯的方式客觀描述被觀察對象性能的指標(biāo)[2]。

1 RBI主要原則

RBI主要原則包括：建立背景、識別危險、計算故障頻率、評估后果和計算分析等。RBI的初步和詳細分析都須進行以下步驟：風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)制定、失效概率計算、失效后果評估和檢測計劃制定。在確定設(shè)備風(fēng)險等級后，根據(jù)具體情況制定檢測和維修計劃，并進行重新評估以達到降低風(fēng)險、完善計劃的目的。RBI方法管理過程如圖1所示。

圖1 RBI方法管理過程示例

1.1 RBI分析方法

RBI被分為定性和定量兩種分析方法[3]，還可分為半定性、常規(guī)和動態(tài)風(fēng)險分析方法。本文介紹幾種常見的RBI分析方法。

1.1.1 定性風(fēng)險分析

定性分析是許多行業(yè)中常用的不確定性評估方法。根據(jù)NWAOHA等[4]研究，定性分析一般依靠專家的主觀判斷作為輸入信息的演繹方法，在此基礎(chǔ)上評判相對風(fēng)險的等級。定性分析被認為是風(fēng)險分析方法中最快捷、簡單的分析方法，因為定性風(fēng)險分析技術(shù)基于科學(xué)決策和貝葉斯統(tǒng)計理論。定性風(fēng)險分析一般通過“彩色指示器”即風(fēng)險矩陣來表示。圖2為一種常見的風(fēng)險等級矩陣：“紅”標(biāo)記代表高風(fēng)險，“黃”或“橙”標(biāo)記代表中等風(fēng)險，“綠”標(biāo)記代表低風(fēng)險。其采用風(fēng)險分析哲學(xué)，即風(fēng)險是失敗概率與失敗后果的乘積。

圖2 風(fēng)險等級矩陣

1.1.2 定量風(fēng)險分析

定量分析是運用數(shù)學(xué)和計算模型識別、量化潛在事故概率和后果的系統(tǒng)方法。根據(jù)MARHAVILAS等[5]研究，定量分析以模擬、試驗方法和真實生活信息作為輸入?yún)?shù)來進行定量風(fēng)險評估。與定性風(fēng)險分析不同，定量風(fēng)險分析的結(jié)果以既定的定量風(fēng)險接受標(biāo)準(zhǔn)作為基準(zhǔn)。這意味著定量風(fēng)險分析需要大量的數(shù)據(jù)，因此其結(jié)果更加可靠。

1.1.3 半定性風(fēng)險分析

半定性分析是定量與定性分析的結(jié)合。由于定量和定性風(fēng)險分析都存在一定的局限性，將兩者結(jié)合可有效彌補其不足。半定性風(fēng)險分析綜合定性法中以圖表為基礎(chǔ)的模型與定量法的相關(guān)知識[6]。BERLE等[7]建議半定性風(fēng)險分析采用定量技術(shù)，然而在研究中他們并未利用概率計算或后果評估的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。半定性風(fēng)險分析的工具主要有初步危險分析(Preliminary Hazard Analysis，PHA)、失效模式與影響分析(Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA)、故障模式影響與危害度分析(Fault Mode Effect and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA)、危險與可操作性分析(Hazard and Operability study，HAZOP)和基于風(fēng)險的檢驗[8]。

1.1.4 常規(guī)風(fēng)險分析和動態(tài)風(fēng)險分析

常規(guī)風(fēng)險分析(Common Risk Analysis，CRA)具有一些無法忽略的缺點[8]，包括無法利用高質(zhì)量的數(shù)據(jù)、決策過程存在一定的不確定性、過程較為僵化等。動態(tài)風(fēng)險分析(Dynamic Risk Analysis，DRA)比CRA更靈活，可利用新獲得的信息不斷更新風(fēng)險水平。DRA已應(yīng)用于模擬動態(tài)情況和識別事故場景、動態(tài)故障樹和事件樹分析、液化天然氣擴散風(fēng)險評估策略等方面[9]。

1.2 RBI分析工具

1.2.1 檢查表

檢查表是識別危害和風(fēng)險的常用工具之一，主要依靠專家的判斷和項目中獲得的信息，需要回顧以往的數(shù)據(jù)并進行總結(jié)，且較為依賴個人經(jīng)驗，給最終結(jié)果帶來不確定性，當(dāng)團隊成員不再參與時，需要花費大量的時間回顧和整理所遇到的問題。

1.2.2 HAZOP工具

一般來說，HAZOP與故障樹和概率后果矩陣等技術(shù)結(jié)合，采用半定性風(fēng)險評估[10]。HAZOP可用于從不同角度評估安全系統(tǒng)的風(fēng)險。該工具的優(yōu)點如下：(1)當(dāng)面臨難以量化的風(fēng)險時，較有幫助；(2)不必為發(fā)生的概率和后果的嚴重性指定數(shù)值；(3)與其他風(fēng)險評估工具相比，相對簡單。該工具的主要缺點是無法評估多組件系統(tǒng)中的風(fēng)險。

1.2.3 FMEA/ FMECA工具

FMEA/EMECA都是常用的風(fēng)險分析工具。決策者可通過提出可行的方法以降低系統(tǒng)的潛在故障失效概率。這類分析工具將系統(tǒng)分為子系統(tǒng)和組件，識別故障可能的原因和模式，確定當(dāng)前的解決方案并評估故障產(chǎn)生的影響。對于定量分析來說，風(fēng)險優(yōu)先級數(shù)RPN由發(fā)生概率O、發(fā)生嚴重程度S和檢測的難易程度D決定：

RPN=OSD

(1)

在FMEA和FMECA中，存在O、S和D輸入數(shù)據(jù)的主觀性質(zhì)，這是重要的限制之一[11]。有關(guān)FMEA的更多細節(jié)可參考文獻[12-13]。

FMEA起初被稱為故障模式、影響和臨界分析。FMECA中的“C”則代表各種故障影響的危險程度并對其進行排序，F(xiàn)MECA是一種帶有臨界性分析的FMEA，且存在多種失效分析水平，然而其沒有考慮多種失效的相互作用。因此，很多行業(yè)在使用FMEA后并未繼續(xù)使用FMECA。

1.2.4 故障樹

故障樹是一種演繹故障分析工具，由安全分析師用來在系統(tǒng)故障或過程中斷發(fā)生之前識別故障出現(xiàn)的可能原因[14]。故障樹分析通過先視故障與系統(tǒng)故障路徑之間的邏輯聯(lián)系產(chǎn)生圖形顯示。構(gòu)建故障樹的主要步驟包括：(1)系統(tǒng)的定義；(2)頂層故障的定義；(3)頂層故障潛在原因的識別；(4)下一層事件的識別；(5)根本原因的識別；(6)事件概率的賦值；(7)故障樹的分析。

1.2.5 BN和Petri網(wǎng)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Network，BN)是一個定向圖形模型和一個結(jié)構(gòu)化干擾工具，對于處理風(fēng)險和可靠性決策過程的不確定性，組合來自不同源頭的信息以及更新結(jié)果非常有用。BN的主要作用是在獲得新數(shù)據(jù)后對系統(tǒng)最終結(jié)果的后驗概率條件進行建模[15-16]。許多研究人員認為，在液化天然氣設(shè)施等動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的風(fēng)險分析中，BN是一種合適的、有前途的處理不確定性的工具。

Petri網(wǎng)是一個圖形和數(shù)學(xué)建模工具，適用于動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的風(fēng)險分析，是一種很有前景的工具，可以描述并發(fā)、異步、分布式、并行和不確定或隨機行為特征的系統(tǒng)。Petri網(wǎng)使用2種類型的節(jié)點，即位置和過渡。在Petri網(wǎng)中，系統(tǒng)被圖形化地構(gòu)建為一組條件和事件，其中，位置代表條件，轉(zhuǎn)換代表事件，圓形表示可能包含標(biāo)記的地方，矩形表示過渡。一個基本事件至一個Petri網(wǎng)的映射[17]如圖3所示。

圖3 基本事件至Petri網(wǎng)的映射

2 KPI介紹

在海洋石油天然氣領(lǐng)域中，通過確定設(shè)備的KPI和這些參數(shù)何時達到臨界值或接近臨界水平，便可對設(shè)備的完整性進行監(jiān)測和維護，確保設(shè)備正常服役。

2.1 KPI定義

對設(shè)備影響較明顯的相關(guān)參數(shù)通常被稱為性能指標(biāo)(Performance Indicator，PI)和KPI，這些指標(biāo)可以用于優(yōu)化檢查和其他維護活動的需要和優(yōu)先順序，以幫助制定經(jīng)濟、快捷的監(jiān)測和維護方案。PI和KPI是定期評估基于風(fēng)險檢查計劃可行性的關(guān)鍵參數(shù)。需要以可理解、有意義和可衡量的方式建立PI和KPI。

根據(jù)FELDMAN等[18]的研究，有3種指標(biāo)的衡量方式：

(1) 關(guān)鍵結(jié)果指標(biāo)(Key Result Indicator，KRI)，通常每個月需審查1次；(2) PI，介于KRI與KPI之間，KPI從PI之中選??；(3) KPI，需每天進行檢查，其會顯著影響設(shè)備的服役情況。

2.2 KPI在海洋石油裝備中的應(yīng)用

目前，有關(guān)KPI在海洋石油裝備中的研究和應(yīng)用尚未廣泛展開，但是其對于分析和衡量設(shè)備的變化影響十分有用，可以為延長設(shè)備服役壽命的實例奠定基礎(chǔ)[19]。在一些早期工作[20]中，基于極端天氣、疲勞、腐蝕和意外損壞等危險，開發(fā)20個KPI，其目的是保證海上結(jié)構(gòu)的完整性，并通過研究選出8項需要詳細檢查的指標(biāo)。

2.2.1 KPI在管道中的應(yīng)用

根據(jù)2013年首發(fā)的石油天然氣行業(yè)關(guān)于腐蝕控制的50個KPI[21]，SHERRY[22]結(jié)合9個工程實例，對50個KPI的實施進行描述和分析，其所在的CorrMagnet Consulting公司進行一系列如何應(yīng)用和實施KPI來控制管道腐蝕的研究。在研究中，學(xué)者們針對50個KPI進行評估、打分，根據(jù)其合理性和重要程度進行分析和選擇。

在石油天然氣行業(yè)，管道的主要失效原因是外部和內(nèi)部腐蝕，利用KPI進行海底管道的腐蝕管理能改善腐蝕性能報告的管理信息并顯著提高成本效益。在QUEEN等[23]研究中，討論一些可用于測量的腐蝕管理KPI(腐蝕成本、腐蝕抑制等級、設(shè)備維護完成)，并且對這些指標(biāo)作出解釋。為減輕碳氫化合物在管道內(nèi)的威脅，MORSHED[24]研究基于KPI的腐蝕管理策略，選取腐蝕抑制劑注射速率、管內(nèi)含水量、管道內(nèi)腐蝕抑制劑殘余量作為KPI，并提出KPI應(yīng)有規(guī)定的范圍或閾值，與管道外腐蝕相比，內(nèi)腐蝕更值得關(guān)注。

2.2.2 KPI在深水立管中的應(yīng)用

隨著海上油田開發(fā)的深入，深水立管組件需要克服更惡劣的環(huán)境、復(fù)雜油井要求和操作條件不確定性的風(fēng)險。立管類型主要包括垂直頂部張緊立管(Top Tensioned Riser，TTR)、鋼懸鏈線立管(Steel Catenary Riser，SCR)和撓性立管(Flexible Riser，F(xiàn)R)，他們承受不同類型的載荷，也有著不同的潛在FMEA。

GOLDSMITH等針對TTR和SCR進行監(jiān)測，獲得2種立管的響應(yīng)數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)和立管服役的船只響應(yīng)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，選取TTR上低應(yīng)力接頭處的加速度、SCR的疲勞應(yīng)變或加速度、H2S含量、TTR的環(huán)空壓力、撓性接頭的壓力和溫度、CO2含量等作為KPI。同樣地，針對立管的完整性管理，COOK等選取撓性接頭上的壓力和溫度、CO2含量和含水率等作為KPI，建立大型深水立管組合完整性管理的正式流程，并給出針對SCR的KPI示例。

2.2.3 KPI在其他設(shè)備中的應(yīng)用

IANNACCONE等定義1套KPI，以支持液化天然氣(LNG)儲罐的安全評估，也為安全系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)急決策提供有效的支持。在該研究中，儲罐結(jié)構(gòu)的熱致應(yīng)力、內(nèi)部壓力引起的應(yīng)力導(dǎo)致相關(guān)設(shè)計安全裕度的降低和油箱故障時釋放的能量被量化并作為KPI。

對于浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)，腐蝕管理是必要的，其中CO2腐蝕故障是FPSO所有故障事故中的主要部分。在石油天然氣的生產(chǎn)中，干燥的CO2氣體沒有腐蝕性，當(dāng)CO2氣體溶于水后，將促進鋼和接觸的水相之間的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生H2CO3。

SIMBOLON針對阿爾弗海姆的FPSO，考慮流動效應(yīng)、壓力、溫度、流體中的污垢、微生物、CO2、H2S、氯化物、沙礫對侵蝕的影響以及氧氣和腐蝕抑制劑多種因素的影響等，進行基于KPI的風(fēng)險分析，根據(jù)腐蝕性能指標(biāo)確定KPI，并制定腐蝕管理策略。該研究選取H2S分壓、CO2含量和燃氣溫度，并將其作為KPI。

2.3 KPI閾值

對于系統(tǒng)的風(fēng)險水平監(jiān)測和評估而言，在確定系統(tǒng)的KPI后，需要明確KPI的閾值，當(dāng)所確定的KPI數(shù)值接近或達到閾值后，采取相應(yīng)措施。

一般來說，KPI可分為短期KPI和長期KPI。針對長期KPI，可將測量數(shù)據(jù)與到達警報級別數(shù)值進行對比。例如，立管的表面電流數(shù)值可以與百年一遇的電流數(shù)值進行比較，隔水管頂部張力值與設(shè)計的預(yù)期張力值進行比較，立管強度的閾值為屈服極限的0.8倍，立管的模擬沖程極限也可作為警報閾值。另外，長期KPI需要對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行一定數(shù)量的收集。

根據(jù)MORSHED[24]的研究，對于1個具有30 d 的月份來說，每天相當(dāng)于3.3%的合規(guī)率，在月底時，合規(guī)天數(shù)應(yīng)該相加然后乘以3.3%，得到KPI的月度合規(guī)百分比。研究者認為，合規(guī)目標(biāo)水平的數(shù)值取決于客戶的期望、月平均合規(guī)率和工程師的判斷。OLABISI[25]指出，腐蝕KPI是一個關(guān)鍵的性能指標(biāo)，可用于衡量主要腐蝕風(fēng)險管理策略，提供可靠的預(yù)警。

曾有學(xué)者從11個性能指標(biāo)中選取CO2、燃氣溫度和H2S分壓作為KPI，并根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)制定其閾值。這3個指標(biāo)對于維護FPSO系統(tǒng)的完整性具有至關(guān)重要的作用。雖然其他參數(shù)也需要每天測量，但是其對系統(tǒng)故障的影響較小。

3 結(jié) 論

風(fēng)險分析方法的應(yīng)用和KPI參數(shù)的確定有助于事故的預(yù)防以及提高海洋石油裝備關(guān)鍵系統(tǒng)的安全性和可靠性。本文對風(fēng)險分析方法和應(yīng)用進行總結(jié)，無論是RBI方法還是KPI都具有一定的研究前景。但目前來看，兩者仍存在一些發(fā)展瓶頸。

風(fēng)險評估領(lǐng)域的研究大多針對傳統(tǒng)類型的方法，有關(guān)動態(tài)風(fēng)險評估的研究相對較少。對于風(fēng)險分析方法來說，獲得高質(zhì)量的真實數(shù)據(jù)是進行分析的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。仍有很多風(fēng)險分析工具值得使用，如馬爾科夫鏈和Petri網(wǎng)。盡管許多學(xué)者對KPI進行了大量研究，但是KPI的應(yīng)用仍存在許多需要進一步研究的地方，如：對于KPI的選取、閾值的確定和KPI的監(jiān)測方法。目前對于KPI參數(shù)的選取大多針對腐蝕損傷，其他失效模式KPI參數(shù)的選取需要進一步研究。目前，國內(nèi)針對KPI的研究仍然較少。

綜上所述，RBI方法和KPI的研究仍然存在一些空白，隨著研究的不斷深入，建立可靠的、具有通用性的RBI分析方法和KPI選取和閾值確定方法是十分重要的。