海洋平台本质安全及事故预防关键技术

崔厚玺，杨治华，于晓红，周怡潇

（中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院，北京 100028）

海洋平台本质安全及事故预防关键技术

崔厚玺，杨治华，于晓红，周怡潇

（中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院，北京 100028）

通过分析平台长周期安全运行的主要影响因素，研究本质安全设计及事故预防技术在平台安全运行中的应用。本质安全要求在设计源头减少或消除不安全隐患，设法降低事故发生的可能性和严重程度，以增强平台运行的稳定性。事故预防技术则是通过检测和诊断等方法对平台可靠性进行分析，对其固有或潜在的危险及严重程度进行评估，并根据风险大小提出相应的安全措施。本文以NP1-5平台为例，分析本质安全及事故预防技术应用的成功经验，为今后工程提供借鉴。

海洋平台；本质安全；事故预防；关键技术

0 引言

海洋油气勘探与开发的安全性一直受到高度关注，也是值得深入探讨的重要课题。海洋平台设施能否长周期安全运行直接影响到海洋油气勘探与开发的可行性和经济性。与陆地石油开发相比，海洋平台有其自身的特殊性，是一个能独立生产、处理的自给系统，空间较小、维修不便、生产环境恶劣、系统紧凑复杂，诸多因素均对平台设备的长周期安全运行产生影响，主要影响因素包括：

（1）海洋平台所处的环境十分复杂，风、海浪、海流、海冰和潮汐时时作用于结构，同时还受到地震作用的威胁。在此环境条件下，环境腐蚀、海生物附着、基泥冲刷和基础动力软化、材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳和损伤累积等不利因素都将导致平台结构构件和整体抗力的衰减，影响结构的服役安全度和耐久性。

（2）平台多数设备运行时间较长。

（3）多相油流，杂质较多，易结垢堵塞管口。

（4）振动导致连接部件松动或者断裂、零部件的加速磨损，管道裂纹、泄漏。

（5）单个设备、管道或系统的自身故障。

（6）生产工艺改变及设备更新导致监控系统报警限值设置的不合理。

（7）操作人员技术水平、经验不足，操作不当、管理不当等人为因素。

（8）检修及维护的质量不高等。

为此，本文从事故预防和过程监控两个方面研究平台安全运行的技术及保障措施，分析本质安全和事故预防技术在平台运行中的应用，并以NP1-5平台为例进行分析，总结安全运行经验，查找缺陷并通过补救措施，尽可能保障平台设施长周期安全运行，延长安全运行周期。

1 海洋平台本质安全设计

本质安全是指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。具体包括失误—安全 （误操作不会导致事故发生或自动阻止误操作）、故障—安全功能 （设备、工艺发生故障时还能暂时正常工作或自动转变安全状态）。本质安全设计是保障安全运行的源头，为此需要在设计中消除危险源及事故隐患。海洋平台的运行环境与自身特点，要求每个设备系统必须具备较高的可靠性甚至必须具有强大的故障自诊断与安全保护或者自我修复及自愈性能。

海洋平台的设计选型应以优先考虑长周期运行可靠性、兼顾机组效率为原则。在对过程系统的设计时应考虑使系统具有一定的柔性，即系统不仅能适应于特定的正常操作状态，也适应于一定范围的变化 （即不确定参数的可能变化区域）情况。可靠度不足的设备应考虑冗余设计，冗余设计可以是在线冗余，设备发生故障后，人工或自动切换到备用设备；也可以是快装结构在库冗余，一旦设备发生故障，可以用备用设备很快更换。

海洋平台生产工艺设备与设施应设置互相独立、分别由不同安全装置完成的一级及二级安全保护系统，以确保对每个过程参数的监控及预警，必要时启动纠错、报警及关断功能。平台上的安全保护系统主要包括：压力安全保护系统、温度安全保护系统、液位安全保护系统、流动安全保护系统、探测报警系统和应急关断系统。关键设备应当设置在线自动监测装置，必要时可设置专家系统，以确定故障的部位、原因、趋势并提出对策。海洋平台、设备及管道系统的腐蚀防护措施一定要有效。

2 海洋平台设施长周期安全运行及事故预防关键技术

2.1 可靠性分析与故障诊断技术

海洋平台承受多种随时间和空间变化的载荷，平台结构极易产生疲劳破坏，甚至出现裂纹、腐蚀等损伤，严重影响结构的承载能力，从而降低系统的可靠性，因此对其进行全寿命周期内可靠性分析非常重要。目前，对平台可靠性分析的研究成果主要集中在通过建立疲劳模型进行分析[3-5]，文献还提出了平台寿命周期内动态可靠性分析的概念，并研究了多种失效模式下的可靠性评估问题，取得了较好的效果。对海洋平台的损伤诊断已越来越受到重视，相关研究也较多，大都采用ANSYS模拟仿真对损伤识别及定位[7-9]，也有基于结构动力学特性变化的损伤诊断[10]。

故障诊断技术主要是针对生产运行中存在的非正常状态采取的一系列措施。非正常状态包括几个阶段：过渡、异常、事故、灾难等。故障诊断与过程监测技术是石油石化行业连续稳定安全生产的有力保障手段之一。文献 [11]对石油石化安全生产深入研究后，将目前诊断技术分为：定量模型方法、定性模型方法和过程历史方法。满永奎教授针对钻井平台发电机组设计了远程故障诊断系统，实现了陆地工作人员对平台发电机组的故障诊断和远程维护[12]。文献 [13]对海洋平台外输泵的故障诊断标准问题进行了研究，提高了诊断的可信度。也有较多文献针对平台设施的腐蚀进行研究[14-15]，并提出了许多有针对性的、长效的腐蚀防护方法和技术，保障了海洋平台的长周期安全运行。

2.2 关键装置风险评估技术

海洋平台上机械设备高度集中，存在大量易燃易爆物质及油气存储设备、输送管道、法兰、阀门等油气泄漏源，且装置大都处于长期连续运行状态，稍有不慎就会造成重大恶性事故。因此，对关键装置进行风险评估并预知危险源，对预防灾害的发生意义重大。风险评估是以将事故率和损失程度减少到最低为目的，对系统或作业中固有的或潜在的危险及其严重程度所进行的分析和评估，并以既定指数、等级或概率等形式做出定量的表示，根据形成事故的风险大小，提出相应的安全措施。

运行装置所面临的风险主要是在事故状态下发生爆炸、着火、泄漏、中毒及其设备损坏等。目前确定设备失效率的方法用的最多的是基于风险的检测 （risk based inspection， RBI） 方法[11]。 RBI追求系统安全性与经济性统一，对系统中固有的或潜在的危险的可能性与后果进行科学分析，给出风险排序，找出薄弱环节，以确保安全和减少运行费用，从而优化检验策略。海洋平台风险评估技术包括：设计阶 段 （HAZOP、PHA）、 施工阶段 （SCL、LEC）、开车阶段、运行阶段、工艺变更等各阶段的风险评估。近年来，相关研究开始针对海洋平台的定量风险评估进行研究[16-17]，以更直观地量化危险源及风险程度，取得了显著成效。

2.3 灾害事故仿真培训系统

“预防为主”是安全生产的原则。然而无论预防措施如何周密，事故和灾害总是难以根本杜绝。为了避免或减少事故和灾害所造成的损失，必须高度重视应急预案的制订。但目前的应急演练主要是照本宣科，这种方式花费较大，不可能进行多次重复演练，更不能对比多种救援方案的后果。因此，开发灾害事故仿真系统软件很有必要。

结合现有专家经验、虚拟现实技术及仿真技术，将装置设备和生产现场 （事故现场）以3D方式真实地再现于电脑上[18-20]，模拟化工系统灾难事故发生发展过程，为灾难应急预案的研究、制订和演练工作提供基础平台，使应急演练科学化、智能化、虚拟化，从而训练各级决策与指挥人员、事故处置人员，发现应急处置过程中存在的问题，检验和评估应急预案可操作性和实用性，提高应急能力，为安全运行培养更多具有专业技能的人才。

3 实例分析

以冀东南堡油田NP1-5平台为例，见图1。该平台位于南堡油田1号构造，设计水深6.1 m，工程主要包括两个井口平台和三个生产平台。

在该项目实施之初，公司就将安全生产放在第一位，从设计源头强调工程的本质安全。采取的主要安全对策和措施如下： （1）优化设计方案，保证系统整体设计科学、合理； （2）平台关键设备的选型优先采用技术成熟、可靠、先进的设备； （3）在可能发生火灾的危险区域，设置火气探测、监控、通风和消防设施，其用电设备和照明均采用防爆型；（4）对关键设备加强监控和保护，如生产电加热器和计量电加热器系统设有温度控制装置以及超温度报警自动关断装置，确保安全运行； （5）设置过程控制系统、紧急关断系统和火气探测系统，对主要装置自动控制，保护设备、人员的安全； （6）配置应急发电机组，以随时应对主电源的失电，保证平台电源供应； （7）通过增加壁厚、选择合适的材料以及进行涂层等办法，对平台管道进行防腐处理；对于海底管道采用牺牲阳极的防腐蚀措施。

另外，在工程建造、安装、生产等各阶段加强安全管理，提高员工的安全意识，严格执行标准和规范的要求，注重细节，强化危险源的识别与防控，制订科学合理的维修与改造计划，保障平台设施的长周期安全运行。

4 结束语

海洋平台设施长周期安全运行是一个系统工程，影响因素较多，如：工况环境、运行时间、设备本身的可靠性及管理水平等。本文主要研究了本质安全及事故预防技术在平台运行中的应用。本质安全设计是安全运行的源头，也是平台长周期安全运行的关键，事故预防是本质安全设计的有效补充，强化对平台设计、过程监控及可靠性分析，才能确保平台安全运行，本质安全及事故预防技术在NP1-5平台上的应用为今后类似工程提供了借鉴。

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Intrinsic Safety and Fault Prevention Technology for Offshore Platforms

CUI Hou-xi（Engineering Design Institute of China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100028,China）,YANG Zhi-hua,YU Xiao-hong,et al.

Based on analyzing factors affecting long-term operation of offshore platform,the intrinsic safety design and fault prevention technique are studied in this paper.Intrinsic safety means reducing or eliminating the potential safety hazard in design phase and taking measures to reduce accident possibility and severity in order to enhance platform operational stability.Fault prevention technique provides safety measures for platform through inspection and diagnosis to analyze platform reliability and assess intrinsic or potential risks.This paper takes NP1-5 platform for example to analyze the successful experience of applying the intrinsic safety and fault prevention technology and it offers reference for future projects.

offshore platform;intrinsic safety;accident prevention;key technology

TE951

B

1001－2206（2011）增刊－0042－03

崔厚玺 （1982-），男，河南商丘人，工程师，2009年毕业于中国石油大学 （北京），现从事海洋平台设备及压力容器设计工作。

2011-08-10