安全冗余<br/>——海洋石油安全保障的根本原则

安全冗余
——海洋石油安全保障的根本原则

2021-03-24中国石化胜利油田张建波

现代职业安全 2021年12期

中国石化胜利油田张建波｜文、图

随着海洋石油勘探开发的不断发展,海洋石油作业的安全越来越受到重视，本文分析了安全冗余概念在海上石油工程各技术领域应用情况,重点讨论了在海上安全监管、海工设计、海上生产中安全冗余的含义、安全冗余设计方法以及应用安全冗余进行安全评定的方法。通过对安全冗余应用情况分析,表明安全冗余已经成为海上石油工程安全的根本原则,应广泛受到海洋石油安全技术工作者和管理人员的高度重视。

什么是冗余

冗余，指多余的，累赘的，没有必要的物质或措施。在安全技术领域，“冗余”并非贬义，而是稳定与安全的另一代名词。所谓冗余，就是留有充分的余量。显然，就保障国家财产和人员生命安全的意义上来说，冗余总是越多越好。

所谓“安全冗余”，通常指通过多重备份来增加系统的可靠性，在海上电力系统中线路双重保护属于设备性冗余，保障电网安全，倒闸操作双监护是通过制度性冗余来保障人身安全。由此形成的冗余性安全理论，就是基于安全生产实际进行分析、管控而制定双重甚至多重措施预防事故发生的一种安全理念。

在海上石油生产系统中的冗余，指重复配置系统的一些部件，当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间。

安全冗余在海洋石油安全保障中的应用

安全冗余技术是海上石油安全对策中的一个基本方法和原则。体现在管理冗余、性能冗余、数量冗余三个方面。

管理冗余

1.机构冗余

(1)企业安全管理机构和管理人员

《安全生产法》对安全风险较大的生产经营单位，要求成立专门的安全组织机构，配备一定数量的专职或者兼职的安全生产管理人员，或者委托具有国家规定的相关专业技术资格的工程技术人员提供安全生产管理服务。

以中国石化胜利油田为例，在油田层设有安全环保处，设置有海洋安全环保科，负责油田整个海上石油安全环保管理，各涉海二级单位，都设置安全环保科，配备专职安全管理人员，生产单位基层配备专职安全员，海上平台设安全监督。同时，海上生产单位每个岗位都赋予安全职责，形成全员安全管理的格局。关键要害部位，单位“一把手”亲自承包，负责安全监督检查。

(2)安全检测检验机构——技术支撑

原国家安监总局至今共批准了发证检验机构6 个，专业设备检测机构12 个，此外，还有国内相关科研院所和大学也参与海洋石油设施的安全评估和技术咨询，从第三方的角度提供海上设施的安全技术支撑。这方面的典型机构有中国石化海上石油工程技术检验有限公司、中国船级社、上海交通大学、国家海洋局海洋一所等。

2.岗位冗余

在海上石油生产设施上的关键安全生产岗位，一般由两人以上值守。特殊情况下，领导干部亲自带班。可有效减少和避免人员因疲劳和判断等造成的操作失误，保证安全生产。

3.措施冗余

为确保海上石油作业安全，在进行安全管理时，应考虑设置多道保护措施，即使发生有一、二道保护措施失效，还有冗余的保护措施可以控制事故。

（1）安全标准、安全操作规程冗余：在海上石油标准的制修定方面，除国标（GB）、安全（AQ）和行业标准外，各涉海企业均制定企业标准，如胜利油田根据自身实际，制定了多项涉海企业标准。在标准的具体条款中，均针对海上作业各个专业过程提出了安全要求。如原国家经贸委发布的《海上固定平台安全规则》，石油天然气行业标准SY 5747—2008《浅（滩）海钢质固定平台安全规则》等。

（2）保障冗余：在安全生产保障方面，配备充足的安全保障物资，应急装备资源。对于重点部位的安全生产物资配备，均有非常充分的物资储备。例如海上平台配备安全守护船舶；滩海陆岸设施设置应急值班车辆，作业现场配备足够冗余的劳动保护用品，配备满足标准要求数量的消防器材、空气呼吸器等。

（3）安全资金冗余：生产经营单位必须安排适当资金，用于改善安全设施，更新安全技术装备、器材、仪器、仪表以及其他安全生产投入，以保证生产经营单位达到法律、法规、标准规定的安全生产条件。

（4）维修保养、检验检测冗余：一些海上石油的国际先进企业，应用资产完整性管理、RBI 基于风险的检验技术等，对于关键设施、高风险设施、年限较长设施，一般采取加大维修保养、检验检测的频次、进行专项评估、提高验收标准等级等措施。例如对于超期服役海洋钻井平台，胜利油田采取年度检验、特别定期检验，专业设备检测等手段之外，还进行专项安全评估，来确保这些设施的安全。

平台管网现场检验

4.操作冗余

（1）连续生产作业单位检查，增加对生产岗位的检查频次，岗位员工缩短巡检间隔。

（2）设备监控：对关键要害部位、危险区等，可设计自动监控报警和手动报警两种方式。例如人员在现场发现火灾的紧急情况下，如果自动报警装置失灵，未发出报警信号，人员可以通过手动报警开关实现报警。

性能冗余

在设计阶段从设施设备的本质安全方面，实现其各种性能的冗余。

1.安全系数

安全系数是海上石油工程中的水工建筑物、结构或构件的抗破坏强度与设计荷载效应组合的比值，它是建筑物、结构或构件的安全储备的指标。《海上固定平台安全规则》规定：对于管节点和其他连接,应进行疲劳分析。疲劳设计寿命应至少是结构工作寿命的两倍。对于简易平台结构, 应根据结构的冗余程度, 合理地考虑其结构构件和结构系统的强度储备。

此外，在设计阶段，选取高性能等级的材料，也是提高设施设备安全冗余的措施之一。例如在低温作业海域，要求海上平台结构在低温环境条件下，保持足够的强度，具有抗冰荷载的能力，这就要求采用低温性能良好的高等级钢材。

2.腐蚀裕量

在压力容器和钢结构设计中，为防止容器受压元件和结构本体由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量，有均匀腐蚀或磨损的元件，应根据预期的设计使用年限和介质对金属材料的腐蚀速率（及磨损速率）确定腐蚀余量。

3.设备正常性能冗余

海上石油作业的安全，很大程度上取决于海上关键设备的本质安全。

（1）发电机。首先，应急发电机组应能在使用的最低环境温度下易于冷机启动。如不具备这种能力，应装设辅助预热装置，以保证机组的冷机启动性能。其次，自动启动的应急发电机组应设有启动装置,配备至少能供6 次连续启动的能源。此外, 宜配备在30 分钟内能启动三次的第二能源。最后，应急发电机组的柴油机应有独立的冷却装置和燃油供给系统。

（2）消防系统平台。一是应根据消防防护处所的火灾性质和危险程度, 按所用规范、标准有选择地装设水消防系统、泡沫灭火系统、气体灭火系统、干粉灭火系统等固定式灭火系统。二是至少须配备两台由不同动力源驱动的消防泵,自动灭火系统的设计流量应按其中设计流量最大的一种系统确定，多种消防系统的设计总流量应按其中消防总流量最大的一个防护对象和防护区确定，一个防护区的总流量应为其中的消火栓、自动灭火、水幕系统流量之和。三是消防泵的数量规范要求至少2 台，一用一备，尽量远离。

（3）通风装置。根据规范，封闭的危险处所应设置有效的通风设备, 以使其可燃气体浓度降至安全范围之内。

（4）起重机。在海洋石油平台上，起重机的工作覆盖面应能满足需要, 应尽可能避免死角能力。一是静态制动应能刹住1.5 倍的额定起升力矩;二是动态制动应能平稳地制动以最大速度下降的110%的安全工作负荷；三是变幅机构应能在设计的最小和最大吊臂角度范围内支承吊臂并承受110%的安全工作负荷。此外，规范还规定起重机应设有超负荷保护，超负荷保护应调整在不超过100%安全工作负荷时动作。

（5）海上管道、压力容器。除了在管道、压力容器本体强度中考虑足够的强度冗余外，在管道、容器的安全附件方面，也要设置冗余的安全阀、液位计、压力表、高低压报警及应急关断等安全设备。长距离海底油气输送管道用双层钢管，两层管间填充保温材料。一旦内管发生破裂穿孔，原油也不会立即泄漏到环境中造成污染事故，起到安全冗余的保护作用。

（6）液压升降装置。海洋钻井平台上的液压装置应具有足够容量, 保证以其作为动力的执行机构能完成预定的功能。为保证液压装置在限定的时间内, 向执行机构供应所需压力和流量的驱动液, 液压装置应设有满足容量和压力要求的液压动力源。液压装置的原动机可为电动机或气马达。当原动机为电动机时，宜由双电源供电；当原动机为气马达时，宜由二路供气，其中一路为备用压缩机组。

（7）电气设备。首先，在电气设备的适用条件上要求冗余：平台所在海区最高和最低环境温度、平台作业所产生的振动和冲击等。其次，供电线路上冗余，海上平台一般要求设置双路供。

对于主电源，规范要求：采用发电机组作为主电源时, 其台数和容量应满足平台主要负荷用电需要外, 还应设置备用发电机。若无备用发电机，其中最大容量的一台发电机损坏或停止工作时, 应满足安全生产和生活的需要。同时，平台上应设有独立的应急电源及配套的应急配电系统。

（8）防火结构。对平台上不同处所，设置不同的“A”或“B”级分隔。以防止或延缓火灾蔓延对平台整体造成损害。

（9）操作空间。例如平台上管道阀门的布设，需要留有比较充裕的现场操作空间。换热器的布置，需要考虑为检修时管程的抽取和法兰的拆卸预留冗余的操作空间等。

备份（数量冗余）

海上石油作业因为风险大，作业空间狭小，逃生救援困难，因此对人员逃生救生方面设置的冗余度比较大。一是平台配备的救生艇应设置在平台左右两侧，每一侧应能容纳其总人数。平台应配备数量为其总人数210%的救生衣。二是平台生活区应设置人员通道, 各通道的最小净宽一般不小于1 米，生活区内不允许设置长度超过7 米而一端不通的走廊。生活区每层甲板应根据居住人数、生活和逃生需要设置至少两个扶梯，至少应设有两个尽可能远离的、便于到达露天甲板和登艇甲板的脱险通道。甲板上的封闭机器处所一般应设两个向外开的门, 并至少有两条与甲板脱险通道相通的脱险通道。在海上油气作业时，也要求配备足够数量的应急守护船舶。

冗余的管理

根据上述分析，对于安全冗余的应用，应有以下原则：

分级设置冗余度

对于经过风险分析评价，认为存在重大风险，发生事故的后果严重，发生频率可能性较高的海上石油设施，设计时要设置较高的安全冗余度。例如：海上有人驻守的井组平台，是海上生产作业的主要载体，一旦发生结构倾覆、倒塌，将会导致重大人员伤亡、财产损失以及环境污染，所以在设计中，各方面都设计比较高的冗余度。此外，在消防、救生等设备的设计上，也设置较高的冗余，确保人员安全。

对于经过风险分析，确定风险程度相对较低的设施设备，则可以设置适当的安全冗余度。例如《海上固定平台安全规则》中规定：在安全分析的基础上经安全办公室批准，无人驻守的简易平台可以不设置水消防等固定式灭火系统。设置灭火器材和国际通岸接头。无人驻守的简易平台可以不设置探测报警系统。登上平台的人员携带手提式可燃气体探测器。

对于不设消防泵的无人驻守的简易平台, 应在井口区设置雨淋系统(干管)或其他消防水管网, 当移动式钻井/修井平台连靠在本平台进行钻井和修井作业时, 将上述(干管)管网与移动平台的消防水总管相连通, 利用移动平台的消防水系统保护本平台。无人驻守平台上可不设救生艇装置。

不能无限度冗余，确保冗余可控

虽然海上石油作业风险高，但也应当保持适当的安全冗余，不能无限度的安全冗余。否则就会增加企业海上安全管理难度和经济负担，得不偿失。这就需要海上石油作业企业认真做好设计阶段的安全专篇，合理、高效保证设施安全。

利用安全冗余原则进行安全评定。在安全评价评估中，很多情况下需要判断设施的安全措施是否足够，在标准规范有明确要求的情况下可以容易判定，但在标准规范没有明确规定的情况下，就需要应用安全冗余原则进行判定，即：系统采取的安全措施必须设置一定的冗余。

安全冗余管理的目标

根据海洋生产设施安全设计的基本要求和制定安全技术措施的基本原则，为了实现设施的本质安全，可以从3 方面入手：

（1）设计阶段。采用比设计寿命长的重现期环境条件。例如：海洋工程一般采油重现期50 年以上一遇的环境条件。采用技术措施来消除危险，使人不可能接触或接近危险区，如在设计中对危险区内电气设备选用防爆型；将危险区安全封闭；采用安全阀、自动报警等安全装置；设计较高的结构安全系数，采用高等级材料，实现机械化和自动化等；这些都是设计阶段应该解决的，从而确保设施本质化安全，通过设备本质化安全来减少或管控人员失误造成的隐患或事故。

（2）操作阶段。在海上油气生产过程中，保证所有设施、设备的正常运转是保证日常生产活动顺利进行的前提条件。对于海上油气生产这种高风险行业，每一个小的疏漏都可能导致致命的结果。所以在日常生产过程中，工作人员要优先对设施设备进行定期检查，定期进行检验检测，以保证设施设备的正常运转，如果因为没有定期检查而引发一系列问题，将造成严重后果。平台工作人员要建立资产完整性管理体制，进行RBI 检验（基于风险的检验），有计划地维护保养和预防性维修制度。采用故障诊断技术，对运行中的设备进行状态监测，避免或及早发现设备故障。对安全装置进行定期检查，保证安全装置始终处于可靠和待用状态；提供必要的个人防护用品等。

（3）管理措施。平台要设置足够的安全管理机构和岗位人员，制定提供有关设备危险性的标准、安全操作规程、维修安全手册等技术文件。加强对操作人员的教育和培训，加强应急演练，提高工人发现危险和处理紧急情况的能力。

上述3 方面中，设计阶段所应采取的措施是主要的，操作和管理的措施只是补充。