基于风险的检验方法及关键绩效指标法在海洋工程装备中的应用

高 宇， 安 晨， 王义祥 ， 王巍巍， 张振兴

(1. 中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院， 北京 102249； 2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

深水油气开发逐渐成为全球油气开发的重点，海洋工程装备是决定深水油气开发的关键因素。海洋工程装备面临着严酷的海洋环境，需要判断和评估其服役情况。基于风险的检验(Risk-Based Inspection，RBI)方法是一种先进的检测方法，其研究始于30年前[1]，通过计算特定系统的故障概率(PoF)和故障后果(CoF)对每个系统进行风险评估。其中，影响PoF和CoF的关键工艺参数被称为关键绩效指标(Key Performance Indicator，KPI)，KPI是以明确定义和可追溯的方式客观描述被观察对象性能的指标[2]。

1 RBI主要原则

RBI主要原则包括：建立背景、识别危险、计算故障频率、评估后果和计算分析等。RBI的初步和详细分析都须进行以下步骤：风险标准制定、失效概率计算、失效后果评估和检测计划制定。在确定设备风险等级后，根据具体情况制定检测和维修计划，并进行重新评估以达到降低风险、完善计划的目的。RBI方法管理过程如图1所示。

图1 RBI方法管理过程示例

1.1 RBI分析方法

RBI被分为定性和定量两种分析方法[3]，还可分为半定性、常规和动态风险分析方法。本文介绍几种常见的RBI分析方法。

1.1.1 定性风险分析

定性分析是许多行业中常用的不确定性评估方法。根据NWAOHA等[4]研究，定性分析一般依靠专家的主观判断作为输入信息的演绎方法，在此基础上评判相对风险的等级。定性分析被认为是风险分析方法中最快捷、简单的分析方法，因为定性风险分析技术基于科学决策和贝叶斯统计理论。定性风险分析一般通过“彩色指示器”即风险矩阵来表示。图2为一种常见的风险等级矩阵：“红”标记代表高风险，“黄”或“橙”标记代表中等风险，“绿”标记代表低风险。其采用风险分析哲学，即风险是失败概率与失败后果的乘积。

图2 风险等级矩阵

1.1.2 定量风险分析

定量分析是运用数学和计算模型识别、量化潜在事故概率和后果的系统方法。根据MARHAVILAS等[5]研究，定量分析以模拟、试验方法和真实生活信息作为输入参数来进行定量风险评估。与定性风险分析不同，定量风险分析的结果以既定的定量风险接受标准作为基准。这意味着定量风险分析需要大量的数据，因此其结果更加可靠。

1.1.3 半定性风险分析

半定性分析是定量与定性分析的结合。由于定量和定性风险分析都存在一定的局限性，将两者结合可有效弥补其不足。半定性风险分析综合定性法中以图表为基础的模型与定量法的相关知识[6]。BERLE等[7]建议半定性风险分析采用定量技术，然而在研究中他们并未利用概率计算或后果评估的准确数据。半定性风险分析的工具主要有初步危险分析(Preliminary Hazard Analysis，PHA)、失效模式与影响分析(Failure Mode and Effect Analysis，FMEA)、故障模式影响与危害度分析(Fault Mode Effect and Criticality Analysis，FMECA)、危险与可操作性分析(Hazard and Operability study，HAZOP)和基于风险的检验[8]。

1.1.4 常规风险分析和动态风险分析

常规风险分析(Common Risk Analysis，CRA)具有一些无法忽略的缺点[8]，包括无法利用高质量的数据、决策过程存在一定的不确定性、过程较为僵化等。动态风险分析(Dynamic Risk Analysis，DRA)比CRA更灵活，可利用新获得的信息不断更新风险水平。DRA已应用于模拟动态情况和识别事故场景、动态故障树和事件树分析、液化天然气扩散风险评估策略等方面[9]。

1.2 RBI分析工具

1.2.1 检查表

检查表是识别危害和风险的常用工具之一，主要依靠专家的判断和项目中获得的信息，需要回顾以往的数据并进行总结，且较为依赖个人经验，给最终结果带来不确定性，当团队成员不再参与时，需要花费大量的时间回顾和整理所遇到的问题。

1.2.2 HAZOP工具

一般来说，HAZOP与故障树和概率后果矩阵等技术结合，采用半定性风险评估[10]。HAZOP可用于从不同角度评估安全系统的风险。该工具的优点如下：(1)当面临难以量化的风险时，较有帮助；(2)不必为发生的概率和后果的严重性指定数值；(3)与其他风险评估工具相比，相对简单。该工具的主要缺点是无法评估多组件系统中的风险。

1.2.3 FMEA/ FMECA工具

FMEA/EMECA都是常用的风险分析工具。决策者可通过提出可行的方法以降低系统的潜在故障失效概率。这类分析工具将系统分为子系统和组件，识别故障可能的原因和模式，确定当前的解决方案并评估故障产生的影响。对于定量分析来说，风险优先级数RPN由发生概率O、发生严重程度S和检测的难易程度D决定：

RPN=OSD

(1)

在FMEA和FMECA中，存在O、S和D输入数据的主观性质，这是重要的限制之一[11]。有关FMEA的更多细节可参考文献[12-13]。

FMEA起初被称为故障模式、影响和临界分析。FMECA中的“C”则代表各种故障影响的危险程度并对其进行排序，FMECA是一种带有临界性分析的FMEA，且存在多种失效分析水平，然而其没有考虑多种失效的相互作用。因此，很多行业在使用FMEA后并未继续使用FMECA。

1.2.4 故障树

故障树是一种演绎故障分析工具，由安全分析师用来在系统故障或过程中断发生之前识别故障出现的可能原因[14]。故障树分析通过先视故障与系统故障路径之间的逻辑联系产生图形显示。构建故障树的主要步骤包括：(1)系统的定义；(2)顶层故障的定义；(3)顶层故障潜在原因的识别；(4)下一层事件的识别；(5)根本原因的识别；(6)事件概率的赋值；(7)故障树的分析。

1.2.5 BN和Petri网

贝叶斯网络(Bayesian Network，BN)是一个定向图形模型和一个结构化干扰工具，对于处理风险和可靠性决策过程的不确定性，组合来自不同源头的信息以及更新结果非常有用。BN的主要作用是在获得新数据后对系统最终结果的后验概率条件进行建模[15-16]。许多研究人员认为，在液化天然气设施等动态复杂系统的风险分析中，BN是一种合适的、有前途的处理不确定性的工具。

Petri网是一个图形和数学建模工具，适用于动态复杂系统的风险分析，是一种很有前景的工具，可以描述并发、异步、分布式、并行和不确定或随机行为特征的系统。Petri网使用2种类型的节点，即位置和过渡。在Petri网中，系统被图形化地构建为一组条件和事件，其中，位置代表条件，转换代表事件，圆形表示可能包含标记的地方，矩形表示过渡。一个基本事件至一个Petri网的映射[17]如图3所示。

图3 基本事件至Petri网的映射

2 KPI介绍

在海洋石油天然气领域中，通过确定设备的KPI和这些参数何时达到临界值或接近临界水平，便可对设备的完整性进行监测和维护，确保设备正常服役。

2.1 KPI定义

对设备影响较明显的相关参数通常被称为性能指标(Performance Indicator，PI)和KPI，这些指标可以用于优化检查和其他维护活动的需要和优先顺序，以帮助制定经济、快捷的监测和维护方案。PI和KPI是定期评估基于风险检查计划可行性的关键参数。需要以可理解、有意义和可衡量的方式建立PI和KPI。

根据FELDMAN等[18]的研究，有3种指标的衡量方式：

(1) 关键结果指标(Key Result Indicator，KRI)，通常每个月需审查1次；(2) PI，介于KRI与KPI之间，KPI从PI之中选取；(3) KPI，需每天进行检查，其会显著影响设备的服役情况。

2.2 KPI在海洋石油装备中的应用

目前，有关KPI在海洋石油装备中的研究和应用尚未广泛展开，但是其对于分析和衡量设备的变化影响十分有用，可以为延长设备服役寿命的实例奠定基础[19]。在一些早期工作[20]中，基于极端天气、疲劳、腐蚀和意外损坏等危险，开发20个KPI，其目的是保证海上结构的完整性，并通过研究选出8项需要详细检查的指标。

2.2.1 KPI在管道中的应用

根据2013年首发的石油天然气行业关于腐蚀控制的50个KPI[21]，SHERRY[22]结合9个工程实例，对50个KPI的实施进行描述和分析，其所在的CorrMagnet Consulting公司进行一系列如何应用和实施KPI来控制管道腐蚀的研究。在研究中，学者们针对50个KPI进行评估、打分，根据其合理性和重要程度进行分析和选择。

在石油天然气行业，管道的主要失效原因是外部和内部腐蚀，利用KPI进行海底管道的腐蚀管理能改善腐蚀性能报告的管理信息并显著提高成本效益。在QUEEN等[23]研究中，讨论一些可用于测量的腐蚀管理KPI(腐蚀成本、腐蚀抑制等级、设备维护完成)，并且对这些指标作出解释。为减轻碳氢化合物在管道内的威胁，MORSHED[24]研究基于KPI的腐蚀管理策略，选取腐蚀抑制剂注射速率、管内含水量、管道内腐蚀抑制剂残余量作为KPI，并提出KPI应有规定的范围或阈值，与管道外腐蚀相比，内腐蚀更值得关注。

2.2.2 KPI在深水立管中的应用

随着海上油田开发的深入，深水立管组件需要克服更恶劣的环境、复杂油井要求和操作条件不确定性的风险。立管类型主要包括垂直顶部张紧立管(Top Tensioned Riser，TTR)、钢悬链线立管(Steel Catenary Riser，SCR)和挠性立管(Flexible Riser，FR)，他们承受不同类型的载荷，也有着不同的潜在FMEA。

GOLDSMITH等针对TTR和SCR进行监测，获得2种立管的响应数据、环境参数和立管服役的船只响应数据。在此基础上，选取TTR上低应力接头处的加速度、SCR的疲劳应变或加速度、H2S含量、TTR的环空压力、挠性接头的压力和温度、CO2含量等作为KPI。同样地，针对立管的完整性管理，COOK等选取挠性接头上的压力和温度、CO2含量和含水率等作为KPI，建立大型深水立管组合完整性管理的正式流程，并给出针对SCR的KPI示例。

2.2.3 KPI在其他设备中的应用

IANNACCONE等定义1套KPI，以支持液化天然气(LNG)储罐的安全评估，也为安全系统的设计和应急决策提供有效的支持。在该研究中，储罐结构的热致应力、内部压力引起的应力导致相关设计安全裕度的降低和油箱故障时释放的能量被量化并作为KPI。

对于浮式液化天然气生产储卸油装置(FPSO)，腐蚀管理是必要的，其中CO2腐蚀故障是FPSO所有故障事故中的主要部分。在石油天然气的生产中，干燥的CO2气体没有腐蚀性，当CO2气体溶于水后，将促进钢和接触的水相之间的电化学反应，产生H2CO3。

SIMBOLON针对阿尔弗海姆的FPSO，考虑流动效应、压力、温度、流体中的污垢、微生物、CO2、H2S、氯化物、沙砾对侵蚀的影响以及氧气和腐蚀抑制剂多种因素的影响等，进行基于KPI的风险分析，根据腐蚀性能指标确定KPI，并制定腐蚀管理策略。该研究选取H2S分压、CO2含量和燃气温度，并将其作为KPI。

2.3 KPI阈值

对于系统的风险水平监测和评估而言，在确定系统的KPI后，需要明确KPI的阈值，当所确定的KPI数值接近或达到阈值后，采取相应措施。

一般来说，KPI可分为短期KPI和长期KPI。针对长期KPI，可将测量数据与到达警报级别数值进行对比。例如，立管的表面电流数值可以与百年一遇的电流数值进行比较，隔水管顶部张力值与设计的预期张力值进行比较，立管强度的阈值为屈服极限的0.8倍，立管的模拟冲程极限也可作为警报阈值。另外，长期KPI需要对系统的数据进行一定数量的收集。

根据MORSHED[24]的研究，对于1个具有30 d 的月份来说，每天相当于3.3%的合规率，在月底时，合规天数应该相加然后乘以3.3%，得到KPI的月度合规百分比。研究者认为，合规目标水平的数值取决于客户的期望、月平均合规率和工程师的判断。OLABISI[25]指出，腐蚀KPI是一个关键的性能指标，可用于衡量主要腐蚀风险管理策略，提供可靠的预警。

曾有学者从11个性能指标中选取CO2、燃气温度和H2S分压作为KPI，并根据不同的标准制定其阈值。这3个指标对于维护FPSO系统的完整性具有至关重要的作用。虽然其他参数也需要每天测量，但是其对系统故障的影响较小。

3 结 论

风险分析方法的应用和KPI参数的确定有助于事故的预防以及提高海洋石油装备关键系统的安全性和可靠性。本文对风险分析方法和应用进行总结，无论是RBI方法还是KPI都具有一定的研究前景。但目前来看，两者仍存在一些发展瓶颈。

风险评估领域的研究大多针对传统类型的方法，有关动态风险评估的研究相对较少。对于风险分析方法来说，获得高质量的真实数据是进行分析的关键挑战之一。仍有很多风险分析工具值得使用，如马尔科夫链和Petri网。尽管许多学者对KPI进行了大量研究，但是KPI的应用仍存在许多需要进一步研究的地方，如：对于KPI的选取、阈值的确定和KPI的监测方法。目前对于KPI参数的选取大多针对腐蚀损伤，其他失效模式KPI参数的选取需要进一步研究。目前，国内针对KPI的研究仍然较少。

综上所述，RBI方法和KPI的研究仍然存在一些空白，随着研究的不断深入，建立可靠的、具有通用性的RBI分析方法和KPI选取和阈值确定方法是十分重要的。