【海洋工程管道专题】| 基于Bow-Tie-LOPA的海洋动态柔性立管风险评估研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

海洋动态柔性立管是连接海底生产系统与水面浮式装置的关键输送装备，采用骨架层、内衬层、抗压铠装层、耐磨层、抗拉铠装层及外包覆层等多层梯度化复合结构，长期服役于高压、强腐蚀、交变动载荷的深海极端环境之中。一旦失效，不仅会引发油气泄漏和严重的海洋生态污染，还将造成生产中断、巨大经济损失乃至人员伤亡，因此其风险评估具有突出的现实意义。然而，柔性立管实际运行中常处于波浪载荷、腐蚀、外部冲击等多元因素叠加耦合的复杂工况，风险呈动态演化并伴随高度不确定性。现有研究多采用有限元分析、模糊综合评价、层次分析、贝叶斯网络、故障树等方法，主要聚焦于结构响应分析、失效模式识别与风险概率推断，较少系统评估防护措施本身的响应能力及其在多级干预下的整体拦截效果，难以支撑多元耦合环境下的风险控制决策。针对这一短板，本研究提出一种融合蝴蝶结模型与保护层分析的BT-LOPA风险评估方法，旨在实现复杂工况下海洋柔性立管从"风险多路径识别"到"防护有效性量化"的贯通式评估，为工程安全评估与优化设计提供可靠工具。

二、研究方法

BT-LOPA方法以Bow-Tie因果链为基础、以LOPA多级保护层为核心，并引入模糊推理机制处理不确定性，整体流程包括四个关键环节。一是风险事件识别与因果建模： 以"动态柔性立管失效"为顶事件自顶向下推理，结合立管物理构造与受载特点设置7个中间事件（涵盖外包覆层、抗拉铠装层、抗压铠装层、内衬层、骨架层、辅助设施和接头等关键单元），参考专家意见、历史数据与文献识别出18个代表性基本事件，将故障树转化为Bow-Tie结构，左侧刻画致因与预防措施、右侧刻画控制措施与事故后果。二是模糊信息处理与失效概率量化： 采用很低、低、中、高、很高五级语言变量，邀请3位领域专家以不等权重（0.40、0.35、0.25）进行语义评估，通过三角模糊数与梯形模糊数构建混合隶属函数，并引入左右模糊排序法完成去模糊化，将语言判断转化为可用于计算的模糊失效概率。三是关键性分析与风险矩阵筛选： 通过临界重要度分析衡量各基本事件对顶事件的影响权重，结合精细划分的5级发生概率等级与兼顾环境生态影响、全生命周期经济成本、应急维修成本的5级后果等级，构建四维风险等级（Ⅰ低、Ⅱ中、Ⅲ中高、Ⅳ高）的可视化风险矩阵，筛选高风险事件。四是LOPA保护层定量评估： 针对筛选出的高风险事件，验证各保护层（如材料升级、实时应力监测、定期检验、阴极保护、腐蚀抑制剂、压力监控等独立保护层IPL）的独立性以规避共因失效，按初始事件频率与各独立保护层失效概率连乘的方式逐级修正，计算残余风险频率并与可接受阈值比对，判定风险是否处于可接受水平。

三、研究结果

以海洋动态柔性立管系统为对象的实例分析表明：在识别出的18个风险事件中，结合发生概率等级与后果等级，X1外包覆层破损、X2压溃、X11裂纹扩展、X13腐蚀疲劳、X18环空浸水等事件被初步识别为高风险事件，代表系统在无控制措施下的固有风险水平。在5个典型高风险事件案例中，BT-LOPA通过多层级建模显著削减了后果发生频率——多数事件在原始频率基础上下降1～2个数量级，其中X1外包覆层破损和X13腐蚀疲劳的降幅超过3个数量级，显著优于无干预状态。经保护层削减后，X1、X2、X13、X18的残余频率均低于可接受阈值2.5×10⁻⁴（如X1降至2.80×10⁻⁷、X13降至1.13×10⁻⁷），达到可接受风险水平；唯独X11裂纹扩展经减缓后频率为3.97×10⁻⁴，仍高于阈值，说明当前依赖定期检验的控制手段不足以将其风险降至容许范围，需增设更高效的安全防护措施。

四、研究结论

研究证实：BT-LOPA方法能够有效处理模糊性强、结构复杂的风险信息，实现风险事件的结构化建模与定量评估，增强了模型的工程适应性与评估精度；通过对事故场景发生概率的修正分析，可明确现有保护层的实际效能，有助于优化安全冗余设计、完善风险管控策略，提升系统整体风险管理能力；实例结果显示多数高风险事件经防护后已控制在可接受范围内，但个别事件（如裂纹扩展）仍需强化保护手段，凸显了该方法在路径识别、保护层配置与残余风险判定方面的实际适用性与控制能力。研究成果为海洋动态柔性立管系统的安全评估与防控机制优化提供了理论支撑与技术路径。研究亦指出模型局限：模糊数上下限取值主要基于经验设定、尚缺系统敏感性分析，且保护层配置部分依赖假设、共因失效未系统建模，未来可结合现场数据积累进一步开展参数敏感性与共因失效分析，以增强评估结果的可靠性与适用性。

一句话推广语：本文创新构建BT-LOPA风险评估模型，将蝴蝶结多路径因果识别、左右模糊排序去模糊化与LOPA保护层量化融为一体，实现海洋动态柔性立管"风险识别—防护评估—余险判定"全链条贯通，为深海柔性立管的安全评估与优化设计提供了一套结构清晰、建模简便、工程可落地的量化评估新范式。

相关图表

本文引用格式：许文兵, 郎一鸣, 胡春红, 等. 基于Bow-Tie-LOPA的海洋动态柔性立管风险评估研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(5): 14-27.  (XU Wenbing, LANG Yiming, HU Chunhong, et al. Risk assessment of marine dynamic flexible riser based on Bow-Tie-LOPA[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(5): 14-27.  (in Chinese)）

作者简介：   

许文兵（1972—），男，浙江台州人，教授级高级工程师，主要从事海洋石油工程项目管理工作。E-mail： xuwb@cnooc.com.cn

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