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使用概念图评估安全案例的学习研究
- 以Piper Alpha事故为例
摘要
1988年的Piper Alpha灾难仍然是历史上最严重的海上石油平台灾难。 167人丧生是由一系列因素造成的，包括人为错误，安全培训不良和安全管理系统不足等。这导致了第一次爆炸，并且导致随后的火灾和更大爆炸的事件，它们提供了一个很好的机会，可以让第一年的工科学生在入门课程中了解安全的重要性。 Piper Alpha平台的事故，已被用作墨尔本大学多年的普通第一年工程学科的案例研究。本文首先介绍平台的背景，1988年7月6日的事件以及可能从灾难中吸取的教训。围绕这个安全案例研究的学习方法，是在课堂上使用概念图进行评估。把材料提交给他们，让他们在后15周的课程准备对460个概念图进行分析，可以深入了解学生如何整合和保留案例研究中的材料。学生们可以很好地回忆灾难的原因以及应该从事件中吸取的后果和教训。
- 介绍
安全教学是任何现代本科工程课程的重要组成部分。 今天，它以某种方式纳入本科课程，是世界上许多专业机构认证的要求，包括美国的ABET（2011），澳大利亚的工程师（2008）和化学工程师学会（2012）。 使用安全案例研究为学生提供导致伤害，死亡或财产损失的真实工程事故，这是加强安全重要性的有效方法。 Shallcross（2013）最近演示了如何在课堂上使用一种引人入胜的互动方式提供重要信息以此研究安全案例。
如果一个讲座专门用于详细介绍一个特定事件作为案例研究，那么如何评估该案例研究的学习内容？ 虽然可以要求学生撰写一篇关于安全案例研究的论文或对该主题进行演示，但本研究建议学生围绕该主题使用概念图来评估和学习。 概念图是通过视觉或图形方式组织信息及其理解方式的方式。 该技术已被其他人用于评估学生围绕可持续发展，基础健康科学，环境科学，医学教育和纳米技术的学习。
在这项研究中，有人提出了一种新方法，通过使用概念图来评估学生在安全案例研究方面的学习。 这种方法，允许对这些地图进行主观评价，揭示出整体以及个体学生的理解到的有用信息。
- 派珀阿尔法灾难
1988年Piper Alpha平台的事故是本研究中使用的案例。 在课堂上向学生们展示的主要元素如下。
图1
2.1海上平台
北海的Piper油田于1973年被发现。覆盖面积为31平方公里，足以保证建造一个32槽的石油生产平台。 Piper Alpha平台于1976年底开始投产，设计吞吐量为40,000立方米/天（每天250,000桶）。 它位于阿伯丁东北193公里处145米深的水中。 后来又建立了Tartan和Claymore石油平台，开采了Piper油田45公里范围内的其他石油。
通过Piper Alpha的32口油井将油、气和水带到地面，在平台上分离。储层流体通过主要生产分离器，工作压力为1.07 MPa。油通过两个增压泵泵送到主要石油输出管线，然后输送到奥克尼群岛的Flotta油码头。从生产分离器产生的水进一步处理，除去最后的痕量油，然后倾倒在平台的侧面。来自分离器的气体通过冷凝物分离罐然后在三个离心压缩机中被压缩至4.65MPa。然后通过两个往复式压缩机将该气体进一步压缩至12.0MPa。从那里，气体从平台输出，用于提升油井中的气体或者输送到流体中。在该过程中各个点从气体中排出的冷凝物先由两个冷凝水增压泵压缩至4.62MPa，然后由两个冷凝水泵压缩至7.58MPa。这些泵将冷凝水注入油中，然后通过管道输送到Flotta（Cullen，1990）。
图1显示了Piper Alpha平台的东立面，与1988年相同。主要生产甲板位于海拔25.5米（84英尺）处。 36个井口和钻井设备位于模块A中，该模块沿东西向穿过钻井平台。该钻机最初具有两个钻井井架，但到1988年，随着钻井计划的完成，其中一个钻井井架被拆除。模块B与模块A分开，模块B包含两个主要的生产分离器，用于分离油，气和水。该模块还包含四个主要的石油输出泵。模块C安装了气体压缩设备 - 两台往复式压缩机和三台离心式压缩机。两个冷凝水喷射泵安装在海拔21米（68英尺）的甲板上的模块C下方。主生产平台上的第四个也是最后一个模块是模块D，其中包含一些实用程序以及电气开关室和过程控制室。主生产甲板上的设备布局如图2所示。
图2
各种其他生产模块位于32frac12;米及以上。 住宿区位于模块D上方的四层。在该区块的顶部，直升机甲板位于海拔53米处。 该平台还配备了两个起重机和四个用于燃烧多余气体的浮子。取决于风向，天然气将通过东部的两个浮子，或者西部的两个浮子。在平台的南面部分包裹着一个隔热罩，使模块A不受扩口产生的热量的影响。
随着周围的Tartan和Claymore油田的发展，Piper Alpha石油平台发现自己成了输送石油和天然气的管网的主要交汇点。 1988年，Piper Alpha周围的石油和天然气管道网络如图3所示。Piper Alpha的气体通过流形压缩平台MCP-01出口到苏格兰大陆的St Fergus天然气终端。天然气通过海床上直径46厘米的管道行进55公里到达MCP-01。来自Tartan石油平台的天然气通过Piper Alpha和MCP-01出口到岸上。还有一条连接到Claymore平台的天然气管道连接线，允许在Claymore油田在没有充足的天然气时从两个平台之间向任一方向输送。平台之间的这些相互连接意味着从海床到主生产甲板有四条主管道或立管。它们是主要的石油出口线，Claymore气体提升管，Tartan气体提升管和MCP-01的天然气出口管线。
2.2 1988年7月6日的事件
1988年7月6日，两台凝结水喷射泵中的一台泵A停止运行，进行了为期24小时的全面预防性维护。在控制室中发出允许工作的许可，以使泵电隔离并允许进气阀和排气阀关闭。与此同时，同时颁发了PSV 504（冷凝水喷射泵A排放侧的压力安全阀）的拆卸和重新开始工作许可证。Piper Alpha上有超过300个压力安全阀，这些必须每18个月重新认证一次。 PSV 504是最后一个需要在本轮工作中重新认证的阀门。已经拆卸的阀门和重新接收的泵与维护计划一致。
PSV 504位于模块C中的冷凝喷射泵上方，靠近主生产甲板上的一个往复式压缩机。直到下午2点，才建立了进行重新接收任务的队伍对PSV 504进行检查。移除减压阀并安装盲板以密封两个管的端部。然后取出PSV 504进行测试，直到下午6点左右，重新开始工作才完成。由于加班工作尚未获得授权，因此决定在第二天之后再重新安装阀门。
阀门接收管理员前往控制系统返还许可证，以便进行阀门重新安装任务。 由于他不确定在任务未完成时返还工作许可证的程序，他在文书工作上写下“SUSP”，暂停，并将许可证放在控制室工作。 他并没有对控制室里的任何人说工作没有完成，而且没有安装阀门。
图3
与此同时，控制中心正在进行轮班交接。 对冷凝水喷射泵A的维护进行了讨论，但是在维修任务的许可证上没有提及重新开发的任务。不确定轮换前后的控制室中的人是否发现了返还的重新接收的工作许可证，但可以肯定的是，在轮换之后的控制室中的任何人都没有意识到冷凝水喷射泵A的排出侧缺少PSV 504。
当晚9点50分左右，冷凝注射泵B跳闸，无法重新启动。 如果两个泵都不能在30分钟内重新启动，则可能需要关闭整个平台。 他们咨询了工作文件的维护许可，并确定泵A的预防性维护工作尚未开始。 泵只是电气隔离，进气管和排气管上的两个阀门关闭。 决定采取预防性维护任务，重新连接泵的电源，打开阀门并重新启动泵A.这是在晚上10点之前完成的。
在通过泵A泵送冷凝水后，控制室立即开始发出气体报警声。 气体探测器记录了模块C中存在的气体。在晚上10点之后几秒钟，气体被点燃，导致爆炸，摧毁了模块C。由于隔离四个模块的墙壁只是防火而不是防爆，所以平台被摧毁得十分严重。模块D控制室的操作人员被扔到房间的另一边，而模块C对气体泄漏做出反应的两名操作人员当场死亡。
在第一次爆炸时，四艘船靠近平台（图4）。MSV Tharos是一艘半潜式舰艇，设计用于灭火和压井。它包括一个有22人应急设施的医院和一个可以延伸出来的舷梯，以便船员从受损的石油平台上登船。距离Piper Alpha仅25米处是MV Lowland Cavalier，这是一条正在进行附近挖沟作业的船只。 MV Silver Pit是一艘改装后的拖网渔船，是Piper Alpha的指定紧急备用船。在第一次爆炸时，距离Piper Alpha有500米。更远的是MV Maersk Cutter，这是一艘配备有消防监视器的补给船，每小时可以排放10,000立方米的水。距离平台大约7公里的是MV Sandhaven另一艘紧急救援船。这些船只中的每艘都配备了快速救援艇，可容纳3名船员和12名幸存者。就在第一次爆炸发生两分钟后，Silver Pit派出了它的快速救援船，这是派珀阿尔法周围几艘搜救幸存者的船只中的第一艘。
图4
在第一次爆炸后，Piper Alpha上的主要照明灯丢失了。 由于紧急水泵未设置为自动，因此水冷却系统不会立即启动。 由于模块D受到的损坏，操作员无法靠近自来水泵使其工作。 因此，控制模块C中的火灾的能力受到严重限制。 一些Piper Alpha工作人员开始向下到达平台的下部，让他们能够快速离开钻井平台。 其他人则在住宿区的厨房里等待直升机救援。 由于火灾的危险，无线电报务员们在发出几次求救信号后放弃了他们的电台。因此，其他平台无法与Piper Alpha沟通，只知道平台上发生了火灾，但并不知道火灾的严重程度。
下午10点20分，格子呢提升管未能释放19公里管道中储存的气体。 这导致了巨大的爆炸，进一步破坏了平台。 尽管存在额外爆炸的风险，但快速救援艇继续在平台周围移动，从水中捡起幸存者。下午10点50分，当通往MCP-01的主要天然气出口立管发生故障时，“Sandhaven”号的快速救援船离平台只有几米远，船上还有四名幸存者。火球滚过水面，站在塔罗斯号甲板上的人被扔了下去(Olley, 1991)。爆炸摧毁了这艘小船，船上除了三名船员中的一名外，其他人全部遇难。到目前为止，已有39名幸存者逃离派珀阿尔法。晚上11点18分，克莱莫尔立管发生故障，不久之后，起居大楼就坠入大海。不到一个小时，平台的北端就完全坍塌了，黎明时分，模块A只剩下一部分露在水面上。
7月那天的晚上，平台上的226人中有165人遇难，只有61人幸存。两名来自 Sandhaven号快速救援船的船员也遇难。
2.3要吸取的教训
灾难发生后立即展开了几项调查，试图查明原因，并吸取可以用来防止类似事件再次发生的经验教训。1988年11月，在卡伦勋爵的领导下，英国政府发起了一项调查，以查明原因。根据幸存者提供的信息、记录和计算机模型，公众调查表明，事故开始于PSV 504被移走后，凝结水从A注水泵排放管线上的盲管泄漏。人们发现，当盲管被安装在管道的末端时，它只是被手指拧紧了。当管道受到压力时，冷凝物泄漏出来，瞬间变成蒸汽，然后聚集在模块C中，直到它形成一个火源(Cullen, 1990)。
卡伦还发现Piper Alpha平台上使用的工作许可系统很差。当天两项单独的工作与凝析油喷射泵有关，即 24个月的预防性维护任务和PSV 504重新认证任务没有相互参考。暂时吊销的PSV 504重新认证工作许可证的退还工作没有正确进行。因此，当泵B在重新启动凝析油喷射泵a时发生故障时，如果操作人员知道阀门没有装好，就不会做出这样的决定。
Cullen(1990)发现消防系统的操作存在问题。四个消防水泵安装在远离控制室的D模块中。他们从平台下的海水中取水，取水口位于海平面以下约40米。每一个入口相距约2米，周围都有保护笼，以防潜水员在突然操作时被吸入。Piper Alpha号上的管理人员已经做出决定，任何时候，只要有潜水员可能会进入平台周围的水域，消防水泵就会进行手动操作。这意味着，在发生1988年7月那样的紧急情况时，操作人员必须亲自走到油泵旁启动油泵。从控制室启动水泵是不可能的。在灾难发生当晚，由于模块D内的损坏，操作员无法到达泵启动它们.Cullen调查还发现，整个平台安装的雨淋系统由于盐水管道和喷嘴头的镀锌钢受到腐蚀的不利影响。尽管盐水与镀锌钢的相互作用可能导致腐蚀和随后形成水垢的可能性已被充分了解，但整个平台上的雨淋系统都是由这种易腐蚀材料制成的。在灾难发生前8周对模块C中的雨淋排放喷嘴头进行常规测试，发现模块内的一半喷嘴头被堵塞并且基本上不起作用。因此，即使消防泵在最初的爆炸后自动启动，雨淋系统在控制第一次火灾方面的效果如何，仍有值得怀疑的地方。派珀阿尔法消防系统的这些主要问题是派珀阿尔法管理失误的直接结果。
Piper Alpha上的安全培训水平没有公司自身政策要求的那么严格(Cullen, 1990)。抵达钻井平台的承包商本应收到安全指引，但后来的公开调查显示，一些承包商从未收到过任何形式的钻井平台安全指示。应急演习本应每周在平台上举行，但记录显示，演习只是偶尔每月举行一次，并且他们应该在星期天的同一时间进行演习。平台的管理没有遵循公司自己的安全培训要求，即使这些要求在其他附近平台上得到了很大程度的遵守。
管理层缺少对灾难的应急措施。派珀阿尔法号上的工作人员和承包商最初接到指示，要在停机坪等待直升机救援，尽管很明显，由于平台上的高温和滚滚黑烟，这种救援是不可能的。公众调查发现，如果平台管理人员在灾难发生后的第一个小时内命令船员离开住宿区，很有可能会有更多的人幸存下来。结果，81具尸体在事故发生几个月后从海底打捞上来时被发现。在下午10点发生爆炸和火灾后，其他钻井平台没有立即决定停止向Piper Alpha输送天然气。如果已经开始对输气管道减压，那么当立管失效时发生的爆炸程度可能已经在一定程度上降低了。平台上的高级管理人员没有接受
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