張波,李向陽(yáng),董彩常

(1.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所,山東青島266071; 2.中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司,北京100081)

艦船海水管路腐蝕狀態(tài)評(píng)估技術(shù)研究

張波1,李向陽(yáng)2,董彩常1

(1.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所,山東青島266071; 2.中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司,北京100081)

目的研究建立艦船海水管路的腐蝕狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系及評(píng)估方法。方法通過經(jīng)驗(yàn)選擇影響艦船海水管路腐蝕狀態(tài)的重要指標(biāo),并確定相應(yīng)評(píng)估方法、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重。結(jié)果選擇管材腐蝕程度、陰極保護(hù)狀態(tài)、電絕緣保護(hù)狀態(tài)、海水流速控制狀態(tài)、密封材料密封狀態(tài)5項(xiàng)參數(shù)組成海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系。結(jié)論可選用層次-模糊法對(duì)海水管路腐蝕狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,其中層次分析法(AHP)用來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,模糊綜合評(píng)判法用來處理評(píng)價(jià)指標(biāo)值。

艦船;海水管路;評(píng)估;腐蝕

腐蝕不僅會(huì)大大縮短艦船海水管路服役壽命,降低在航率,而且直接影響艦船技戰(zhàn)術(shù)性能的發(fā)揮,甚至對(duì)艦船使用安全造成嚴(yán)重威脅。海軍艦船在航行時(shí)如果因?yàn)楹Ｋ苈犯g出現(xiàn)故障,不僅會(huì)影響艦船的軍事使用性能,而且還有可能造成艦員的傷亡。因此,對(duì)艦船海水管路的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,客觀地反映其安全性、可用性與耐久性,提前做預(yù)防性的工作,就會(huì)大大降低腐蝕事故的發(fā)生。

通過開展艦船海水管路腐蝕狀態(tài)評(píng)估技術(shù)研究,建立艦船海水管路的腐蝕狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系,并進(jìn)行評(píng)估方法研究,旨在為海軍在役艦船海水管路的檢測(cè)維修提供技術(shù)支持,對(duì)于保證海軍艦船的安全性和戰(zhàn)斗力具有十分重要的意義。

1 典型研究方法的對(duì)比

1.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是美國(guó)匹茲堡大學(xué)教授T.L.Saaty于20世紀(jì)70年代初提出的一種分析問題的方法。它的提出背景是1971年Saaty為美國(guó)國(guó)防部搞的“應(yīng)急計(jì)劃”、1972年為美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)研究電力分配問題和1973年為蘇丹政府搞的運(yùn)輸計(jì)劃。該方法的特點(diǎn)是定性定量相結(jié)合。目前,AHP已成為綜合評(píng)價(jià)問題研究中應(yīng)用最為廣泛的定權(quán)方法之一[1—2]。

AHP法計(jì)算的結(jié)果最終是一組權(quán)系數(shù)或相對(duì)排序。作為權(quán)系數(shù),可以直接代入模型用于計(jì)算,例如“加權(quán)和”等模型中的權(quán)系數(shù);作為方案間的相對(duì)排序,其本身就可用于決策。

AHP法的求解思路是:將復(fù)雜問題分解為各組成因素,將這些因素按支配關(guān)系分組以形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu),通過對(duì)各因素兩兩比較重要性的方式確定每一層次中因素的相對(duì)重要性,然后在遞階的層次結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行合成,得到最底層因素相對(duì)于目標(biāo)重要性的總順序。

1.2 質(zhì)量功能展開法

質(zhì)量功能展開(Quality Function Deployment, QFD)是一種結(jié)構(gòu)化的需求分析方法,目前國(guó)內(nèi)外許多研究中也將該方法用于評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定。該方法通過質(zhì)量屋(House of Quality,HOQ)可以建立用戶需求與評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系,量化得出評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要度,分析結(jié)果清晰直觀、可追溯,突出了裝備用戶需求對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的牽引作用[3—4]。

QFD這一概念由日本質(zhì)量專家赤尾洋二1966年首次提出,目的是為了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就確定出制造過程中的質(zhì)量控制要點(diǎn),減少生產(chǎn)初期錯(cuò)誤的發(fā)生。通過該方法,用戶需求可以被轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品開發(fā)過程中各階段的技術(shù)要求,并確定出決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)特性,從而為產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體實(shí)施指出方向。

1.3 逼近理想解法

逼近理想解法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)是解決多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的常用方法之一[5—6]。設(shè)一個(gè)多目標(biāo)評(píng)估問題的備選方案集為X={x1,x2,…,xm},衡量方案優(yōu)劣的屬性向量為Y={y1,y2,…,yn}。這時(shí)方案集X中每個(gè)方案xi(i=1,…,m)的n個(gè)屬性值構(gòu)成向量Yi={yi1,yi2,…,yin}作為n維空間中的一個(gè)點(diǎn),它能惟一地表征方案Xi。TOPSIS通過構(gòu)造出備選方案中的最優(yōu)方案和最劣方案(也就是正、負(fù)理想解),分別計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案和最劣方案之間的距離,獲得各評(píng)價(jià)方案與最優(yōu)方案的相對(duì)接近程度,以此作為評(píng)價(jià)方案優(yōu)劣的依據(jù)。

1.4 模糊綜合評(píng)判法

模糊綜合評(píng)判(Fuzzy Comprehensive Evaluation, FCE)法是模糊數(shù)學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)十分重要的分支。模糊數(shù)學(xué)是1965年由美國(guó)著名控制論專家L.A. Zadeh創(chuàng)立,它用數(shù)學(xué)方法研究和處理具有模糊性的現(xiàn)象。模糊性是人類思維的特點(diǎn)之一,模糊集合論是處理模糊現(xiàn)象的有效工具,而評(píng)價(jià)是人對(duì)事物的一種看法,思維的本質(zhì)決定了其帶有模糊的性質(zhì),因而模糊數(shù)學(xué)方法在系統(tǒng)評(píng)價(jià)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)評(píng)價(jià)涉及多指標(biāo)的事物時(shí),可以利用模糊集合輪對(duì)某一事物的各指標(biāo)實(shí)現(xiàn)程度進(jìn)行綜合,然后根據(jù)給定的標(biāo)準(zhǔn),得出綜合評(píng)定性意見[7—9]。

1.5 幾種典型方法的對(duì)比分析

對(duì)上述幾種綜合評(píng)估方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及用途進(jìn)行歸納與總結(jié),見表1。

表1 典型評(píng)估方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of the advantages and disadvantages of typical evaluation methods

2 評(píng)估指標(biāo)的選擇

由系統(tǒng)評(píng)估的基本步驟可知,要評(píng)估海水管路系統(tǒng)的腐蝕狀態(tài),第一步工作就是對(duì)海水管路系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的分析,科學(xué)、合理地選取評(píng)估指標(biāo)。一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),從不同角度評(píng)估,有不同的評(píng)估指標(biāo),要確定其指標(biāo)就需要進(jìn)行整理、分類和綜合。確定評(píng)估指標(biāo)體系時(shí)一般應(yīng)遵循的原則有一下幾點(diǎn)。

1)目的性原則。選定指標(biāo)是為了反映評(píng)估對(duì)象,因此所有指標(biāo)都應(yīng)具有較強(qiáng)的目的性,是為了反映系統(tǒng)的安全性。

2)可行性和實(shí)用性原則。指標(biāo)體系的設(shè)定要具有可操作性和實(shí)用性,要考慮到評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)收集時(shí)、綜合評(píng)估模型使用時(shí)的方便、快捷。

3)實(shí)效性原則。所選指標(biāo)不僅要能夠反映一定時(shí)期內(nèi)系統(tǒng)安全性變化,而且要具有適時(shí)性,在指標(biāo)容易發(fā)生變化時(shí)也能適用。

4)系統(tǒng)性原則。系統(tǒng)論的觀點(diǎn)就是指應(yīng)把事故當(dāng)作一個(gè)整體或系統(tǒng)來加以考慮,因此,評(píng)估的指標(biāo)應(yīng)廣泛、系統(tǒng),能充分反映評(píng)估對(duì)象的優(yōu)劣水平。

5)定性和定量相結(jié)合原則。根據(jù)上述原則,確定評(píng)估指標(biāo)時(shí)采用定性分析并借助于專家調(diào)查的手段[10—12]。因?yàn)橘Y深專家有著一定的理論水平和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),他們是最有發(fā)言權(quán)的,他們認(rèn)為對(duì)海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)影響大的一些因素對(duì)確定評(píng)估指標(biāo)是有著極大的參考價(jià)值,甚至起著決定性的作用。

在綜合考慮以上幾個(gè)方面的基礎(chǔ)上,經(jīng)過一定的調(diào)查研究分析,對(duì)影響艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)的諸多方面進(jìn)行必要的篩選,加以合理歸納整理,選取了對(duì)海水管路系統(tǒng)防腐狀態(tài)有直接影響的要素[13—16],也就是評(píng)估指標(biāo),包括:材質(zhì)腐蝕程度、陰極保護(hù)狀態(tài)、電絕緣保護(hù)狀態(tài)、管路海水流速控制狀態(tài)、管路密封材料密封狀態(tài)等。

3 評(píng)估指標(biāo)體系的建立

根據(jù)艦船海水管路的腐蝕狀態(tài)特征,選用層次-模糊法對(duì)海水管路的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,其中層次分析法用來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,模糊綜合評(píng)判法用來處理評(píng)價(jià)指標(biāo)值。這兩種方法都是應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的綜合評(píng)估方法。

1)評(píng)估指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定。為了進(jìn)行評(píng)價(jià),在確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)后,還需要確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。按照科學(xué)性、合理性以及符合人們思維判讀習(xí)慣的原則,將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按照對(duì)艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)影響的程度分為4個(gè)等級(jí):A,B,C,D。各等級(jí)得分分別對(duì)應(yīng)為90,70,50,30。對(duì)于定量指標(biāo),通過指標(biāo)的參數(shù)值進(jìn)行量化考核,對(duì)于無法直接量化考核與評(píng)定的定性指標(biāo),確定出相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)便于打分。海水管路系統(tǒng)防腐狀態(tài)在材質(zhì)腐蝕程度、陰極保護(hù)狀態(tài)、電絕緣保護(hù)狀態(tài)、海水流速控制狀態(tài)和密封材料密封狀態(tài)等5方面的等級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)見表2。

2)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定。首先,根據(jù)艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)造權(quán)重集,各指標(biāo)權(quán)重集wb=(wb1,wb2,wb3,……);其次,構(gòu)造評(píng)判矩陣,并求解出判斷矩陣的特征向量。根據(jù)專家調(diào)查問卷,計(jì)算所有專家個(gè)體判斷矩陣中每一信息元素的算術(shù)平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差,剔除超過算術(shù)平均數(shù)2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以外的個(gè)體判斷信息,然后再次計(jì)算算術(shù)平均數(shù),得到各級(jí)判斷矩陣。通過矩陣計(jì)算得到判斷矩陣的最大特征根及其對(duì)應(yīng)的特征向量。計(jì)算得到判斷矩陣最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量wb1=0.30,wb2=0.15,wb3=0.20,wb4=0.20,wb5=0.15。然后,計(jì)算一致性指標(biāo),對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

表2 評(píng)估指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation grading standard of evaluation index

3)艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)評(píng)估。根據(jù)艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)檢測(cè)結(jié)果,參照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)腐蝕狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行打分。打分可以邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)相關(guān)專家進(jìn)行,對(duì)打分結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)表可見表3。

表3 專家打分統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of score given by experts

根據(jù)專家打分表確定各因素的隸屬于A,B,C和D的模糊隸屬度,通過向量運(yùn)算做模糊綜合評(píng)判,可以得到艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)評(píng)估結(jié)果。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果劃分艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)等級(jí)。

1)A:90～100,表明目前防腐狀態(tài)很好,可以滿足使用要求;

2)B:70～90,表明目前防腐狀態(tài)較好,可以滿足使用要求,但存在個(gè)別問題需要注意;

3)C:50～70,表明目前防腐狀態(tài)較差,存在不少問題,需進(jìn)行處理后才可滿足使用要求;

4)D:30～50,表明目前防腐狀態(tài)很差,存在很多問題,不能滿足使用要求。

根據(jù)以上綜合評(píng)估結(jié)果,可以對(duì)艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)進(jìn)行總體評(píng)估。根據(jù)評(píng)估結(jié)果,發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)和存在問題,提出有關(guān)建議,以指導(dǎo)艦船海水管路系統(tǒng)防腐措施的改進(jìn)和優(yōu)化。

4 結(jié)論

在對(duì)評(píng)估技術(shù)和方法綜合分析的基礎(chǔ)上,通過建立艦船海水管路的腐蝕狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系,并開展海水管路腐蝕狀態(tài)評(píng)估技術(shù)研究,得到以下結(jié)論。

1)通過綜合分析合理選取了海水管路系統(tǒng)防腐狀態(tài)評(píng)估指標(biāo):材質(zhì)腐蝕程度、陰極保護(hù)狀態(tài)、電絕緣保護(hù)狀態(tài)、管路海水流速控制狀態(tài)、管路密封材料密封狀態(tài);

2)選用層次-模糊法對(duì)海水管路的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估,其中層次分析法用來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,模糊綜合評(píng)判法用來處理評(píng)價(jià)指標(biāo)值。

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Research on Evaluation Technology for Corrosion State of Seawater Piping of Warship

ZHANG Bo1,LI Xiang-yang2,DONG Cai-chang1

(1.Qingdao Marine Corrosion Research Institute,Qingdao 266071,China; 2.China Iron&Steel Research Institute Group,Beijing 100081,China)

ObjectiveTo establish an evaluation index system and an evaluation method for corrosion state of seawater piping.MethodsImportant evaluation indexes for corrosion state of seawater piping of warship were chosen by experience, and then the appropriate evaluation methods,evaluation criteria and weights were determined.ResultsAn evaluation index system for corrosion state of seawater piping was formed by five parameters,including the corrosion degree of pipe,the cathodic protection status,the electrical insulation protection status,the controlling state of seawater velocity,and the sealing state of sealing material.ConclusionHierarchical-fuzzy method could be selected to evaluate the corrosion status of seawater pipeline.Analytic hierarchy process(AHP)was used to determine the weight of evaluation index,fuzzy comprehensive judgment method was used to handle the evaluation index value.

warship;seawater piping;evaluation;corrosion

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.024

TG174

:A

1672-9242(2014)04-0120-05

2014-04-28;

2014-05-05

Received:2014-04-28;Revised:2014-05-05

張波(1971—),男,山東青島人,碩士,主要研究方向?yàn)榻饘俚母g與防護(hù)。

Biography:ZHANG Bo(1971—),Male,from Qingdao,Shandong,Master,Research focus:corrosion and protection of metals.