姜　峰,曹　康,鄭運(yùn)虎(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,甘肅蘭州　730050)

海洋平臺壓力容器風(fēng)險模糊綜合評價研究

姜峰,曹康,鄭運(yùn)虎
(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,甘肅蘭州730050)

由于引起海洋平臺壓力容器失效的因素眾多且具有模糊不確定性和多層次性,故提出運(yùn)用多層次模糊綜合評價法對平臺容器風(fēng)險進(jìn)行評估.首先綜述了多層次模糊綜合評價理論方法,其次以某海洋平臺為例,建立了海洋平臺壓力容器風(fēng)險評價指標(biāo)體系,然后采用層次分析法和專家打分法確定了風(fēng)險因素權(quán)重和隸屬度,最后運(yùn)用二級模糊綜合評價模型對此平臺上的壓力容器風(fēng)險進(jìn)行評估,確定了其風(fēng)險等級為較安全,驗(yàn)證了該方法的可行性.

海洋平臺壓力容器;模糊綜合評價法;層次分析法;風(fēng)險評估

引用格式:Jiang Feng,Cao Kang,Zheng Yunhu．Research on Fuzzy Comprehensive Evaluation of Pressure ConG tainer in the Offshore Platform[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):83G87．[姜峰,曹康,鄭運(yùn)虎．海洋平臺壓力容器風(fēng)險模糊綜合評價研究[J]．甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(2):83G87．]

壓力容器在海洋油氣集輸工業(yè)中作為過程處理設(shè)備和油氣及其附屬產(chǎn)品的儲存設(shè)備而被廣泛應(yīng)用,如各種換熱器、塔器、鍋爐設(shè)備和儲罐等[1].由于油氣集輸系統(tǒng)自身的危險性,加之海洋平臺空間狹小,壓力容器分布密集,任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能會造成重大人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和海洋環(huán)境污染事故發(fā)生.國內(nèi)外學(xué)者針對普通陸用壓力容器事故原因進(jìn)行了廣泛地研究,并提出了相應(yīng)的防護(hù)措施,但是對于海洋平臺這一特殊環(huán)境下的壓力容器研究相對較少.為確保海洋平臺,尤其是一些老齡平臺的可靠運(yùn)行,對壓力容器的風(fēng)險評估顯得較為重要.考慮到引起海洋平臺壓力容器失效的因素眾多且具有模糊不確定性和多層次性的特點(diǎn),運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論建立海洋平臺壓力容器安全評價模型,確定各指標(biāo)的權(quán)重,應(yīng)用模糊綜合評價法對海洋平臺壓力容器進(jìn)行風(fēng)險評估,對于平臺容器的安全管理工作具有實(shí)際的指導(dǎo)意義.

1　多層次模糊綜合評價理論

模糊綜合評價是在模糊環(huán)境下,考慮多個因素的影響,利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則對某一事物作出綜合決策的方法[2].在解決實(shí)際問題時往往考慮的評價指標(biāo)較多,各評價指標(biāo)之間還有不同的類型和層次,需要建立多層次模糊評價模型,具體分為以下幾個步驟[3G9].

1．1建立評價指標(biāo)體系

設(shè)評價指標(biāo)集為U.第一層為準(zhǔn)則層,指標(biāo)集為U＝{u1,u2,?,us};第二層為子準(zhǔn)則層,指標(biāo)集為U＝{ui1,ui2,?,uim},i＝1,2,?,s.以此類推,問題越復(fù)雜,指標(biāo)層次數(shù)越多.

1．2建立評價集

設(shè)評價集為V＝{v1,v2,?,vn},其中v1,v2, ?,vn表示評價等級.

1．3確定因素權(quán)重集

權(quán)重集是因素ui(i＝1,2,?,s)在總評價中影響程度大小的度量所組成的集合.設(shè)權(quán)重集為A＝{a1,a2,?,an},滿足

在模糊綜合評判中,因素權(quán)重集的確定是否恰當(dāng)直接影響綜合評價的結(jié)果.為了減少主觀因素的影響,采用層次分析法確定因素權(quán)重.

層次分析法(AHP,analytic hierarchy process)是一種定量和定性相結(jié)合的決策方法,它把復(fù)雜的問題分解成各個組成因素,通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對重要性,然后綜合判斷決定諸因素相對重要性的總順序.首先確定因素之間的相對重要性,形成判斷矩陣;然后通過計算判斷矩陣的特征值和特征向量求得權(quán)重,通過一致性檢驗(yàn)后,再進(jìn)行統(tǒng)計計算.

1．4建立單因素評價矩陣

對單因素ui(i＝1,2,?,s)作單因素評價,從因素ui確定該事物對評語vj(j＝1,2,?,n)的隸屬度rij,從而得到單因素評價矩陣為

它是評語集V上的模糊子集,即給出一個模糊值映射為

其中:f(ui)＝ri＝(ri1,ri2,?,rin)為關(guān)于因素ui的評語模糊向量;rij為關(guān)于因素ui具有評語vj的程度.

1．5模糊綜合評價

(1)一級綜合評價設(shè)ui中各因素對V的權(quán)重分配為Ai＝{ai1,ai2,?,aim},Ri為單因素評價矩陣,則可以得到一級評判向量

(2)多級綜合評價將每一個ui看作一個因素,記K＝{u1,u2,?,us},這樣K又構(gòu)成一個因素集,其單因素評判矩陣由一級評判向量組成,即

每個ui作為U的一部分,反映著U的某種屬性,設(shè)它們的權(quán)重分配為

于是得到二級評判向量二級綜合評判過程如圖1所示.

如果子因素集Ui仍然含有較多的因素,可將Ui再劃分,于是有三級或更多級模型.

一般根據(jù)最大隸屬度原則,選擇模糊綜合評價集B＝(b1,b2,?,bm)中最大的bj對應(yīng)的等級vj作為綜合評判結(jié)果.

圖1　二級模糊綜合評價過程Fig．1　Process of second level fuzzycomprehensive evaluation

2　多層次模糊綜合評價法應(yīng)用實(shí)例

以渤海某導(dǎo)管架海洋平臺群上的所有壓力容器為例,運(yùn)用多層次模糊綜合評價法進(jìn)行風(fēng)險評估.平臺于1998年建成投產(chǎn),設(shè)計服役年限30年,由A區(qū)和B區(qū)兩組平臺組成,在A區(qū)建有采油生產(chǎn)平臺和生活公用平臺各一座,B區(qū)建有采油生產(chǎn)平臺、生活公用平臺和原油儲罐平臺共三座.全面調(diào)查分析了平臺上所有分離器、脫水器、換熱器、鍋爐、儲罐等壓力容器的工況,采用AHP確定各因素權(quán)重,專家打分法確定隸屬度,運(yùn)用二級模糊綜合評判模型對此海洋平臺上的壓力容器風(fēng)險進(jìn)行評估.

2．1建立海洋平臺壓力容器風(fēng)險評價指標(biāo)體系

通過對國內(nèi)外海洋平臺壓力容器事故資料的統(tǒng)計分析并結(jié)合眾多學(xué)者的研究[10G17],發(fā)現(xiàn)腐蝕、設(shè)計因素、環(huán)境載荷、誤操作和外部破壞是引起海洋平臺壓力容器失效的主要誘因,由它們導(dǎo)致的事故占95%以上.鑒于此,研究將這五大類作為評價模型的一級指標(biāo),并選取其中23個主要風(fēng)險因素作為二級指標(biāo),其評價指標(biāo)體系如圖2所示.

2．2建立評價集

安全狀況評價指標(biāo)即評價集分為五級,V＝{安全,較安全,一般,較危險,危險}.

2．3確定因素權(quán)重集

運(yùn)用AHP確定了海洋平臺壓力容器風(fēng)險因素權(quán)重.

首先采用“1~9標(biāo)度法”表示因素間的相對重要程度,構(gòu)造判斷矩陣.標(biāo)度及含義如表1所列.

圖2　海洋平臺壓力容器風(fēng)險評價指標(biāo)體系Fig．2　Risk evaluation index system of pressure container in offshore platform

表1　“1~9標(biāo)度法”標(biāo)度及含義Table 1　Scale and meaning of“1~9 scale law”

然后計算n階判斷矩陣的最大特征值λmax和特征向量w＝(w1,w2,?,wn),并判斷隨機(jī)一致性指標(biāo)C．R.其中:

一致性指標(biāo)R．I可通過查表得到[7].

當(dāng)C．R＜0．1時,認(rèn)為判斷矩陣一致性良好,說明權(quán)重分配合理,用最大特征值λmax對應(yīng)的特征向量w＝(w1,w2,?,wn)作為權(quán)重向量A＝(a1,a2, ?,as);否則需要調(diào)整判斷矩陣,直到具有良好的一致性為止.

以腐蝕U1、設(shè)計因素U2、環(huán)境載荷U3、誤操作U4和外部破壞U5為例,計算它們的權(quán)重.首先根據(jù)現(xiàn)場資料和專家意見構(gòu)造兩兩因素判斷矩陣如下:

再計算出最大特征值λmax＝5．078 2,對應(yīng)的特征向量w＝(0．22,0．12,0．20,0．36,0．10),其隨機(jī)一致性比率C．R＝0．017 5＜0．1,說明判斷矩陣一致性良好.采用同樣的方法計算其余各因素權(quán)重向量并判斷一致性,結(jié)果如表2所列.

表2　權(quán)重向量與一致性驗(yàn)證Table 2　Weight vector and consistency verification

2．4建立單因素評價矩陣

組織20位經(jīng)驗(yàn)豐富的行業(yè)專家和現(xiàn)場工程技術(shù)人員對23個單因素按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分.例如,對于單因素“內(nèi)腐蝕U11”,20位專家中有6位,即30%認(rèn)為安全;有8位,即40%認(rèn)為較安全;有3位,即15%認(rèn)為一般;有2位,即10%認(rèn)為較危險;有一位,即5%認(rèn)為危險.則單因素“內(nèi)腐蝕U11”的隸屬度為(0．30,0．40,0．15,0．10,0．05).所有評價結(jié)果見表3.

根據(jù)表3建立單因素評價矩陣:

2．5進(jìn)行模糊綜合評價

(1)一級綜合評價計算一級評價結(jié)果

(2)二級綜合評價計算二級評價結(jié)果B＝W×R

＝(0．264 9,0．393 5,0．223 7,0．097 9,0．018 4),根據(jù)最大隸屬度原則有bmax＝0．393 5,屬于v2級,則該海洋平臺壓力容器安全狀況為較安全,與現(xiàn)場專家判斷結(jié)果一致.

3　結(jié)論

引起海洋平臺壓力容器失效的因素眾多且具有模糊性和層次性,傳統(tǒng)的安全評價方法很難做到準(zhǔn)確評估.多層次模糊綜合評價法用模糊語言描述引起平臺容器失效因素的特性,采用AHP和專家打分法確定風(fēng)險因素權(quán)重和隸屬度,并運(yùn)用多級綜合評價模型對壓力容器風(fēng)險進(jìn)行評估,使得安全評價達(dá)到主觀與客觀上相對統(tǒng)一.這一方法計算模型簡單易懂,結(jié)果符合工程實(shí)際,可為海洋平臺壓力容器風(fēng)險管理工作提供參考.

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Research on Fuzzy Comprehensive Evaluation of
Pressure Container in the Offshore Platform

Jiang Feng,Cao Kang,Zheng Yunhu
(College of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

As the elements which cause the failure of pressure container in offshore platform is fuzzy,unG certain and multilayer,the platform container risk is evaluated by the method of multilayer fuzzy compreG hensive evaluation．First,this article summarizes the theoretical method of multilayer fuzzy comprehensive evaluation．Second,taking one offshore platform as example,the risk element weight and risk membership grade are determined by building the risk evaluation index system of pressure container in offshore platG form,and taking methods of AHPand expert scoring．Last,the pressure container of this offshore platform is evaluated by adopting second level fuzzy comprehensive evaluation model,which determines that the risk grade is safer,and verifies the feasibility of this method．

Pressure container in offshore platform;Fuzzy comprehensive evaluation method;Multilayer analytical method;Risk evaluation

TQ050．7

A

1004G0366(2016)02G0083G05

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．018．

2015G01G27;

2015G05G18．

國家質(zhì)檢公益項(xiàng)目“基于風(fēng)險管理的油氣集輸壓力容器安全評定關(guān)鍵技術(shù)研究”(201310152)．

姜峰(1969G),女,湖南寧鄉(xiāng)人,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)槌袎涸O(shè)備等．EGmail:921238461＠qq．com．