馬玉寶，覃新容，韋書龍，楊 珂

中國石油西南管道南寧輸油氣分公司 （廣西 南寧 530000）

閥門是輸氣站場最常用的裝備之一，擔(dān)負(fù)著截?cái)唷⒔亓?、調(diào)壓、排污、放空等作用。實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)出現(xiàn)閥門卡死、泄漏、內(nèi)漏等事件從而導(dǎo)致閥門失效，影響安全生產(chǎn)運(yùn)行。據(jù)某輸油氣管道公司缺陷隱患臺(tái)帳顯示，2017年該公司所轄輸氣站累計(jì)發(fā)生閥門失效事件29起，其中閥門內(nèi)漏16次，閥門外漏7次，傳動(dòng)裝置損壞3次，誤操作3次，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)運(yùn)行。綜合分析閥門失效因素，找出閥門主要失效模式和失效機(jī)理，有針對(duì)性地制定風(fēng)險(xiǎn)消減措施，可大大降低閥門失效概率，提高閥門可靠性，保障安全生產(chǎn)運(yùn)行[1-2]。目前，已有學(xué)者做過閥門維修策略方面的研究[3-6]。

故障樹法是一種簡明、直觀、靈活的可靠性分析方法[7-8]，常用于風(fēng)險(xiǎn)定量分析。模糊綜合評(píng)價(jià)法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，基于評(píng)價(jià)因素模糊合成機(jī)理，依據(jù)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬度，將模糊因素定量化，進(jìn)而綜合評(píng)價(jià)的方法[9-10]。層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法[11]。通常將3種方法中的2種或3種結(jié)合使用，可使風(fēng)險(xiǎn)分析更符合實(shí)際[12-14]，但將這3種方法相結(jié)合應(yīng)用于輸氣站閥門風(fēng)險(xiǎn)分析的案例較少。

以閥門失效為頂事件建立故障樹，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法從故障樹基本事件開始，逐級(jí)向上進(jìn)行多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)，全方位考慮引起閥門失效的基本因素。在確定各因素權(quán)重時(shí)，采用層次分析法，使其更符合客觀實(shí)際，提高了模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 建立故障樹

綜合分析閥門失效因素，以閥門失效作為頂事件，閥門卡死、閥門泄漏、閥門內(nèi)漏為次頂事件建立故障樹，分析可能引起閥門失效的因素作為構(gòu)成故障樹的基本事件，分析中間事件和基本事件的關(guān)系，運(yùn)用邏輯與門和或門的關(guān)系符號(hào)將各類事件連接起來，形成閥門失效故障樹分析圖，如圖1所示。閥門失效事件符號(hào)說明見表1。

圖1 閥門失效故障樹

表1 閥門失效事件符號(hào)說明

2 多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 確定因素集

分析閥門失效故障樹，以可能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的基本事件為元素建立模糊綜合評(píng)價(jià)的因素集合U={u1，u2，u3，u4，…，un}，其中，un代表影響被評(píng)價(jià)對(duì)象的因素。

2.2 建立備擇集

備擇集表示風(fēng)險(xiǎn)分析者對(duì)閥門失效風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)標(biāo)語的集合，可根據(jù)具體評(píng)價(jià)對(duì)象而定。風(fēng)險(xiǎn)程度等級(jí)劃分越細(xì)，則評(píng)價(jià)的結(jié)果越穩(wěn)定，相應(yīng)計(jì)算量就越大。綜合考慮，將閥門失效風(fēng)險(xiǎn)程度分為5個(gè)等級(jí)，用集合V=[v1，v2，v3，v4，v5]表示，并且賦值為V=[1，2，3，4，5]。分值越大，則表示發(fā)生可能性越大。每一個(gè)等級(jí)可對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集[15]。閥門失效風(fēng)險(xiǎn)分值與失效等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 閥門失效風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分表

2.3 確定評(píng)價(jià)因素權(quán)重

層次分析法應(yīng)用于確定模糊綜合評(píng)價(jià)中因素權(quán)重，可使評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理[16-17]。利用“9度法”分別將U中的任意兩個(gè)因素進(jìn)行對(duì)比，建立因素集U的成對(duì)因素判斷表。用uij表示ui相對(duì)于uj的重要程度的標(biāo)度，用數(shù)字1至9來代替，條件需滿足uij＞0，uij=1/uji。采用層次分析中的特征根法求取評(píng)價(jià)因素的相對(duì)權(quán)重，計(jì)算權(quán)重向量的近似值，并進(jìn)行歸一化，得到評(píng)價(jià)因素的權(quán)重向量。對(duì)成對(duì)判斷矩陣作一致性檢驗(yàn)，檢查公式為：

其中：C1為判斷矩陣一致性指標(biāo)；R1為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。由大量實(shí)驗(yàn)得出，取值由矩陣的階數(shù)n決定，見表3。當(dāng)一致性檢驗(yàn)判別式CR小于0.1，則認(rèn)為成對(duì)判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，否則，需要對(duì)判斷矩陣作適當(dāng)調(diào)整[18-19]。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值

2.4 建立單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣和模糊綜合評(píng)價(jià)集

成立閥門失效評(píng)價(jià)小組，從因素集U中的任一個(gè)因素ui開始，以評(píng)價(jià)小組每位成員贊同ui的評(píng)價(jià)比重作為因素ui相對(duì)于備擇集V的隸屬度[20]。因素集U中每一個(gè)因素相對(duì)于備擇集V的隸屬度，以各因素的隸屬度評(píng)價(jià)集為行，即可形成單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣A。

結(jié)合單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣A和各因素權(quán)重向量W，利用加權(quán)平均模型M(·,+)，求取評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)集B=WA=（b1,b2,b3…bi）。

2.5 閥門失效風(fēng)險(xiǎn)分析

若評(píng)價(jià)指標(biāo)為中間事件，以同級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)集B為行，可構(gòu)成上一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。繼續(xù)重復(fù)上述步聚，直至求出頂事件的模糊綜合評(píng)價(jià)向量，并進(jìn)行歸一化。采用加權(quán)平均的方法，即可得出頂事件的風(fēng)險(xiǎn)值。

3 實(shí)例應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用中，因驅(qū)動(dòng)裝置損壞等原因?qū)е麻y門卡死失效事件較為常見，因此以閥門失效故障樹中閥門故障M5為例具體說明基于層次分析法和多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的閥門風(fēng)險(xiǎn)分析。從故障樹分析圖可知，因素集U包含了X3～X5三個(gè)因素。

3.1 確定評(píng)價(jià)因素權(quán)重

采用“9度法”將X3～X5三個(gè)因素建立成對(duì)判斷矩陣，見表4。

表4 閥門故障因素成對(duì)判斷表

采用特征根法求出各因素的權(quán)重W。利用數(shù)學(xué)軟件計(jì)算判斷矩陣的最大特征根得3.018 3，一致性指標(biāo)C1為0.009 2，經(jīng)查表3得平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R1為0.58，一致性檢驗(yàn)判別式CR為0.015 8。由于CR小于0.1，一致性檢驗(yàn)通過，即認(rèn)為判定權(quán)系數(shù)分配合理。評(píng)價(jià)對(duì)象閥門故障M5的權(quán)重集，經(jīng)歸一化后可得W1=(0.136 5,0.238 5,0.625 0)。

3.2 建立單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣和模糊綜合評(píng)價(jià)集

由20名經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)備管理人員組成評(píng)價(jià)小組，分別對(duì)X3～X5三個(gè)因素的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行判定，求出各因素相對(duì)于評(píng)價(jià)集的隸屬度，建立單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣。

由單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣A1和各因素權(quán)重向量Wi求取評(píng)價(jià)對(duì)象閥門故障的綜合評(píng)價(jià)集。

3.3 閥門失效風(fēng)險(xiǎn)分析

重復(fù)評(píng)價(jià)對(duì)象閥門故障的綜合評(píng)價(jià)集B1的確定過程可得出評(píng)價(jià)對(duì)象誤操作的綜合評(píng)價(jià)集B2。

對(duì)誤操作和閥門故障建立成對(duì)判斷矩陣，見表5，采用層次分析法求出歸一化后的權(quán)重向量W2。

W2=（0.166 7，0.833 3）

表5 閥門卡死因素成對(duì)判斷表

以B1和B2為行，得到評(píng)價(jià)對(duì)象閥門卡死的模糊評(píng)價(jià)矩陣，進(jìn)而求得M1的綜合評(píng)價(jià)集B3。

重復(fù)上述程序，可依次得到閥門泄漏M2和閥門內(nèi)漏M3的綜合評(píng)價(jià)集。以每個(gè)綜合評(píng)價(jià)集為行，得到頂事件閥門失效T的綜合評(píng)價(jià)矩陣A0。

將M1～M3建立成對(duì)判斷表，見表6。采用層次分析法求得三個(gè)因素的歸一化權(quán)重向量W0，W0=(0.660 8,0.131 1,0.208 1)。

表6 閥門失效因素成對(duì)判斷表

最終得出歸一化的管道失效的模糊綜合評(píng)價(jià)集B0。

采用加權(quán)平均算法得出閥門失效風(fēng)險(xiǎn)的整體評(píng)分V。

由表2可知閥門失效可能性介于較小和中等之間。結(jié)合評(píng)價(jià)過程和評(píng)價(jià)結(jié)果，應(yīng)重點(diǎn)從制定閥門周期性維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃并按期執(zhí)行以及制定操作規(guī)程防止誤操作等方面，制定風(fēng)險(xiǎn)消減措施。

4 結(jié)束語

在建立以輸氣站閥門失效為頂事件的故障樹模型的基礎(chǔ)上，利用多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)閥門進(jìn)行失效風(fēng)險(xiǎn)分析，閥門失效風(fēng)險(xiǎn)整體評(píng)分值為2.912 7，失效可能性介于較小和中等之間，符合實(shí)際管理現(xiàn)狀，驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)方法的可行性和有效性。結(jié)合評(píng)價(jià)過程和評(píng)價(jià)結(jié)果，從制定并嚴(yán)格落實(shí)閥門周期性維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃、制定操作規(guī)程、加強(qiáng)監(jiān)護(hù)防止誤操作等方面制定風(fēng)險(xiǎn)消減措施。通過對(duì)閥門失效風(fēng)險(xiǎn)分析，有針對(duì)性地制定風(fēng)險(xiǎn)控制措施，可有效提高閥門的可靠性，延長閥門使用壽命。