魏麗麗 王國光 楊金惠 李紅波 付瑞娟 劉釔池

1中國石油華北油田公司工程技術(shù)研究院

2中國石油華北油田公司第一采油廠

3河北華北石油路橋工程有限公司

4中國石油華北油田公司二連分公司

5中國石油渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司

隨著我國能源行業(yè)的不斷發(fā)展，站場內(nèi)的儲罐區(qū)具有大容積、分布集中、易燃易爆等特點，儲罐失效成為影響站場完整性和安全的重要因素。目前，對儲罐及其他站內(nèi)靜設(shè)備的評價方法主要采用基于風(fēng)險的檢驗（RBI）技術(shù)，它是國外發(fā)達(dá)國家通用的一種滿足經(jīng)濟(jì)性和安全性的評價管理手段[1-2]。RBI的概念最早由英國原子能協(xié)會提出，初期主要用于核工業(yè)相關(guān)設(shè)備的安全評價，后來經(jīng)挪威船級社（DNV）的深入研究，頒布了API580 和API581兩個RBI 標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了風(fēng)險計算、流體泄漏量計算、常見設(shè)備失效概率以及各類工況下（應(yīng)力腐蝕開裂、高溫氫腐蝕、機械疲勞、脆性斷裂等）的定量計算方法，這兩個標(biāo)準(zhǔn)是建立RBI 模型的基礎(chǔ)。隨后，國內(nèi)也參考API581 編制了GB/T 26610《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實施導(dǎo)則》等系列標(biāo)準(zhǔn)，完善了RBI 評價模型。RBI 評價技術(shù)的作用主要體現(xiàn)在對檢驗周期的調(diào)整優(yōu)化以及對維護(hù)策略的制定優(yōu)化兩方面。根據(jù)“28”原則可知，80%的高風(fēng)險點存在于20%的設(shè)備上，但常規(guī)的檢測手段（宏觀檢查、超聲波壁厚檢查、磁粉探傷等）往往進(jìn)行周期性檢查，容易存在過度檢測或檢測不足問題。對站場內(nèi)的設(shè)備和管道進(jìn)行RBI評價后，可有針對性地制定維護(hù)維修策略，重點檢測高風(fēng)險點，優(yōu)化檢測周期，使下次檢測時設(shè)備和管道正好處于風(fēng)險可接受的最高水平[3-4]。

RBI 的基本原理為風(fēng)險等級=失效可能性×失效后果，其中失效可能性用失效概率來定量表示，失效概率=同類設(shè)備平均失效概率×設(shè)備修正系數(shù)×管理系統(tǒng)評價系數(shù)。同類設(shè)備平均失效概率是建立在國內(nèi)外數(shù)年來多次設(shè)備失效歷史基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上，代表一個行業(yè)而不是某一個設(shè)備的失效概率，服從正態(tài)分布，屬于定值；管理系統(tǒng)評價系數(shù)取決于主管單位的管理水平，對于某一單元，如聯(lián)合站或輸氣站來說，站內(nèi)的所有設(shè)備項的管理系統(tǒng)評價系數(shù)應(yīng)該是一致的，也屬于定值；設(shè)備修正系數(shù)包括技術(shù)因子、通用因子、機械因子和工藝因子四個方面，需要進(jìn)行定量分析。API581[5]和GB/T 26610.4[6]附錄中均是采用加和平均的方法計算修正系數(shù)，一方面未考慮不同因子之間的影響權(quán)重，另一方面未考慮到過渡分值的存在。為此引用多層次灰色聚類評價模型，通過多層次分析，對多種影響因子之間的權(quán)重進(jìn)行分析判斷，再應(yīng)用灰色聚類，對不同指標(biāo)進(jìn)行排序，可以很好地解決這類多層次、非線性的復(fù)雜問題。

1 多層次灰色聚類評價模型建立

多層次灰色聚類綜合評價法是將層次分析法和灰色聚類評價法有機結(jié)合的一種評價方法。層次分析法和灰色聚類評價兩種方法都是基于定性和定量的多目標(biāo)決策分析方法，其中層次分析法主要用于系統(tǒng)化、多層次問題的分析和處理[7]，灰色聚類評價法主要涉及縱向序列等相關(guān)問題的分析和處理。兩種方法的結(jié)合可以對復(fù)雜系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)進(jìn)行分別評價，同時也可以在子系統(tǒng)評價的基礎(chǔ)上對上層系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價，為多層次、多變量、非線性的復(fù)雜問題提供了解決方法[8-10]。首先，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料及現(xiàn)場調(diào)研，把目標(biāo)問題條理化、層次化，構(gòu)造層次分析結(jié)構(gòu)模型，由熟悉目標(biāo)問題的專家給出兩兩判斷矩陣，矩陣應(yīng)為正反一致矩陣，對矩陣求最大特征根和特征向量，并對其進(jìn)行一致性判斷，看判斷矩陣是否滿足一致性要求，如滿足，此時的特征向量就對應(yīng)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重；然后繼續(xù)由專家對各指標(biāo)進(jìn)行評價，得到評價樣本矩陣，根據(jù)目標(biāo)問題的特點，確定評價灰類的等級、灰數(shù)以及白化權(quán)函數(shù)；最后計算對應(yīng)的灰色權(quán)向量及權(quán)矩陣，與層次分析得到的權(quán)重相乘后得到不同層次的綜合評價結(jié)果。

1.1 建立指標(biāo)體系

運用層次分析法，參考API581附錄C和GB/T 26610.4—2014的相關(guān)內(nèi)容，建立了適合儲罐的三級評價指標(biāo)體系。其中設(shè)備修正系數(shù)為第一層即目標(biāo)層(A)，技術(shù)因子(B1)、通用因子(B2)、機械因子B3、工藝因子(B4)為第二層即準(zhǔn)則層，損傷速率(C1)、檢驗程序有效性(C2)、工藝條件(C3)、寒冷條件(C4)、地震活動(C5)、設(shè)備復(fù)雜性(C6)、建造規(guī)范(C7)、壽命周期(C8)、安全系數(shù)(C9)、工藝連續(xù)性(C10)、工藝穩(wěn)定性(C11)、安全閥狀態(tài)(C12)為第三層即指標(biāo)層，具體指標(biāo)體系關(guān)系如圖1所示。

圖1 多層次評價指標(biāo)體系Fig.1 Multi-level evaluation index system

1.2 構(gòu)建判斷矩陣

選取一定數(shù)量的具有工藝、腐蝕、設(shè)備等相應(yīng)專業(yè)知識的專家，按照1～9標(biāo)度對各層次指標(biāo)進(jìn)行賦值，通過兩兩元素比較構(gòu)建判斷矩陣M，矩陣M中的元素aij應(yīng)滿足：aij=1/aji、aii=1，i和j分別代表兩個因素相對于上一層的重要程度，其中各標(biāo)度代表的含義如表1所示。

表1 標(biāo)度含義Tab.1 Scale meaning

1.3 一致性檢驗及層次權(quán)重

由于專家將各類問題由定性分析轉(zhuǎn)為定量分析依靠的是個人經(jīng)驗和直覺判斷，因此要對判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗，主要體現(xiàn)在對判斷矩陣求特征根及特征向量，常用的方法有方根法、行和法、特征根法以及最小二乘法等。由于該計算要求精度不高，所以采用特征根法進(jìn)行計算，如果λ1、λ2…λn都滿足Ax=λx，此時矩陣A的最大特征根為λmax，特征向量為x。利用最大特征根進(jìn)行一致性指標(biāo)CI檢驗，隨后進(jìn)行一致性比例CR檢驗，公式如下

式中：n為判斷矩陣階數(shù)，RI為隨機一致性指標(biāo)，取值情況見文獻(xiàn)[5]表2。

當(dāng)CR＜0.1 時，矩陣通過一致性檢驗，此時的特征向量即為層次權(quán)重，記為ωm；否則，需要重新構(gòu)建矩陣。

1.4 確定評價樣本矩陣及評價灰類

同樣，采用專家分析方法，按照評分標(biāo)準(zhǔn)對指標(biāo)層的每個指標(biāo)進(jìn)行評價，第k（k=1，2，…，p）個專家對指標(biāo)Ci的評分矩陣為Dik，將不同專家對不同因素的打分集合在一起形成評價樣本矩陣D。由于API581 和GB/T 26610.4—2014 將失效概率分為5 個等級，因此評價標(biāo)準(zhǔn)采用9 分制，按照1～9評分劃分5個等級，以分?jǐn)?shù)9、7、5、3、1為界限建立評分標(biāo)準(zhǔn)，分別對應(yīng)等級為較低、低、中、高和較高，也分別對應(yīng)評價灰類的5個等級，對于無法具體判斷的等級采用過渡分值，具體評分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 評分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Scoring criteria

灰類用e(i=1 2 …g)表示，一共有g(shù)個灰類，在此g=5。為了避免各指標(biāo)在聚類延展的過程中造成的白化信息缺失，評價標(biāo)準(zhǔn)第一級和第五級分別采用上限測度白化權(quán)函數(shù)和下限測度白化權(quán)函數(shù)，其余級別采用三角白化權(quán)函數(shù)，其中每級灰度的白化權(quán)函數(shù)參照文獻(xiàn)[11]。

1.5 確定灰色評價系數(shù)

利用白化權(quán)函數(shù)求出單一指標(biāo)在不同評價灰類中的灰色評價系數(shù)，對于指標(biāo)Ci來說，各個評價灰類的灰色評價系數(shù)為

式中：fe為不同灰類的白化權(quán)函數(shù)；dik為評價樣本矩陣D中的元素。

1.6 確定灰色權(quán)向量及權(quán)矩陣

1.7 綜合評價

由下層到上層先分別計算準(zhǔn)則層的綜合評價向量Bi，然后計算目標(biāo)層的綜合評價向量B

由于B是一個向量，無法對結(jié)果進(jìn)行量化分析，因此按照評價灰類等級進(jìn)行賦值，定義等值化向量O=（較低，低，中，高，較高）=（9，7，5，3，1），最后按照A=BOT得到綜合評價的量化數(shù)值。

2 實例分析

某聯(lián)合站內(nèi)有一座80 000 m3固定頂儲罐，2008年投產(chǎn)運行，服役時間18 年。儲存介質(zhì)為原油（含水率＜0.5%），直徑70 m，罐壁高22.9 m，最大有效液位21.5 m。罐壁采用12MnNiVR、Q235B 鋼板，過渡部分采用Q345R鋼板，罐底中幅板尺寸為3 000 mm×14 800 mm×15 mm，罐底采用12Mn-NiVR、Q235B 鋼板，抗風(fēng)圈采用Q345R 鋼板。該站場整體管理水平一般，對儲罐前期的設(shè)計、施工、驗收、定期檢驗、維修記錄等資料進(jìn)行了收集和整理，完善了原始資料。

首先，結(jié)合圖1，通過兩兩元素比較得到不同層次的判斷矩陣，并進(jìn)行了一致性指標(biāo)檢驗，結(jié)果見表3～表7。

表3 A-B 判斷矩陣及權(quán)重Tab.3 A-B judgment matrix and weights

表4 B1-C 判斷矩陣及權(quán)重Tab.4 B1-C judgment matrix and weights

表5 B2-C 判斷矩陣及權(quán)重Tab.5 B2-C judgment matrix and weights

表6 B3-C 判斷矩陣及權(quán)重Tab.6 B3-C judgment matrix and weights

表7 B4-C 判斷矩陣及權(quán)重Tab.7 B4-C judgment matrix and weights

所有判斷矩陣均通過了一致性檢驗，權(quán)重向量分別為ωB=（0.546，0.086，0.200，0.168），ωB1=（0.200，0.800），ωB2=（0.582，0.309，0.109），ωB3=（0.564，0.055，0.263，0.118），ωB4=（0.672，0.063，0.265）。對指標(biāo)層的各項指標(biāo)進(jìn)行總排序，結(jié)果如表8所示。

表8 指標(biāo)總排序Tab.8 Overall ranking of index

由此可見，對該儲罐設(shè)備修正系數(shù)影響較大的因素（權(quán)重＞0.1 的指標(biāo)）主要是檢驗程序有效性、損傷速率、安全閥狀態(tài)和設(shè)備復(fù)雜性。隨后選取5 位經(jīng)驗豐富的專家（其中2 位為現(xiàn)場技術(shù)人員，3位為管理人員），按照1～9的評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評分，得到評價樣本矩陣D。

以計算指標(biāo)C1的灰色評價系數(shù)為例，第一灰類的評價系數(shù)為

第二灰類的評價系數(shù)為

第三灰類的評價系數(shù)為

第四灰類的評價系數(shù)為

第五灰類的評價系數(shù)為

5位專家對指標(biāo)C1評價后，屬于各灰類等級的權(quán)向量為7，0.333 3，0.238 0，0.143 0，0)，其他指標(biāo)的計算方法類似，將不同指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)向量綜合后得到灰色評價矩陣R。

由指標(biāo)層→準(zhǔn)則層→目標(biāo)層逐層計算評價結(jié)果，其中B1的綜合評價Bi=ωB1R1=(0.200 0.800)=(0.289 9 0.310 3 0.243 3 0.156 5 0)，其余指標(biāo)的計算方法類似，最終得到目標(biāo)層的綜合評價向量B。

由于B是一個向量，無法對結(jié)果進(jìn)行量化分析，因此按照評價灰類等級進(jìn)行賦值，定義等值化向量O=（較低，低，中，高，較高）=（9，7，5，3，1）。將B向量作為權(quán)數(shù)，進(jìn)行加權(quán)計算(A=BOT)，得到設(shè)備修正系數(shù)的量化數(shù)值為7.030 8，結(jié)果介于（9，7）之間，根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)，該儲罐的評價等級為“低”。在此，取泄漏孔徑為6 mm的儲罐同類設(shè)備平均失效概率4×10-5，取管理系統(tǒng)評價系數(shù)1.0，則該儲罐底板的失效概率為0.000 28，失效可能性為3級，失效后果按照GB/T 26110.5進(jìn)行定量分析為D級，最終該儲罐底板的風(fēng)險等級為中高風(fēng)險。依據(jù)聲發(fā)射裝置對該儲罐底板進(jìn)行檢驗，發(fā)現(xiàn)存在不同程度的腐蝕（圖2），需要進(jìn)一步完善維護(hù)和維修策略。

圖2 儲罐底板腐蝕狀況Fig.2 Corrosion condition of tank bottom plate

3 結(jié)束語

（1）應(yīng)用多層次分析法，建立了適合儲罐的設(shè)備修正系數(shù)的三級評價指標(biāo)體系，包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。

（2）通過層次分析，可以對影響設(shè)備修正系數(shù)的指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重排序，找到影響失效概率的主要因素。

（3）通過聚類分析，利用過渡分值構(gòu)建評價樣本矩陣，可以很好地對設(shè)備系數(shù)進(jìn)行有效修正，為儲罐及其他靜設(shè)備的風(fēng)險評價提供技術(shù)思路。

（4）該方法的缺點是依然比較依賴專家判斷，今后可以嘗試與其他客觀數(shù)值分析方法（如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法等方法）進(jìn)行有機結(jié)合，對失效模型進(jìn)行改進(jìn)。