張洪華

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福州 350008）

0 引言

近些年來(lái)，石油、化工行業(yè)作為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用。由于安全監(jiān)測(cè)與管理技術(shù)落后，石油庫(kù)區(qū)時(shí)有重大安全事故發(fā)生，在這方面有慘重的教訓(xùn)[1-2]。通過(guò)對(duì)以往事故的統(tǒng)計(jì)分析，我國(guó)在石化行業(yè)的安全生產(chǎn)事故高發(fā)的原因具體表現(xiàn)在安全監(jiān)測(cè)、評(píng)估方法落后，多因素綜合評(píng)估技術(shù)缺乏，行業(yè)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)未能實(shí)現(xiàn)大面積共享等。因此，開(kāi)展石油儲(chǔ)油罐健康狀態(tài)綜合評(píng)估技術(shù)的研究，對(duì)現(xiàn)有裝備的健康狀態(tài)評(píng)估方法進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)現(xiàn)有算法進(jìn)行創(chuàng)新，提高安全技術(shù)的水平，建立安全、可靠的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立科學(xué)、全面的評(píng)估體系，對(duì)有效減少石化行業(yè)庫(kù)區(qū)事故隱患，預(yù)防事故的發(fā)生，遏止人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

目前常用的健康狀態(tài)評(píng)估方法有模型法、層次分析法、模糊評(píng)判法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法等。針對(duì)現(xiàn)有的健康狀態(tài)評(píng)估技術(shù)，本文提供了一種新的、更為全面的系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估方法，對(duì)現(xiàn)有評(píng)估方法進(jìn)行了靈活地運(yùn)用和改進(jìn)，為理論方法研究提供新的思路。具體在于以下兩方面：（1）該健康狀態(tài)評(píng)估方法綜合了基礎(chǔ)參數(shù)的劣化度健康狀態(tài)評(píng)估方法和在線監(jiān)測(cè)參數(shù)的基于FMECA（Failure Mode Effects and Criticality Analysis）[3]的裝備健康狀態(tài)評(píng)估方法；（2）基礎(chǔ)參數(shù)的劣化度健康狀態(tài)評(píng)估方面，根據(jù)不同基礎(chǔ)參數(shù)的特點(diǎn)，采用了不同的劣化度評(píng)估方法，其改進(jìn)的劣化度評(píng)估方法為綜合人員評(píng)分（技術(shù)人員、檢修人員和操作人員打分估計(jì)）和裝備實(shí)際使用時(shí)間計(jì)算劣化度，創(chuàng)新了評(píng)估公式，使之對(duì)特定參數(shù)的評(píng)估更為科學(xué)與準(zhǔn)確。

1 基于多因素的儲(chǔ)油罐健康狀態(tài)評(píng)估模型

一種基于多因素采集的石化儲(chǔ)油罐健康狀態(tài)評(píng)估模型如圖1所示，由基于FEMCA的動(dòng)態(tài)參數(shù)健康狀態(tài)評(píng)估，基于劣化度和改進(jìn)劣化度的基礎(chǔ)參數(shù)健康狀態(tài)評(píng)估，以及綜合上述兩個(gè)健康狀態(tài)的綜合評(píng)估3部分組成。

2 基于多因素的儲(chǔ)油罐健康狀態(tài)評(píng)估方法

基于多因素的儲(chǔ)油罐健康狀態(tài)評(píng)估方法，分別對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)和儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)估，最終將兩者評(píng)估結(jié)果進(jìn)行綜合，得出最終健康狀態(tài)結(jié)果。

2.1 選取評(píng)價(jià)因素

中國(guó)石油天然氣股份有限公司沈國(guó)光等[4]在《國(guó)內(nèi)石油化工行業(yè)儲(chǔ)罐事故統(tǒng)計(jì)分析及對(duì)策研究》中，針對(duì)2006—2014年發(fā)生的84起中國(guó)石油化工企業(yè)儲(chǔ)油罐事故案例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。84起中有51起事故中發(fā)生了人員傷亡，傷亡事故絕大部分為火災(zāi)爆炸事故?；瘜W(xué)品導(dǎo)致事故發(fā)生起數(shù)排序中，排前10 位的是：油氣、氫氣、汽油、柴油、硫化氫、液化氣、污油、渣油、C4、C6，此10種化學(xué)品導(dǎo)致事故的起數(shù)占事故總數(shù)50%以上，達(dá)到67.9%。其中油氣為石油化工儲(chǔ)罐事故統(tǒng)計(jì)中的最高發(fā)品種。在統(tǒng)計(jì)的84起事故案例中，火災(zāi)爆炸事故案例有42 例，起火原因主要有明火、靜電、撞擊火花、自燃、雷擊5種。綜合分析可知，由明火、靜電、撞擊火花、自燃、雷擊引起的爆炸是導(dǎo)致事故及傷亡發(fā)生的主要原因，其中引起爆炸的主要化學(xué)品為油氣。

圖1 基于多因素的儲(chǔ)油罐健康狀態(tài)評(píng)估模型

石油儲(chǔ)油罐為特種設(shè)備，其設(shè)計(jì)、制造、安裝、操作、維護(hù)等都有嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程來(lái)約束。進(jìn)行本課題的研究，確定其影響因素，應(yīng)從此類(lèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范中進(jìn)行查閱和借鑒，包括GB/T37327—2019[5]（《常壓儲(chǔ)罐完整性管理》）、SY/T 5921-2011[6]（《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)程》）等。

綜合以上最終確定評(píng)估的基礎(chǔ)參數(shù)包括投用、改造日期，涂層、保溫的施工質(zhì)量，襯里的安裝質(zhì)量，石油儲(chǔ)油罐歷次檢驗(yàn)和檢測(cè)情況數(shù)據(jù)，各層壁板和底板的建造材料、名義厚度等；動(dòng)態(tài)參數(shù)包括罐內(nèi)溫度、罐內(nèi)壓力、罐內(nèi)液位、管道的振動(dòng)數(shù)據(jù)、防雷接地電阻。

2.2 基于FMECA的動(dòng)態(tài)參數(shù)健康狀態(tài)評(píng)估

考慮多種動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響，采用了基于FMECA的健康狀態(tài)評(píng)估方法[7-8]。具體步驟如下所述。

（1）確定動(dòng)態(tài)參數(shù)并編碼

由上述2.1 條確定了5 項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)：罐內(nèi)溫度記為參數(shù)A，罐內(nèi)壓力記為參數(shù)B，罐內(nèi)液位記為參數(shù)C，管道的振動(dòng)數(shù)據(jù)記為參數(shù)D，防雷接地電阻記為參數(shù)E。

（2）確定每種參數(shù)的異常概率p及異常嚴(yán)酷度級(jí)別q

對(duì)每種參數(shù)與對(duì)應(yīng)設(shè)置好的正常范圍值進(jìn)行比對(duì)，若超出正常范圍則記為異常，統(tǒng)計(jì)異常次數(shù)，用于測(cè)試數(shù)據(jù)分析；通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)分析得到參數(shù)發(fā)生異常的概率p，概率p越小，則儲(chǔ)油罐健康狀態(tài)越好，即根據(jù)歷史正式運(yùn)行天數(shù)統(tǒng)計(jì)每種參數(shù)發(fā)生異常的概率（正式運(yùn)行天數(shù)內(nèi)發(fā)生異常的次數(shù)/正式運(yùn)行天數(shù)）。每種參數(shù)對(duì)應(yīng)的參數(shù)異常嚴(yán)酷度級(jí)別分為I（強(qiáng)），II（較強(qiáng)），III（中等），IV（輕度），由專家進(jìn)行評(píng)估得分。其每種參數(shù)的異常概率及異常嚴(yán)酷度級(jí)別如表1 所示。

表1 每種參數(shù)的異常概率及異常嚴(yán)酷度級(jí)別

（3）健康狀態(tài)概率隸屬度分布函數(shù)

根據(jù)每種參數(shù)發(fā)生異常概率p分布的特性，在一設(shè)定的置信區(qū)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)的參數(shù)異常發(fā)生的概率值越小，健康狀態(tài)越趨于優(yōu)[9-10]，則選擇三角分布作為健康狀態(tài)下參數(shù)發(fā)生異常的概率隸屬度分布函數(shù)，有：

（4）概率影響下健康狀態(tài)等級(jí)隸屬度矩陣

將監(jiān)測(cè)的參數(shù)A、參數(shù)B、參數(shù)C、參數(shù)D、參數(shù)E對(duì)應(yīng)的發(fā)生異常的概率值代入概率隸屬度分布函數(shù)[11]，可得單因素影響下的健康狀態(tài)隸屬度向量分別為vA1、vB1、vC1、vD1、vE1。

（5）建立嚴(yán)酷度等級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

嚴(yán)酷度等級(jí)的評(píng)分采用10分制，I～I(xiàn)V級(jí)對(duì)應(yīng)1～10分，每級(jí)對(duì)應(yīng)2～3個(gè)分?jǐn)?shù)點(diǎn)，為便于分析，可將對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)壓縮到0.1～1.0之間，如表2所示。

表2 嚴(yán)酷度等級(jí)評(píng)分

（6）建立參數(shù)異常嚴(yán)酷度隸屬度分布函數(shù)

參數(shù)異常嚴(yán)酷度和參數(shù)異常發(fā)生的概率對(duì)健康狀態(tài)的影響特性相同[12-13]，則同樣選取三角分布作為參數(shù)異常嚴(yán)酷度的健康狀態(tài)等級(jí)隸屬度分布函數(shù)，有：

（7） 嚴(yán)酷度影響下健康狀態(tài)等級(jí)隸屬度向量

針對(duì)A、B、C、D、E狀態(tài)的參數(shù)狀態(tài)嚴(yán)酷度級(jí)別（表1），按照表2的嚴(yán)酷度等級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，選取各嚴(yán)酷度等級(jí)的最大評(píng)分值代入隸屬度分布函數(shù)[14]，可得單因素影響下的健康狀態(tài)隸屬度向量分別為vA2、vB2、vC2、vD2、vE2。

（8）獲取綜合影響下參數(shù)異常嚴(yán)酷度對(duì)健康狀態(tài)隸屬度向量

將動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)異常概率影響下各參數(shù)的健康狀態(tài)隸屬度向量vA1、vB1、vC1、vD1、vE1和參數(shù)異常嚴(yán)酷度影響下各參數(shù)的健康狀態(tài)隸屬度向量vA2、vB2、vC2、vD2、vE2與第j種健康狀態(tài)等級(jí)向量v0j分別進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)；其中，j為健康狀態(tài)等級(jí)分健康、良好、注意、惡化和疾病，記作1，…，5；即向量v0j表示為：(0,0,1,0,0)、v04＝(0,0,0,1,0)、v05＝(0,0,0,0,1)。

ξkij(m) 可由下式求得：

式中：m＝1，…，5；k為參數(shù)A、B、C、D、E；因素i＝1，2；j＝1，…，5；為二級(jí)最小差；為二級(jí)最大差；為絕對(duì)差值。

（9）影響因素權(quán)重求解

rkij可由下式求得：

式中：m＝1，…，5；k為參數(shù)A、B、C、D、E；因素i＝1，2；j＝1，…，5。

再利用下式計(jì)算得到r′ki：

（10）模糊綜合評(píng)估

由vA1、vA2、vB1、vB2、vC1、vC2、vD1、vD2、vE1、vE2向 量 分 別 組 成 矩 陣VA、 VB、 VC、 VD和VE，并代入：

式中：k為參數(shù)A、B、C、D、E。

可得到儲(chǔ)油罐的A、B、C、D、E五種參數(shù)在參數(shù)異常發(fā)生概率和參數(shù)異常嚴(yán)酷度綜合影響下的健康狀態(tài)隸屬度向量分別為HA、HB、HC、HD、HE。

（11）儲(chǔ)油罐動(dòng)態(tài)參數(shù)健康狀態(tài)

設(shè)置動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)異常概率與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)異常嚴(yán)酷度綜合影響下的儲(chǔ)油罐動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)健康狀態(tài)等級(jí)為：健康、良好、注意、惡化、疾?。粍t根據(jù)最大隸屬度原則，通過(guò)健康狀態(tài)隸屬度向量HA、HB、HC、HD、HE能得儲(chǔ)油罐的A、B、C、D、E五種參數(shù)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)油罐動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)健康狀態(tài)等級(jí)。

3.3 基于劣化度和改進(jìn)劣化度的基礎(chǔ)參數(shù)健康狀態(tài)評(píng)估

（1）建立裝備狀態(tài)集和狀態(tài)評(píng)價(jià)集

所述儲(chǔ)油罐各基礎(chǔ)參數(shù)包括投用、改造日期，涂層、保溫和襯里的安裝質(zhì)量，常壓儲(chǔ)油罐歷次檢驗(yàn)和檢測(cè)情況數(shù)據(jù)，各層壁板和底板的建造材料、名義厚度，將此4 項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依次編為U1，U2，U3，U4；根據(jù)儲(chǔ)油罐各基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，則儲(chǔ)油罐狀態(tài)集為U＝(U1，U2，U3，U4)；根據(jù)儲(chǔ)油罐動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)健康狀態(tài)等級(jí)：健康、良好、注意、惡化、疾?。粍t設(shè)定儲(chǔ)油罐的健康狀態(tài)等級(jí)分別對(duì)應(yīng)為I，II，III，IV，V，則儲(chǔ)油罐狀態(tài)評(píng)價(jià)集為G＝(I，II，III，IV，V)。

（2） 確定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要度

通過(guò)對(duì)石化儲(chǔ)油罐專業(yè)資料的分析，關(guān)于4 項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)的重要程度分析結(jié)果[15]，最終確定4項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)的權(quán)重如表3所示。

表3 石化儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)參數(shù)及權(quán)重

（3） 確定各基礎(chǔ)參數(shù)劣化度

針對(duì)表3 中不同基礎(chǔ)參數(shù)采用不同的劣化度計(jì)算方法。針對(duì)投用、改造日期的基礎(chǔ)參數(shù)U1，根據(jù)儲(chǔ)油罐實(shí)際使用時(shí)間計(jì)算劣化度[16-18]；即劣化度計(jì)算公式為：

式中：i＝1；t為儲(chǔ)油罐的使用時(shí)間；T為該儲(chǔ)油罐的平均故障壽命；k為故障指數(shù)，取值1或2。

針對(duì)涂層、保溫和襯里的安裝質(zhì)量U2，常壓儲(chǔ)油罐歷次檢驗(yàn)和檢測(cè)情況數(shù)據(jù)U3，各層壁板和底板的建造材料、名義厚度U4，這些基礎(chǔ)參數(shù)經(jīng)過(guò)劣化度估算公式求解如下：

式中：X，Y，Z為系數(shù)，其值介于0～1 之間，0 代表健康，1代表完全劣化；P1、P2、P3分別為設(shè)計(jì)人員、質(zhì)檢人員、行內(nèi)專家的權(quán)重。

再結(jié)合儲(chǔ)油罐的平均故障壽命計(jì)算，基礎(chǔ)參數(shù)U2、P3、P4的劣化度如下式：

式中：t為儲(chǔ)油罐的使用時(shí)間；T為該儲(chǔ)油罐的平均故障壽命；k為故障指數(shù)，取值1或2。

（4） 建立基礎(chǔ)參數(shù)劣化度判斷矩陣

根據(jù)各基礎(chǔ)參數(shù)劣化度求其健康狀態(tài)等級(jí)的隸屬度，由于嶺形分布具有主值區(qū)間寬、過(guò)渡帶平緩的特點(diǎn)，能較好地反映儲(chǔ)油罐劣化度的狀態(tài)空間的模糊關(guān)系[19-20]，采用嶺形分布隸屬度函數(shù)：

可得到以劣化度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的模糊評(píng)判矩陣為：

（5）進(jìn)行儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)參數(shù)模糊綜合評(píng)估

式中：W＝(W1，W2，W3，W4)，可按表3權(quán)重取值。

（6）按最大隸屬度確定儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)健康狀態(tài)

從基礎(chǔ)參數(shù)模糊綜合評(píng)估結(jié)果能得到該儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)屬于健康、良好、注意、惡化、疾病的數(shù)值，再按最大隸屬度原則判斷儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)參數(shù)所處的是健康、良好、注意、惡化、疾病中的哪一個(gè)狀態(tài)。

3.4 綜合健康狀態(tài)評(píng)估

取儲(chǔ)油罐在線監(jiān)測(cè)參數(shù)健康狀態(tài)和儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)健康狀態(tài)中的嚴(yán)重級(jí)別作為綜合健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在石化?；穾?kù)區(qū)這一關(guān)切民生和國(guó)家發(fā)展大計(jì)的特殊領(lǐng)域進(jìn)行了健康狀態(tài)評(píng)估方法的研究，分析并確定了影響石油儲(chǔ)油罐健康狀態(tài)的各種因素，其中有動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)參數(shù)和基礎(chǔ)參數(shù)，其對(duì)儲(chǔ)油罐的影響機(jī)制不同，分別提出了不同的評(píng)估方法，并最終進(jìn)行了綜合評(píng)估。針對(duì)在線監(jiān)測(cè)參數(shù)采用了基于FMECA的健康狀態(tài)評(píng)估方法；針對(duì)基礎(chǔ)參數(shù)采用了基于劣化度的評(píng)估方法，其中涂層、保溫和襯里的安裝質(zhì)量，各層壁板和底板的建造材料、名義厚度等參數(shù)其影響權(quán)重存在不同，所以綜合了專家評(píng)分與平均故障壽命計(jì)算，新創(chuàng)了評(píng)估公式。