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        基于多層次灰色綜合的常壓儲罐RBI評價方法研究

        2023-12-29 08:31:38趙俊茹孟凡想田峻東張美玲
        化工機械 2023年6期
        關(guān)鍵詞:常壓儲罐灰色

        趙俊茹 孟凡想 田峻東 張美玲

        (東北石油大學機械科學與工程學院)

        近年來隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展,常壓儲罐得到廣泛應(yīng)用。 由于其儲存介質(zhì)常具有易燃、易爆、腐蝕性強等特性,一旦泄漏,極易引發(fā)安全事故,造成經(jīng)濟損失、人員傷亡等嚴重后果和重大社會影響[1]。目前,我國石油化工企業(yè)對常壓儲罐管理采用的傳統(tǒng)檢測方法存在著少檢易引發(fā)安全事故, 過檢造成工作量和成本增加的兩大問題。 因此,對常壓儲罐進行科學評估和有效管理,科學合理地將預(yù)防性檢測轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)測性檢測尤為重要[2]。

        基于風險的檢驗(Risk-Based Inspection,RBI)本質(zhì)是對危險事件發(fā)生的可能性和后果進行分析和排序。 該技術(shù)最早應(yīng)用于歐美發(fā)達國家的承壓設(shè)備檢驗與維修中,并取得了較好成效[3,4]。國內(nèi)首批應(yīng)用至目前廣泛推廣已有20余年,RBI風險評估對企業(yè)風險管理、裝置的長周期運行具有促進作用[5~7]。 但對常壓儲罐進行RBI風險評估和失效概率計算時,其破壞系數(shù)均按照同一比重,沒有充分考慮儲罐的損傷機理和部位,無法體現(xiàn)不同損傷因子對儲罐風險的影響程度,評價結(jié)果不夠準確。 因此,有必要對傳統(tǒng)RBI風險評估方法作適當改進,通過確定各系數(shù)在影響儲罐失效中所占的恰當比例,實現(xiàn)各損傷因子的權(quán)重根據(jù)實際情況動態(tài)分配,更真實地反映不同儲罐所具有的風險[8]。

        筆者通過將層次分析法與灰色理論相結(jié)合計算常壓儲罐失效概率, 不僅降低了AHP主觀性,避免傳統(tǒng)打分造成的風險遮蔽問題,而且通過建立三級評價指標體系,從損傷因子的權(quán)重排序中找出影響儲罐失效的主要因素。 最后以某常壓儲罐為例對上述結(jié)論進行分析驗證,更加證實了該變權(quán)思想可動態(tài)調(diào)整儲罐損傷因子的權(quán)重,有針對性地計算儲罐失效概率結(jié)果[9]。

        1 常壓儲罐多層次灰色綜合的RBI評價模型研究

        多層次灰色綜合評價法是將層次分析法和灰色綜合評價法結(jié)合的一種評價方法。 層次分析法是將定量與定性相結(jié)合的多目標決策分析方法,主要用于分析和處理系統(tǒng)化、多層次問題;灰色綜合法主要分析和處理涉及縱向序列等問題,充分利用已有的白化信息,減少評判誤差[10],更好地理解系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系和變化趨勢。 二者結(jié)合可以對復(fù)雜系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)進行分別評價,同時也可以在子系統(tǒng)評價的基礎(chǔ)上對上層系統(tǒng)進行綜合評價。

        1.1 層次分析法

        1.1.1 建立指標體系

        據(jù)GB/T 30578—2014 《常壓儲罐基于風險的檢驗及評價》可知,破壞系數(shù)是計算儲罐失效概率時起決定性的因素,筆者從此系數(shù)入手,根據(jù)檢測經(jīng)驗和數(shù)據(jù)分析選取7項影響值較大的因子, 建立常壓儲罐的三級評價指標體系模型,如圖1所示。

        1.1.2 構(gòu)建判斷矩陣

        根據(jù)結(jié)構(gòu)模型,對判斷矩陣采用兩兩比較的方法得出結(jié)果, 并采用1~9的數(shù)值標度來定義判斷矩陣M,各標度的含義見表1。

        表1 判斷矩陣標度定義

        矩陣M的計算式為:

        1.1.3 一致性檢驗

        對判斷矩陣進行一致性檢驗時,常用方法有算數(shù)平均法、幾何平均法、特征值法等。 筆者采用特征值法求出判斷矩陣的特征值和特征向量,計算一致性指標CI:

        式中 n——判斷矩陣階數(shù);

        λmax——最大特征值。

        參考表2可得到隨機一致性指標RI。

        表2 隨機一致性指標RI

        一致性比例CR的計算式為:

        當一致性比例CR<0.10時,認為判斷矩陣符合一致性檢驗,否則應(yīng)重新評分,對矩陣M進行修正。

        1.1.4 特征向量求權(quán)重

        將權(quán)重向量W右乘權(quán)重比矩陣A,則有:

        其中,λmax存在且唯一,W的分量皆為正分量,將求得的權(quán)重向量作歸一化處理。

        1.2 多層次灰色綜合評價法

        1.2.1 確定評價樣本矩陣及評價灰類

        按照專家評分法,依據(jù)評分標準來評價指標層的每個指標, 匯總p位專家對不同因素的打分情況,形成評價樣本矩陣D,即:

        將評分標準分為“低”、“較低”、“中”、“較高”、“高”5個等級,打分采用9分制,對這5個評價標準分別賦值9、7、5、3、1,具體評分標準參照表3。

        表3 評分標準

        1.2.2 確定灰類的評價系數(shù)

        第e個評價灰類的評價系數(shù)Xie為:

        式中 dik——評價樣本矩陣中的元素;

        fe——白化權(quán)函數(shù)。

        1.2.3 確定灰色權(quán)向量和權(quán)矩陣

        灰色權(quán)向量計算表達式為:

        從而得到灰色評價矩陣R為:

        1.2.4 綜合評價

        根據(jù)以上數(shù)據(jù)求得灰色綜合評價值B為:

        式中 ωM——特征向量即層次權(quán)重。

        2 常壓儲罐多層次灰色綜合的RBI評價模型的應(yīng)用

        現(xiàn)以某企業(yè)的汽油儲罐為例, 已知該汽油儲罐介質(zhì)為硫化氫(H2S),具有毒性,操作溫度為20 ℃,最低運行溫度為3 ℃,儲罐填充高度為15.47 m,直徑為21.15 m,罐壁設(shè)計厚度為140 mm,罐底設(shè)計厚度為100 mm,容積為5 000 m3,操作壓力1.96 kPa, 罐體材料為Q235, 設(shè)計標準為API 650。 儲罐的建造符合國家相關(guān)規(guī)范的要求——建造于較平坦處, 儲罐基本數(shù)據(jù)資料真實明確,檢測方法有效。

        將多層次灰色綜合常壓儲罐RBI評價模型應(yīng)用于此實例,評價該儲罐罐底的風險等級。

        2.1 AHP法確定指標權(quán)重

        找若干名該領(lǐng)域的專家和技術(shù)人員組成評價打分小組, 對儲罐破壞系數(shù)中準則層的4項因子和指標層的7項因子進行討論打分,根據(jù)表1中的評價標準建立判斷矩陣為:

        通過MATLAB軟件對一級判斷矩陣進行計算,得出最大特征值和特征向量為λmax=4.1894,x=[0.8586,0.1046,0.2132,0.4543]。

        將特征向量進行歸一化處理得出權(quán)重向量W=[0.5266 0.0642 0.1307 0.2786],同理,按以上步驟計算二級判斷矩陣, 并通過一致性檢驗,得到各指標的權(quán)重如下:

        各要素對破壞系數(shù)A的權(quán)重排序見表4。

        表4 方案層要素對目標層權(quán)重排序

        2.2 多層次灰色綜合評價法進行評價

        確定評價灰類的等級數(shù)、灰數(shù)及白化權(quán)函數(shù)。

        記灰類為e,根據(jù)評價等級可知,評價灰類共5類, 相應(yīng)的灰數(shù)為?=(?1,?2,?3,?4,?5)=(9,7,5,3,1),根據(jù)表3賦值,選取幾名經(jīng)驗豐富的現(xiàn)場技術(shù)人員和管理人員的評分,得到D為:

        所對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)及圖像列于表5。

        表5 5種灰類所對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)及圖像

        由指標層-準則層-目標層依次計算評價結(jié)果,Mi(i=1,2,3,4)的評價結(jié)果如下:

        破壞系數(shù)綜合評價結(jié)果為:

        M=ωR總=(0.3059,0.3736,0.3011,0.0201,0)

        常壓儲罐破壞系數(shù)的修正系數(shù)PE=6.9341,取管理系統(tǒng)評價系數(shù)為1.0,同類設(shè)備失效概率為4×10-5,則該儲罐底板的失效概率為0.000 277。 該儲罐通過傳統(tǒng)RBI風險評估方法和改進方法得到的分析結(jié)果見表6。

        表6 傳統(tǒng)RBI評估方法與改進RBI評估方法風險分析結(jié)果對比

        與該儲罐的漏磁掃描檢測數(shù)據(jù)對比,該儲罐的底板有腐蝕現(xiàn)象, 且存在腐蝕深度超過20%的地方,有一定的失效風險。改進的RBI評估結(jié)果與儲罐的腐蝕損傷真實情況更接近,基于多層次灰色綜合的RBI評估方法與傳統(tǒng)的評估方法相比準確性更高。

        3 結(jié)論

        3.1 根據(jù)多層次灰色綜合評價模型,可實現(xiàn)變權(quán)的思想,能夠根據(jù)儲罐的不同損傷部位和損傷機理,實時動態(tài)地調(diào)整系數(shù)的權(quán)重值。

        3.2 將層次分析與灰色理論有機結(jié)合,運用于儲罐失效概率的計算和風險評價中,不僅可降低單一方法的主觀性,使評價結(jié)果更加科學、合理,而且對加強常壓儲罐安全管理、有針對性地解決儲罐安全問題具有重要的現(xiàn)實意義。

        3.3 將常壓儲罐多層次灰色綜合模型應(yīng)用到實際案例中,通過驗證結(jié)果表明,基于多層次灰色綜合的RBI評價方法計算失效概率的結(jié)果比傳統(tǒng)RBI評估方法更加準確。

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