趙俊茹 孟凡想 田峻東 張美玲
(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)
近年來隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展,常壓儲(chǔ)罐得到廣泛應(yīng)用。 由于其儲(chǔ)存介質(zhì)常具有易燃、易爆、腐蝕性強(qiáng)等特性,一旦泄漏,極易引發(fā)安全事故,造成經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡等嚴(yán)重后果和重大社會(huì)影響[1]。目前,我國(guó)石油化工企業(yè)對(duì)常壓儲(chǔ)罐管理采用的傳統(tǒng)檢測(cè)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(duì)常壓儲(chǔ)罐進(jìn)行科學(xué)評(píng)估和有效管理,科學(xué)合理地將預(yù)防性檢測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)測(cè)性檢測(cè)尤為重要[2]。
基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)(Risk-Based Inspection,RBI)本質(zhì)是對(duì)危險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性和后果進(jìn)行分析和排序。 該技術(shù)最早應(yīng)用于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的承壓設(shè)備檢驗(yàn)與維修中,并取得了較好成效[3,4]。國(guó)內(nèi)首批應(yīng)用至目前廣泛推廣已有20余年,RBI風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理、裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行具有促進(jìn)作用[5~7]。 但對(duì)常壓儲(chǔ)罐進(jìn)行RBI風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和失效概率計(jì)算時(shí),其破壞系數(shù)均按照同一比重,沒有充分考慮儲(chǔ)罐的損傷機(jī)理和部位,無法體現(xiàn)不同損傷因子對(duì)儲(chǔ)罐風(fēng)險(xiǎn)的影響程度,評(píng)價(jià)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。 因此,有必要對(duì)傳統(tǒng)RBI風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法作適當(dāng)改進(jìn),通過確定各系數(shù)在影響儲(chǔ)罐失效中所占的恰當(dāng)比例,實(shí)現(xiàn)各損傷因子的權(quán)重根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)分配,更真實(shí)地反映不同儲(chǔ)罐所具有的風(fēng)險(xiǎn)[8]。
筆者通過將層次分析法與灰色理論相結(jié)合計(jì)算常壓儲(chǔ)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(fēng)險(xiǎn)遮蔽問題,而且通過建立三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,從損傷因子的權(quán)重排序中找出影響儲(chǔ)罐失效的主要因素。 最后以某常壓儲(chǔ)罐為例對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行分析驗(yàn)證,更加證實(shí)了該變權(quán)思想可動(dòng)態(tài)調(diào)整儲(chǔ)罐損傷因子的權(quán)重,有針對(duì)性地計(jì)算儲(chǔ)罐失效概率結(jié)果[9]。
多層次灰色綜合評(píng)價(jià)法是將層次分析法和灰色綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合的一種評(píng)價(jià)方法。 層次分析法是將定量與定性相結(jié)合的多目標(biāo)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(píng)判誤差[10],更好地理解系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系和變化趨勢(shì)。 二者結(jié)合可以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行分別評(píng)價(jià),同時(shí)也可以在子系統(tǒng)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上對(duì)上層系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
1.1.1 建立指標(biāo)體系
據(jù)GB/T 30578—2014 《常壓儲(chǔ)罐基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)》可知,破壞系數(shù)是計(jì)算儲(chǔ)罐失效概率時(shí)起決定性的因素,筆者從此系數(shù)入手,根據(jù)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析選取7項(xiàng)影響值較大的因子, 建立常壓儲(chǔ)罐的三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(duì)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(biāo)度來定義判斷矩陣M,各標(biāo)度的含義見表1。
表1 判斷矩陣標(biāo)度定義
矩陣M的計(jì)算式為:
1.1.3 一致性檢驗(yàn)
對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)時(shí),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(jì)算一致性指標(biāo)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(jī)一致性指標(biāo)RI。
表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI
一致性比例CR的計(jì)算式為:
當(dāng)一致性比例CR<0.10時(shí),認(rèn)為判斷矩陣符合一致性檢驗(yàn),否則應(yīng)重新評(píng)分,對(duì)矩陣M進(jìn)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。
1.2.1 確定評(píng)價(jià)樣本矩陣及評(píng)價(jià)灰類
按照專家評(píng)分法,依據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)指標(biāo)層的每個(gè)指標(biāo), 匯總p位專家對(duì)不同因素的打分情況,形成評(píng)價(jià)樣本矩陣D,即:
將評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分為“低”、“較低”、“中”、“較高”、“高”5個(gè)等級(jí),打分采用9分制,對(duì)這5個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別賦值9、7、5、3、1,具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參照表3。
表3 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)
1.2.2 確定灰類的評(píng)價(jià)系數(shù)
第e個(gè)評(píng)價(jià)灰類的評(píng)價(jià)系數(shù)Xie為:
式中 dik——評(píng)價(jià)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(jì)算表達(dá)式為:
從而得到灰色評(píng)價(jià)矩陣R為:
1.2.4 綜合評(píng)價(jià)
根據(jù)以上數(shù)據(jù)求得灰色綜合評(píng)價(jià)值B為:
式中 ωM——特征向量即層次權(quán)重。
現(xiàn)以某企業(yè)的汽油儲(chǔ)罐為例, 已知該汽油儲(chǔ)罐介質(zhì)為硫化氫(H2S),具有毒性,操作溫度為20 ℃,最低運(yùn)行溫度為3 ℃,儲(chǔ)罐填充高度為15.47 m,直徑為21.15 m,罐壁設(shè)計(jì)厚度為140 mm,罐底設(shè)計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)為API 650。 儲(chǔ)罐的建造符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范的要求——建造于較平坦處, 儲(chǔ)罐基本數(shù)據(jù)資料真實(shí)明確,檢測(cè)方法有效。
將多層次灰色綜合常壓儲(chǔ)罐RBI評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于此實(shí)例,評(píng)價(jià)該儲(chǔ)罐罐底的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。
找若干名該領(lǐng)域的專家和技術(shù)人員組成評(píng)價(jià)打分小組, 對(duì)儲(chǔ)罐破壞系數(shù)中準(zhǔn)則層的4項(xiàng)因子和指標(biāo)層的7項(xiàng)因子進(jìn)行討論打分,根據(jù)表1中的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立判斷矩陣為:
通過MATLAB軟件對(duì)一級(jí)判斷矩陣進(jìn)行計(jì)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(jìn)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(jì)算二級(jí)判斷矩陣, 并通過一致性檢驗(yàn),得到各指標(biāo)的權(quán)重如下:
各要素對(duì)破壞系數(shù)A的權(quán)重排序見表4。
表4 方案層要素對(duì)目標(biāo)層權(quán)重排序
確定評(píng)價(jià)灰類的等級(jí)數(shù)、灰數(shù)及白化權(quán)函數(shù)。
記灰類為e,根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)可知,評(píng)價(jià)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(yàn)豐富的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員和管理人員的評(píng)分,得到D為:
所對(duì)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(duì)應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)及圖像
由指標(biāo)層-準(zhǔn)則層-目標(biāo)層依次計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果,Mi(i=1,2,3,4)的評(píng)價(jià)結(jié)果如下:
破壞系數(shù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為:
M=ωR總=(0.3059,0.3736,0.3011,0.0201,0)
常壓儲(chǔ)罐破壞系數(shù)的修正系數(shù)PE=6.9341,取管理系統(tǒng)評(píng)價(jià)系數(shù)為1.0,同類設(shè)備失效概率為4×10-5,則該儲(chǔ)罐底板的失效概率為0.000 277。 該儲(chǔ)罐通過傳統(tǒng)RBI風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和改進(jìn)方法得到的分析結(jié)果見表6。
表6 傳統(tǒng)RBI評(píng)估方法與改進(jìn)RBI評(píng)估方法風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果對(duì)比
與該儲(chǔ)罐的漏磁掃描檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,該儲(chǔ)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(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)的RBI評(píng)估結(jié)果與儲(chǔ)罐的腐蝕損傷真實(shí)情況更接近,基于多層次灰色綜合的RBI評(píng)估方法與傳統(tǒng)的評(píng)估方法相比準(zhǔn)確性更高。
3.1 根據(jù)多層次灰色綜合評(píng)價(jià)模型,可實(shí)現(xiàn)變權(quán)的思想,能夠根據(jù)儲(chǔ)罐的不同損傷部位和損傷機(jī)理,實(shí)時(shí)動(dòng)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(jī)結(jié)合,運(yùn)用于儲(chǔ)罐失效概率的計(jì)算和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中,不僅可降低單一方法的主觀性,使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)、合理,而且對(duì)加強(qiáng)常壓儲(chǔ)罐安全管理、有針對(duì)性地解決儲(chǔ)罐安全問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
3.3 將常壓儲(chǔ)罐多層次灰色綜合模型應(yīng)用到實(shí)際案例中,通過驗(yàn)證結(jié)果表明,基于多層次灰色綜合的RBI評(píng)價(jià)方法計(jì)算失效概率的結(jié)果比傳統(tǒng)RBI評(píng)估方法更加準(zhǔn)確。