聶鈺明 李屹東 劉群芳 何琦 溫小飛

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江舟山 316022；2.舟山市特種設(shè)備檢測研究院，浙江舟山 316021；3.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316021）

0 引言

氨是一種具有良好的熱力學(xué)性質(zhì)的自然制冷工質(zhì)，因而被廣范應(yīng)用于化工行業(yè)。氨制冷系統(tǒng)具有較強(qiáng)的制冷效果，但同時(shí)也存在著一定的安全隱患，如易燃易爆等特點(diǎn)，一旦發(fā)生事故，極易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失［1］。由于液氨特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，國內(nèi)外發(fā)生了多起安全事故。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)［2-3］，截至2021 年底，我國化工系統(tǒng)發(fā)生了約60 起重大泄漏事故。其中，吉林省某公司發(fā)生的液氨泄漏爆炸事故，造成121 人死亡、76 人受傷，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。因此，液氨的儲(chǔ)存及設(shè)備的安全使用不容忽視。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)采取各種安全有效的措施，避免發(fā)生事故，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

目前氨制冷系統(tǒng)的安全評價(jià)體系尚未完善，現(xiàn)有的評價(jià)方法大多以管路為檢測對象，缺乏對液氨儲(chǔ)罐自身的安全評價(jià)分析。對此，加強(qiáng)液氨儲(chǔ)罐安全研究，對液氨儲(chǔ)罐進(jìn)行合理的安全評價(jià)是非常有必要的［4］。國內(nèi)外安全評價(jià)方法種類繁多，目前對儲(chǔ)罐的安全評價(jià)主要包括安全檢查表法、DOW、FTA、蒙德法、模糊綜合評價(jià)法、AHP、熵權(quán)法等［5］，但采用單一方法均存在局限性，因此本文采用AHP-熵權(quán)法相結(jié)合的方法確定各因素權(quán)重，構(gòu)建模糊綜合評價(jià)模型，對液氨儲(chǔ)罐安全等級進(jìn)行評價(jià)。

1 評價(jià)體系

以某大型冷庫液氨儲(chǔ)罐為例，運(yùn)用改進(jìn)AHP-熵權(quán)法，開展液氨儲(chǔ)罐安全等級評價(jià)，因工程項(xiàng)目特殊性，忽略管理、環(huán)境、人員等其他因素影響，只考慮液氨儲(chǔ)罐設(shè)備本身的特性，建立液氨儲(chǔ)罐安全評價(jià)指標(biāo)體系如表1 所示。

表1 某大型冷庫液氨儲(chǔ)罐安全評價(jià)指標(biāo)體系

該評價(jià)體系以液氨儲(chǔ)罐安全評價(jià)指標(biāo)體系為目標(biāo)層A，準(zhǔn)則層包括罐體腐蝕因素B1和罐體焊接質(zhì)量B2。

罐體腐蝕因素B1可分解為材料抗腐蝕性能C1、殘余應(yīng)力C2、應(yīng)力集中C3、外部涂層變薄C4、涂層脫落C5、涂層老化C6、涂層粘結(jié)力C7。罐體焊接質(zhì)量B2可分解為焊接未焊透C8、焊接未熔合C9、焊縫夾雜C10、焊縫有氣孔C11。

2 評價(jià)方法

2.1 層次分析法

層次分析法在進(jìn)行指標(biāo)重要性比較時(shí)采用1—9 標(biāo)度構(gòu)造判斷矩陣，但以此構(gòu)建的判斷矩陣容易受到評價(jià)者主觀因素的影響，不能反映人們評價(jià)思維的模糊性，若缺乏經(jīng)驗(yàn)或判斷錯(cuò)誤將造成決策的偏差，即評價(jià)結(jié)果知與客觀事實(shí)存在較大差異。評價(jià)者需要對決策問題的本質(zhì)、元素組成及其聯(lián)系等深入了解。針對上述不足，本文采用一種修改標(biāo)度值的改進(jìn)AHP 構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系，如表2 所示，該方法梯度下降更容易接受，不僅保留了層次分析法的優(yōu)點(diǎn)，還可以減少主觀偏差。

表2 改進(jìn)AHP 標(biāo)度對比

AHP 一般按照4 個(gè)步驟計(jì)算評價(jià)指標(biāo)權(quán)重［6-7］。

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。通過分析研究對象，根據(jù)各影響因素的屬性及分類建立指標(biāo)的層次關(guān)系。

（2）構(gòu)造判斷矩陣A=（aij）n×n。根據(jù)標(biāo)度方法由aij構(gòu)造判斷矩陣A：

式中，ai表示元素ai和aj兩兩比較所得評價(jià)值，有以下性質(zhì)：

（3）計(jì)算重要性排序。根據(jù)判斷矩陣A計(jì)算其最大特征根max所對應(yīng)的特征向量，具體方法如下：

（4）一致性檢驗(yàn)。計(jì)算一致性指標(biāo)CI：

通過檢驗(yàn)一致性比率來檢驗(yàn)一致性，具體計(jì)算方法如下：

式中，CR為一致性比率，若CR值小于0.1，則認(rèn)為結(jié)果可靠；RI為平均一致性指標(biāo)，具體值見表3。

表3 一致性指標(biāo)

2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種用于對象、多指標(biāo)的綜合評價(jià)方法，其優(yōu)點(diǎn)之處在于它幾乎不受主觀因素的影響，且能獲得較好的客觀指標(biāo)權(quán)重［8］。為避免主觀因素的影響，考慮利用熵權(quán)法確定評價(jià)對象的客觀權(quán)重。具體步驟如下：

（1）原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。m個(gè)評價(jià)指標(biāo)、n個(gè)評價(jià)對象構(gòu)成的初始數(shù)據(jù)矩陣為：

首先對矩陣X標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣為：

式中，yij表示第j個(gè)評價(jià)對象在第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)上的標(biāo)準(zhǔn)值。指標(biāo)評價(jià)：評價(jià)指標(biāo)可分為正向指標(biāo)yij和逆向指標(biāo)y'ij。

正向指標(biāo)：

逆向指標(biāo)：

（2）熵與熵權(quán)的定義。在含m個(gè)評價(jià)指標(biāo)、n個(gè)評價(jià)對象的評價(jià)問題中，第i個(gè)指標(biāo)的熵定義為：

在（n，m）評價(jià)問題中，第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)定義為：

（3）綜合權(quán)重的計(jì)算。對上述改進(jìn)AHP 所得的主觀權(quán)重與熵權(quán)法得到的客觀權(quán)重進(jìn)行耦合，計(jì)算公式如下：

式中，由專家進(jìn)行賦值，取=0.55。

3 算例分析

現(xiàn)以某企業(yè)大型冷庫氨制冷系統(tǒng)為例，選取容積為8.18 m3、凈重3 070 kg、主體材料為Q245R 的液氨儲(chǔ)罐為評價(jià)對象。該罐體實(shí)物如圖1 所示，液氨儲(chǔ)罐資料顯示，該罐已超出使用年限，已報(bào)廢停止使用。采用上文所建立的評價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用AHP-熵權(quán)法對該液氨儲(chǔ)罐安全等級進(jìn)行評價(jià)。

圖1 液氨儲(chǔ)罐設(shè)備

3.1 權(quán)重計(jì)算

基于上文所提出的改進(jìn)標(biāo)度AHP，將準(zhǔn)則層和指標(biāo)層兩兩因素進(jìn)行比較，構(gòu)造出各層對應(yīng)的判斷矩陣。根據(jù)AHP 的求解機(jī)理，結(jié)合式（3）—式（5），采用Matlab 編寫程序可計(jì)算出層次單排序權(quán)重及一致性比率（CR）檢驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算結(jié)果如表4—表6所示。 結(jié)果表明，CR的值均小于0.1，一致性檢驗(yàn)滿足要求。

表4 準(zhǔn)則層判斷矩陣

表5 罐體腐蝕判斷矩陣

表6 焊接質(zhì)量判斷矩陣

基于各評審專家的打分，根據(jù)AHP-熵權(quán)法計(jì)算綜合權(quán)重，由式（8）計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重，見表7。

表7 各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

3.2 安全評價(jià)

（1）建立評語集。設(shè)U={u1，u2，…，um}被評價(jià)對象的m個(gè)影響因素，V={v1，v2，…，vn}為被評價(jià)對象的安全等級。根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》［9］相關(guān)規(guī)定，將儲(chǔ)罐安全等級劃分為很安全、較安全、一般安全，較不安全，不安全，即Ⅰ—Ⅴ這5個(gè)等級，V={很安全，較安全，一般安全，較不安全，不安全}。表8 是經(jīng)過統(tǒng)計(jì)處理后得到的隸屬度。

表8 液氨儲(chǔ)罐評價(jià)指標(biāo)隸屬度

（2）準(zhǔn)則層各因素模糊綜合評價(jià)。由表6 確定各因素權(quán)重集W1和W2，根據(jù)表7 確定其罐體腐蝕因素模糊評價(jià)矩陣R1，焊接質(zhì)量因素模糊評價(jià)矩陣R2。

依照模糊算子運(yùn)算可得罐體腐蝕及焊接質(zhì)量模糊綜合評價(jià)：

（3）液氨儲(chǔ)罐安全等級模糊綜合評價(jià)。由準(zhǔn)則層因素評價(jià)結(jié)果可得液氨儲(chǔ)罐安全等級模糊綜合評價(jià)矩陣：

可得液氨儲(chǔ)罐安全等級模糊綜合評價(jià)：

對液氨儲(chǔ)罐安全評價(jià)的5 個(gè)等級的隸屬度依次為0、0.188 1、0.193 4、0.245 5、0.374 1。

3.3 結(jié)果分析與建議

通過上述計(jì)算，根據(jù)模糊綜合評價(jià)和最大隸屬度原則，該液氨儲(chǔ)罐的安全等級為Ⅴ級，即不安全，與實(shí)際情況相符?？梢钥闯鲈u價(jià)指標(biāo)體系中11 個(gè)因素對液氨儲(chǔ)罐安全性的影響程度大小，各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重分布如表9，可以直觀地看出，對液氨儲(chǔ)罐安全性影響較大的指標(biāo)分別為罐體的主體材料抗腐蝕性能以及焊接工藝中是否焊透熔合。

表9 氨儲(chǔ)罐評價(jià)指標(biāo)權(quán)重分布

綜上計(jì)算與分析，液氨儲(chǔ)罐的安全等級在運(yùn)行過程中受到多種因素的影響，針對液氨儲(chǔ)罐的安全管理提出以下建議：

（1）在制造液氨儲(chǔ)罐前須根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行工況選取合適的鋼材材質(zhì)。

（2）焊接拼接罐體過程中須按規(guī)定的程序進(jìn)行，確保焊接材料無縫焊透熔合。

（3）定期進(jìn)行安全檢查與維護(hù)，防止涂層腐蝕或脫落，從而延長儲(chǔ)罐使用壽命。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于改進(jìn)AHP-熵權(quán)法相結(jié)合的液氨儲(chǔ)罐安全評價(jià)方法，運(yùn)用模糊綜合評價(jià)方法對液氨儲(chǔ)罐的安全等級進(jìn)行評價(jià)，既彌補(bǔ)了單一方法缺乏可靠性的缺點(diǎn)，又增強(qiáng)了層次結(jié)構(gòu)模型的針對性。AHP-熵權(quán)法得到的綜合權(quán)重作為判別依據(jù)可更直觀地反映評價(jià)指標(biāo)重要程度的概念，對研究液氨儲(chǔ)罐的安全評價(jià)具有一定的工程參考價(jià)值。該評價(jià)方法對于輔助主觀評價(jià)結(jié)果的綜合分析具有一定優(yōu)勢，同樣適用于分析復(fù)雜、多維度的安全評價(jià)體系。本文所述的液氨儲(chǔ)罐安全評價(jià)方法適用范圍廣，有較強(qiáng)的可操作性和實(shí)用性，也可以應(yīng)用于評價(jià)其他模塊，如氨制冷系統(tǒng)壓力管道檢驗(yàn)。