艦船海水管路腐蝕狀態(tài)評估技術(shù)研究

張波,李向陽,董彩常

(1.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所,山東青島266071; 2.中國鋼研科技集團有限公司,北京100081)

艦船海水管路腐蝕狀態(tài)評估技術(shù)研究

張波1,李向陽2,董彩常1

(1.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所,山東青島266071; 2.中國鋼研科技集團有限公司,北京100081)

目的研究建立艦船海水管路的腐蝕狀態(tài)評估指標體系及評估方法。方法通過經(jīng)驗選擇影響艦船海水管路腐蝕狀態(tài)的重要指標,并確定相應(yīng)評估方法、評價標準及權(quán)重。結(jié)果選擇管材腐蝕程度、陰極保護狀態(tài)、電絕緣保護狀態(tài)、海水流速控制狀態(tài)、密封材料密封狀態(tài)5項參數(shù)組成海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)評估指標體系。結(jié)論可選用層次-模糊法對海水管路腐蝕狀態(tài)進行評估,其中層次分析法(AHP)用來確定評價指標權(quán)重,模糊綜合評判法用來處理評價指標值。

艦船;海水管路;評估;腐蝕

腐蝕不僅會大大縮短艦船海水管路服役壽命,降低在航率,而且直接影響艦船技戰(zhàn)術(shù)性能的發(fā)揮,甚至對艦船使用安全造成嚴重威脅。海軍艦船在航行時如果因為海水管路腐蝕出現(xiàn)故障,不僅會影響艦船的軍事使用性能,而且還有可能造成艦員的傷亡。因此,對艦船海水管路的腐蝕狀態(tài)進行評估,客觀地反映其安全性、可用性與耐久性,提前做預(yù)防性的工作,就會大大降低腐蝕事故的發(fā)生。

通過開展艦船海水管路腐蝕狀態(tài)評估技術(shù)研究,建立艦船海水管路的腐蝕狀態(tài)評估指標體系,并進行評估方法研究,旨在為海軍在役艦船海水管路的檢測維修提供技術(shù)支持,對于保證海軍艦船的安全性和戰(zhàn)斗力具有十分重要的意義。

1 典型研究方法的對比

1.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是美國匹茲堡大學(xué)教授T.L.Saaty于20世紀70年代初提出的一種分析問題的方法。它的提出背景是1971年Saaty為美國國防部搞的“應(yīng)急計劃”、1972年為美國國家科學(xué)基金會研究電力分配問題和1973年為蘇丹政府搞的運輸計劃。該方法的特點是定性定量相結(jié)合。目前,AHP已成為綜合評價問題研究中應(yīng)用最為廣泛的定權(quán)方法之一[1—2]。

AHP法計算的結(jié)果最終是一組權(quán)系數(shù)或相對排序。作為權(quán)系數(shù),可以直接代入模型用于計算,例如“加權(quán)和”等模型中的權(quán)系數(shù);作為方案間的相對排序,其本身就可用于決策。

AHP法的求解思路是:將復(fù)雜問題分解為各組成因素,將這些因素按支配關(guān)系分組以形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu),通過對各因素兩兩比較重要性的方式確定每一層次中因素的相對重要性,然后在遞階的層次結(jié)構(gòu)內(nèi)進行合成,得到最底層因素相對于目標重要性的總順序。

1.2 質(zhì)量功能展開法

質(zhì)量功能展開(Quality Function Deployment, QFD)是一種結(jié)構(gòu)化的需求分析方法,目前國內(nèi)外許多研究中也將該方法用于評價指標權(quán)重的確定。該方法通過質(zhì)量屋(House of Quality,HOQ)可以建立用戶需求與評價指標間的相關(guān)關(guān)系,量化得出評價指標的重要度,分析結(jié)果清晰直觀、可追溯,突出了裝備用戶需求對評價結(jié)果的牽引作用[3—4]。

QFD這一概念由日本質(zhì)量專家赤尾洋二1966年首次提出,目的是為了在產(chǎn)品設(shè)計階段就確定出制造過程中的質(zhì)量控制要點,減少生產(chǎn)初期錯誤的發(fā)生。通過該方法,用戶需求可以被轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品開發(fā)過程中各階段的技術(shù)要求,并確定出決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)特性,從而為產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計的具體實施指出方向。

1.3 逼近理想解法

逼近理想解法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)是解決多目標綜合評價的常用方法之一[5—6]。設(shè)一個多目標評估問題的備選方案集為X={x1,x2,…,xm},衡量方案優(yōu)劣的屬性向量為Y={y1,y2,…,yn}。這時方案集X中每個方案xi(i=1,…,m)的n個屬性值構(gòu)成向量Yi={yi1,yi2,…,yin}作為n維空間中的一個點,它能惟一地表征方案Xi。TOPSIS通過構(gòu)造出備選方案中的最優(yōu)方案和最劣方案(也就是正、負理想解),分別計算各個評價對象與最優(yōu)方案和最劣方案之間的距離,獲得各評價方案與最優(yōu)方案的相對接近程度,以此作為評價方案優(yōu)劣的依據(jù)。

1.4 模糊綜合評判法

模糊綜合評判(Fuzzy Comprehensive Evaluation, FCE)法是模糊數(shù)學(xué)領(lǐng)域中一個十分重要的分支。模糊數(shù)學(xué)是1965年由美國著名控制論專家L.A. Zadeh創(chuàng)立,它用數(shù)學(xué)方法研究和處理具有模糊性的現(xiàn)象。模糊性是人類思維的特點之一,模糊集合論是處理模糊現(xiàn)象的有效工具,而評價是人對事物的一種看法,思維的本質(zhì)決定了其帶有模糊的性質(zhì),因而模糊數(shù)學(xué)方法在系統(tǒng)評價領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。當評價涉及多指標的事物時,可以利用模糊集合輪對某一事物的各指標實現(xiàn)程度進行綜合,然后根據(jù)給定的標準,得出綜合評定性意見[7—9]。

1.5 幾種典型方法的對比分析

對上述幾種綜合評估方法的優(yōu)缺點以及用途進行歸納與總結(jié),見表1。

表1 典型評估方法優(yōu)缺點對比Table 1 Comparison of the advantages and disadvantages of typical evaluation methods

2 評估指標的選擇

由系統(tǒng)評估的基本步驟可知,要評估海水管路系統(tǒng)的腐蝕狀態(tài),第一步工作就是對海水管路系統(tǒng)進行系統(tǒng)的分析,科學(xué)、合理地選取評估指標。一個復(fù)雜的系統(tǒng),從不同角度評估,有不同的評估指標,要確定其指標就需要進行整理、分類和綜合。確定評估指標體系時一般應(yīng)遵循的原則有一下幾點。

1)目的性原則。選定指標是為了反映評估對象,因此所有指標都應(yīng)具有較強的目的性,是為了反映系統(tǒng)的安全性。

2)可行性和實用性原則。指標體系的設(shè)定要具有可操作性和實用性,要考慮到評估指標數(shù)據(jù)收集時、綜合評估模型使用時的方便、快捷。

3)實效性原則。所選指標不僅要能夠反映一定時期內(nèi)系統(tǒng)安全性變化,而且要具有適時性,在指標容易發(fā)生變化時也能適用。

4)系統(tǒng)性原則。系統(tǒng)論的觀點就是指應(yīng)把事故當作一個整體或系統(tǒng)來加以考慮,因此,評估的指標應(yīng)廣泛、系統(tǒng),能充分反映評估對象的優(yōu)劣水平。

5)定性和定量相結(jié)合原則。根據(jù)上述原則,確定評估指標時采用定性分析并借助于專家調(diào)查的手段[10—12]。因為資深專家有著一定的理論水平和豐富的實踐經(jīng)驗,他們是最有發(fā)言權(quán)的,他們認為對海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)影響大的一些因素對確定評估指標是有著極大的參考價值,甚至起著決定性的作用。

在綜合考慮以上幾個方面的基礎(chǔ)上,經(jīng)過一定的調(diào)查研究分析,對影響艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)的諸多方面進行必要的篩選,加以合理歸納整理,選取了對海水管路系統(tǒng)防腐狀態(tài)有直接影響的要素[13—16],也就是評估指標,包括:材質(zhì)腐蝕程度、陰極保護狀態(tài)、電絕緣保護狀態(tài)、管路海水流速控制狀態(tài)、管路密封材料密封狀態(tài)等。

3 評估指標體系的建立

根據(jù)艦船海水管路的腐蝕狀態(tài)特征,選用層次-模糊法對海水管路的腐蝕狀態(tài)進行評估,其中層次分析法用來確定評價指標權(quán)重,模糊綜合評判法用來處理評價指標值。這兩種方法都是應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的綜合評估方法。

1)評估指標評價標準的確定。為了進行評價,在確定了評價指標后,還需要確定各評價指標的評價標準。按照科學(xué)性、合理性以及符合人們思維判讀習(xí)慣的原則,將評價標準按照對艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)影響的程度分為4個等級:A,B,C,D。各等級得分分別對應(yīng)為90,70,50,30。對于定量指標,通過指標的參數(shù)值進行量化考核,對于無法直接量化考核與評定的定性指標,確定出相應(yīng)的評價標準便于打分。海水管路系統(tǒng)防腐狀態(tài)在材質(zhì)腐蝕程度、陰極保護狀態(tài)、電絕緣保護狀態(tài)、海水流速控制狀態(tài)和密封材料密封狀態(tài)等5方面的等級評估標準見表2。

2)評價指標權(quán)重的確定。首先,根據(jù)艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)評估指標體系構(gòu)造權(quán)重集,各指標權(quán)重集wb=(wb1,wb2,wb3,……);其次,構(gòu)造評判矩陣,并求解出判斷矩陣的特征向量。根據(jù)專家調(diào)查問卷,計算所有專家個體判斷矩陣中每一信息元素的算術(shù)平均數(shù)和標準差,剔除超過算術(shù)平均數(shù)2個標準差以外的個體判斷信息,然后再次計算算術(shù)平均數(shù),得到各級判斷矩陣。通過矩陣計算得到判斷矩陣的最大特征根及其對應(yīng)的特征向量。計算得到判斷矩陣最大特征值對應(yīng)的特征向量wb1=0.30,wb2=0.15,wb3=0.20,wb4=0.20,wb5=0.15。然后,計算一致性指標,對判斷矩陣進行一致性檢驗。

表2 評估指標評價等級標準Table 2 Evaluation grading standard of evaluation index

3)艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)評估。根據(jù)艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)檢測結(jié)果,參照評價標準對腐蝕狀態(tài)評估指標進行打分。打分可以邀請行業(yè)內(nèi)相關(guān)專家進行,對打分結(jié)果進行統(tǒng)計,統(tǒng)計表可見表3。

表3 專家打分統(tǒng)計表Table 3 Statistics of score given by experts

根據(jù)專家打分表確定各因素的隸屬于A,B,C和D的模糊隸屬度,通過向量運算做模糊綜合評判,可以得到艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)評估結(jié)果。

根據(jù)計算結(jié)果劃分艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)等級。

1)A:90～100,表明目前防腐狀態(tài)很好,可以滿足使用要求;

2)B:70～90,表明目前防腐狀態(tài)較好,可以滿足使用要求,但存在個別問題需要注意;

3)C:50～70,表明目前防腐狀態(tài)較差,存在不少問題,需進行處理后才可滿足使用要求;

4)D:30～50,表明目前防腐狀態(tài)很差,存在很多問題,不能滿足使用要求。

根據(jù)以上綜合評估結(jié)果,可以對艦船海水管路系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)進行總體評估。根據(jù)評估結(jié)果,發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)和存在問題,提出有關(guān)建議,以指導(dǎo)艦船海水管路系統(tǒng)防腐措施的改進和優(yōu)化。

4 結(jié)論

在對評估技術(shù)和方法綜合分析的基礎(chǔ)上,通過建立艦船海水管路的腐蝕狀態(tài)評估指標體系,并開展海水管路腐蝕狀態(tài)評估技術(shù)研究,得到以下結(jié)論。

1)通過綜合分析合理選取了海水管路系統(tǒng)防腐狀態(tài)評估指標:材質(zhì)腐蝕程度、陰極保護狀態(tài)、電絕緣保護狀態(tài)、管路海水流速控制狀態(tài)、管路密封材料密封狀態(tài);

2)選用層次-模糊法對海水管路的腐蝕狀態(tài)進行了評估,其中層次分析法用來確定評價指標權(quán)重,模糊綜合評判法用來處理評價指標值。

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Research on Evaluation Technology for Corrosion State of Seawater Piping of Warship

ZHANG Bo1,LI Xiang-yang2,DONG Cai-chang1

(1.Qingdao Marine Corrosion Research Institute,Qingdao 266071,China; 2.China Iron&Steel Research Institute Group,Beijing 100081,China)

ObjectiveTo establish an evaluation index system and an evaluation method for corrosion state of seawater piping.MethodsImportant evaluation indexes for corrosion state of seawater piping of warship were chosen by experience, and then the appropriate evaluation methods,evaluation criteria and weights were determined.ResultsAn evaluation index system for corrosion state of seawater piping was formed by five parameters,including the corrosion degree of pipe,the cathodic protection status,the electrical insulation protection status,the controlling state of seawater velocity,and the sealing state of sealing material.ConclusionHierarchical-fuzzy method could be selected to evaluate the corrosion status of seawater pipeline.Analytic hierarchy process(AHP)was used to determine the weight of evaluation index,fuzzy comprehensive judgment method was used to handle the evaluation index value.

warship;seawater piping;evaluation;corrosion

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.024

TG174

:A

1672-9242(2014)04-0120-05

2014-04-28;

2014-05-05

Received:2014-04-28;Revised:2014-05-05

張波(1971—),男,山東青島人,碩士,主要研究方向為金屬的腐蝕與防護。

Biography:ZHANG Bo(1971—),Male,from Qingdao,Shandong,Master,Research focus:corrosion and protection of metals.