深潛器外壓球殼綜合安全評價研究*

□ 吳俊飛 □ 黃 旭 □ 杜照遠 □ 王 倩 □ 韓云飛

青島科技大學機電工程學院 山東青島 266061

1 研究背景

深潛器可以使海洋科學家和工程技術人員到達海底深處進行現場觀察和作業(yè)。深潛器的主要承壓殼體為受外壓的球殼，外壓球殼需要在復雜的深海高壓環(huán)境下為精密儀器設備提供正常的運行環(huán)境，保證科研人員有安全的工作、生活空間，一旦發(fā)生損壞，后果十分嚴重。因此，對外壓球殼進行安全可靠性評價顯得尤為重要。目前對外壓球殼的研究涉及較少［1］，主要集中在斷裂或疲勞評價方面，陳承皓等［2］針對鈦合金材料短裂紋擴展壽命較長的特點，基于Brown-Hobson模型疲勞全壽命計算法，給出了鈦合金球殼疲勞壽命估算的解決方案。根據不含交叉項的二次響應面法對全壽命模型進行可靠性分析，得出不同參數對可靠度指標的影響。采用疲勞、斷裂評定的方法能夠對壓力容器的安全性進行定性分析，從理論上得出是否安全工作的結論，但實際應用中，評估的理論結果往往還在安全許可內，而事實上卻已經失效，因此不能使用。

影響壓力容器安全性能的因素是多方面的，不能僅針對疲勞或斷裂失效實施安全評價。對承受內壓的壓力容器，有部分研究嘗試采用模糊綜合評價理論來解決問題，但是這些模型都沒有考慮影響壓力容器安全性的主要因素，所以不夠全面和完善。孫黎明［3］建立的模糊綜合評價模型采用了層次分析法確定權重，并考慮了影響壓力容器安全的部分因素，得到了一種內壓容器的安全評價方法，這對壓力容器的安全評估有一定意義，但是側重評價方法簡單介紹，存在不足。柳軍等［4］將磁記憶檢測與模糊評判理論應用于壓力容器綜合安全評價，建立了壓力容器的綜合安全評價模型，最終獲得了一種壓力容器缺陷量化的綜合安全評價方法，但是在建立權重集確定權重方面，僅采用專家討論的方式，沒有一定的理論基礎。

上述模糊綜合評價理論僅應用于內壓容器的安全評價，而筆者將模糊綜合評價理論應用于外壓球殼，并且結合故障樹分析方法，考慮影響外壓球殼安全性的一些因素，建立故障樹模型，求出底層因素的結構重要度，從而可以為確定權重大小提供依據。然后用模糊綜合評價理論對蛟龍?zhí)柹顫撈鞯耐鈮呵驓みM行實例計算，得到一種外壓球殼綜合安全評價的方法和思路。

2 影響外壓球殼安全性的因素

影響外壓球殼安全性的因素有多方面，通常是多種缺陷的匯集才促使事故發(fā)生。蛟龍?zhí)柹顫撈鲀鹊耐鈮呵驓げ捎煤癜宸职隂_壓成型，然后分瓣組裝，焊接成整球［5］。在球殼的加工制造和使用過程中，會存在很多影響安全性的因素，主要體現在如下方面。

（1）制造缺陷。外壓球殼的初始缺陷包括局部缺陷、整體圓度偏差、板厚制造偏差。加工制造過程中存在的缺陷包括焊接殘余應力，以及焊縫內氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等。此外，加工制造過程中可能存在制造裂紋、腐蝕裂紋和疲勞裂紋等。

（2）結構安全性。深潛器外壓球殼表面開有人孔、觀測窗孔和一些貫穿孔，開孔對外壓球殼的安全性存在一定影響，如開孔孔徑、位置、連接處夾角等。開孔要采取加強措施，外壓球殼的開孔選擇圍壁加強，而圍壁的高度、厚度、角度等都會對安全性產生影響。此外，焊縫的結構布置也會對安全性產生影響［6］。

（3）材料材質。外壓球殼所用材料的機械性能、蠕變性能、加工質量都會對安全性產生影響［7］。

（4）外部環(huán)境。外壓球殼處于深海，會受到循環(huán)載荷的作用，并且隨停留時間的延長會有保載特性，在外部溫度作用下使殼體的材料產生蠕變，或應力集中，都會影響外壓球殼的安全性。

3 故障樹分析

3.1 故障樹模型

故障樹分析［8］是系統(tǒng)安全分析中廣泛應用的一種方法，研究系統(tǒng)可能發(fā)生事件的各種原因及邏輯關系，并進行定性和定量分析，發(fā)掘關鍵環(huán)節(jié)，采取有效措施加以控制。在故障樹分析中，首先將需要分析的系統(tǒng)故障事件稱為頂上事件T，然后按照邏輯關系分析引起頂上事件的直接原因，稱為二次事件或中間事件Mi，之后再進行分解，一直追溯到基本事件Xi或初始事件為止。圖1為外壓球殼失效故障樹模型。

圖1 外壓球殼失效故障樹模型

3.2 結構重要度

結構重要度I（Xi）是故障樹分析中的一個重要數量指標，表示基本事件Xi在故障樹結構中所占的地位，也即造成的影響程度。結構重要度有以下原則［9］：①單事件最小割集中的基本事件，結構重要度最大；②僅在同一最小割集中出現的所有基本事件，結構重要相等；③兩基本事件僅出現在基本事件個數相等的若干最小割集中。由于所總結的影響外壓球殼安全性的因素比較多，因此可以將影響外壓球殼失效的因素按結構重要度忽略一些重要度低的影響因素，以方便后續(xù)應用模糊綜合評價理論對外壓球殼進行實例計算。

外壓球殼失效故障樹的結構重要度順序為：

4 模糊綜合評價模型

得到影響外壓球殼安全性因素的結構重要度后，為綜合評價各因素的安全性賦值提供了依據，在此基礎上建立外壓球殼的模糊綜合評價模型，做出綜合評判［10］。

4.1 建立因素集

影響壓力容器安全性能的各種主要失效模式組成評價指標體系 U，U=｛u1，u2，u3，u4｝=｛缺陷問題，材質問題，結構問題，外部環(huán)境｝，u1=｛u11，u12，u13，u14，u15｝=｛整體圓度偏差，板厚制造偏差，焊接殘余應力，氣孔，裂紋｝，u2=｛u21，u22，u23｝=｛材料機械強度， 材料蠕變性能，材料加工質量｝，u3=｛u31，u32，u33，u34，u35，u36｝=｛開孔孔徑，開孔位置，圍壁高度，圍壁厚度，圍壁角度，焊縫布置｝，u4=｛u41，u42，u43，u44，u45｝=｛循環(huán)載荷，蠕變，應力集中，溫度，應力腐蝕｝，ui為中間評價指標，uij為基本評價指標。

4.2 建立評價集

采用定性分析與定量分析相結合的方法，對每個因素進行分級，建立各指標的模糊集合。評價等級集合 V=｛v1，v2，v3，v4｝=｛安全，比較安全，比較危險，非常危險｝。v1的評分區(qū)間為（85，100），中間值為 92.5，外壓球殼在此區(qū)間為安全。v2的評分區(qū)間為（70，85），中間值為77.5，外壓球殼在此區(qū)間為比較安全。依次類推，得到評價等級集合為｛92.5，77.5，62.5，47.5｝。

4.3 建立權重集

4.3.1 建立遞階層次結構

通過故障樹分析已得到各影響因素的結構重要度，從中選取主要因素，忽略一些重要度低的因素，建立外壓球殼的評價指標體系。將各因素按關聯(lián)隸屬關系分為三層：第一層為目標層，即外壓球殼綜合安全評價；第二層為準則層，即缺陷問題、材質問題、結構問題、外部環(huán)境；第三層為因素層，即影響外壓球殼安全性能的各主要因素指標。建立的遞階層次結構如圖2所示。

圖2 外壓球殼綜合安全評價遞階層次結構

4.3.2 構造比較判斷矩陣

以故障樹分析法得到的影響外壓球殼安全性各因素的結構重要度為依據，按遞階層次結構，對各因素進行重要度賦值，構造判斷矩陣 P=（pij）n*n，pij表示因素 pi和pj相對于準則層的重要度。對構造的矩陣P進行列歸一化：

4.3.3 單一準則元素權重計算

將列歸一化后的矩陣P按行相加，對得到的行向量Wi進行歸一化：

4.3.4 判斷矩陣一致性檢驗

計算一致性指標C：

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根。

式中：UW為兩向量乘積的平均值。

計算一致性比例CR：

式中：R1為平均隨機一致性指標。

當 CR＜0.1 時，滿足一致性要求［11］。

4.4 確定評判隸屬矩陣

根據上述對外壓球殼安全影響因素的總結，由多位專家從評價指標體系中的單個被評價指標出發(fā)，按評價集對外壓球殼各指標的危險程度進行評級，得到各因素對于評價等級的隸屬度，進而得到隸屬度矩陣R。第k個因素的相對隸屬度矩陣Rk為：

式中：rkij為第k個因素集的第i個因素影響評價中第j個判斷元素的程度；pkij為綜合考慮所有專家成員時，第k個因素集的第i個因素對應于評價集中第j個判斷元素的頻數。

3.5 計算綜合評價結果

由各因素的權向量Wi和Rk做模糊變換，得到模糊綜合評判向量：

由Bk組成一級模糊綜合評判矩陣 ｛B1B2B3B4｝，與權向量Wk作模糊變換，得到一級綜合評價結果：

由矩陣B和評價集的參數列向量V=｛v1v2v3v4｝，得到外壓球殼的綜合安全評價結果：

根據評價集的屬性，對評價指標加權求和，得到外壓球殼多因素失效危險性大小。

5 實例計算

以蛟龍?zhí)柹顫撈魍鈮呵驓槔M行計算。外壓球殼內徑為2 100 mm，壁厚為77 mm，材料為TC4，深潛器下潛7 000 m所受壓力為70 MPa，取安全因數為1.3，溫度為1.8℃，具有輕微腐蝕性。

根據所得到的各影響因素結構重要度，忽略一些次要因素，建立遞階層次結構，進行各元素的重要程度賦值，得到相應因素的判斷矩陣。對判斷矩陣按式（1）進行歸一化，將歸一化后的矩陣按行相加，并對得到的行向量歸一化，由式（2）得到權重。權重表的最終計算結果見表1。

表1 權重表

根據式（4）計算一致性比例，得到則 CR＜0.1，均滿足一致性要求。

對此外壓球殼的各項危害指標進行危險程度評級，得到隸屬矩陣，見表2～表5。

表2 隸屬矩陣R1

表3 隸屬矩陣R2

表4 隸屬矩陣R3

表5 隸屬矩陣R4

由式（8）和式（9）得到一階模糊綜合評判矩陣B1～B5，再將V與B代入式（10），得到綜合評價結果Z=77.3，由評價等級可知，該外壓球殼評判等級為安全。

6 結論

隨著近年對海洋的深度開發(fā)，人們對深潛器外壓球殼的安全性檢查提出了更高的要求。為了提高評定的可靠性，一些新方法正在研究或已經在評定過程中使用。隨著模糊數學的發(fā)展和不斷完善，人們越來越認識到在實際工程操作中存在很多不確定性因素，并開始嘗試模糊理論來解決工程實際問題，開展模糊理論在安全評價方面的研究。

筆者采用模糊綜合評價理論，結合故障樹分析方法，探索了一種外壓球殼安全性的綜合評價思路。

將模糊綜合評價理論和故障樹分析方法進行結合，建立了外壓球殼的因素集和評價集，并且以故障樹分析法得到的影響因素的結構重要度為依據，給出外壓球殼安全評價指標體系的相應權重，形成一種外壓球殼綜合安全評價的方法。

將所提出的綜合安全評價方法應用于蛟龍?zhí)柹顫撈鞯耐鈮呵驓ぐ踩u價中，證實了蛟龍?zhí)柹顫撈鞯耐鈮呵驓な前踩?，同時驗證了所提出方法的可行性。

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