壓力容器服役質(zhì)量指標(biāo)體系構(gòu)建及評(píng)價(jià)方法研究

姜洪權(quán),周濤,高建民,夏鋒社,王榮喜,張曉明,劉東程

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.陜西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院,710048,西安)

壓力容器是一種易發(fā)生爆炸、泄漏,造成重大財(cái)產(chǎn)損失甚至人員傷亡的特種設(shè)備,廣泛用于化工、煉油、能源動(dòng)力等領(lǐng)域[1]。雖然我國(guó)自20世紀(jì)80年代后逐步建立了壓力容器的安全管理體系[2],安全狀況得到了極大改善,但仍然無(wú)法準(zhǔn)確把握壓力容器在服役中的質(zhì)量狀態(tài),安全事故時(shí)有發(fā)生。因此,研究壓力容器在服役過程中質(zhì)量狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù),對(duì)于保證企業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行具有重要的意義。

服役過程是壓力容器全生命周期中重要組成部分,服役過程中的安全可靠性評(píng)價(jià)研究是熱點(diǎn)問題。在評(píng)估壓力容器安全狀況等級(jí)方面,我國(guó)現(xiàn)行的《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定了壓力容器在服役過程中進(jìn)行強(qiáng)制定期檢驗(yàn),根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行安全狀況等級(jí)評(píng)定,并確定相應(yīng)檢驗(yàn)周期[3]。

文獻(xiàn)[4]分析海洋平臺(tái)壓力容器事故的主要風(fēng)險(xiǎn)因素,用改進(jìn)的層次分析法與灰色關(guān)聯(lián)分析法組合對(duì)壓力容器安全等級(jí)進(jìn)行評(píng)估。20世紀(jì)90年代,美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)提出了基于RBI(Risk Based Inspection)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分析技術(shù),目前在國(guó)內(nèi)得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用[5]。文獻(xiàn)[6]基于RBI的理念,分析辨識(shí)制氫機(jī)組中的壓力容器存在的危害因素,實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)定性或定量評(píng)估,并提出降低風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策建議。

此外,在壓力容器剩余壽命分析、裂紋與腐蝕缺陷機(jī)理方面也有相關(guān)研究[7]。文獻(xiàn)[8]探討了壓力容器疲勞蠕變與動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效之間的耦合作用,建立了一種半壽命平均位移速率壽命預(yù)測(cè)模型,對(duì)壓力容器壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[9]以壓力容器行業(yè)最為廣泛使用的低合金鋼16MnR材料為對(duì)象,研究壓力容器服役過程中高溫?fù)p傷對(duì)斷裂韌性、低周疲勞壽命及應(yīng)變疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響。

現(xiàn)有關(guān)于壓力容器評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn),主要是按照最弱環(huán)節(jié)原則進(jìn)行評(píng)價(jià),如RBI風(fēng)險(xiǎn)分析是針對(duì)具體危險(xiǎn)源發(fā)生的概率和可能造成后果的嚴(yán)重程度、性質(zhì)等進(jìn)行定性或定量評(píng)價(jià);還有一些方法偏重缺陷失效機(jī)理分析,著眼于功能完整性的評(píng)價(jià)。換言之,現(xiàn)有方法主要是以實(shí)現(xiàn)壓力容器在使用過程中是否安全為主要目標(biāo)進(jìn)行分析,僅僅是壓力容器服役過程質(zhì)量評(píng)價(jià)的一個(gè)方面,涉及因素及方法不能滿足當(dāng)前服役質(zhì)量管控的需要。因此,需要構(gòu)建從用戶角度、以服役過程質(zhì)量管控為目的的壓力容器服役質(zhì)量評(píng)價(jià)體系與方法。

針對(duì)以上不足,本文提出了一種壓力容器服役質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。首先進(jìn)行了壓力容器服役質(zhì)量?jī)?nèi)涵分析,提出了壓力容器服役質(zhì)量的概念;其次構(gòu)建了壓力容器服役質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,實(shí)現(xiàn)從宏觀層面對(duì)壓力容器服役質(zhì)量狀態(tài)的有效刻畫;最后提出了服役質(zhì)量指數(shù)的概念。在屬性數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上引入了評(píng)語(yǔ)等級(jí)加權(quán)向量分析,并采用百分制的形式計(jì)算壓力容器服役質(zhì)量指數(shù),使得評(píng)價(jià)的結(jié)果更能直觀反映壓力容器的服役質(zhì)量狀態(tài)。

1 壓力容器服役質(zhì)量指標(biāo)體系

1.1 壓力容器服役質(zhì)量?jī)?nèi)涵

質(zhì)量的概念與內(nèi)涵隨著社會(huì)生產(chǎn)力、科學(xué)技術(shù)等的進(jìn)步而不斷發(fā)展與變化,經(jīng)歷了符合性質(zhì)量、適用性質(zhì)量和廣義質(zhì)量(即大質(zhì)量)3個(gè)階段[10-11]。大質(zhì)量從系統(tǒng)的角度,強(qiáng)調(diào)通過各子系統(tǒng)之間的協(xié)作與優(yōu)化,提升系統(tǒng)整體有效性,追求整體質(zhì)量的最優(yōu)化[12-13]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在ISO9000:2000質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)質(zhì)量進(jìn)行了定義:一組固有特性滿足要求的程度。質(zhì)量的載體可以是產(chǎn)品(硬件、軟件)、活動(dòng)或過程、組織、體系、人以及他們的任意組合,從而使質(zhì)量的內(nèi)涵向廣義化方向發(fā)展。由于壓力容器服役質(zhì)量是壓力容器服役過程整體質(zhì)量的全面反映,基于以上分析,本文從服役過程的角度對(duì)壓力容器服役質(zhì)量作如下界定。

壓力容器服役質(zhì)量是指保障服役過程平穩(wěn)、高效運(yùn)行,持續(xù)保持功能(如存儲(chǔ)、反應(yīng)、換熱、分離等4大功能),以滿足企業(yè)或客戶要求的程度。內(nèi)涵包括如下內(nèi)容。

內(nèi)涵1:具有運(yùn)行過程質(zhì)量、維護(hù)改造質(zhì)量及管理過程質(zhì)量3者的綜合質(zhì)量?jī)?nèi)涵。

內(nèi)涵2:具有良好的平穩(wěn)性和高效性的質(zhì)量屬性。平穩(wěn)性是指運(yùn)行過程能安全穩(wěn)定運(yùn)行,能夠持續(xù)不斷地提供符合企業(yè)滿意的服務(wù);高效性指各種資源得到充分利用,盡量減少容器運(yùn)行過程中的能源浪費(fèi)。

內(nèi)涵3:具有符合顧客使用需求的質(zhì)量屬性。對(duì)壓力容器而言主要是存儲(chǔ)、反應(yīng)、換熱、分離功能滿足客戶要求程度。

內(nèi)涵4:具有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的質(zhì)量屬性。不僅包括當(dāng)前的運(yùn)行情況,而且涵蓋了未來發(fā)展的趨勢(shì),隨著時(shí)間的變化服役質(zhì)量也會(huì)發(fā)生變化。

1.2 壓力容器服役質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在上述服役過程分析基礎(chǔ)上,本文提出了如圖1所示的壓力容器服役質(zhì)量評(píng)價(jià)因素體系。其核心思想是,依據(jù)服役過程中的功能劃分,將壓力容器服役中的工作運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備整體結(jié)構(gòu)、安全管理、人員素質(zhì)因素,與壓力容器服役中的使用、維修、改造、檢驗(yàn)等過程進(jìn)行融合,進(jìn)而構(gòu)建壓力容器服役質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

圖1 壓力容器服役過程因素體系

本文提出的壓力容器服役質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示。其中,評(píng)價(jià)體系的目標(biāo)層代表壓力容器服役質(zhì)量狀態(tài),第一級(jí)評(píng)估指標(biāo)包括工作運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備整體結(jié)構(gòu)等共計(jì)4項(xiàng);第二級(jí)評(píng)估指標(biāo)包括功能實(shí)現(xiàn)性、運(yùn)行狀態(tài)的可測(cè)性等共計(jì)15項(xiàng)。

圖2 壓力容器服役質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系

2 壓力容器的服役質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)

2.1 服役質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取方式

指標(biāo)值的獲取方式是在服役質(zhì)量評(píng)估有效性、實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上,利用不同的數(shù)據(jù)及分析方法進(jìn)行確定。限于篇幅及本文關(guān)注重點(diǎn),在此僅對(duì)圖2指標(biāo)值獲取方式及技術(shù)路線給出概要描述。如表1所示,一般可以通過3種方式獲取相應(yīng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)。其中,專家檢查打分主要是依據(jù)相關(guān)要求,對(duì)難以量化分析指標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算;歷史數(shù)據(jù)分析主要是通過指標(biāo)涉及的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)信息,通過制定特定的計(jì)算方法進(jìn)行指標(biāo)值確定;現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析主要是依據(jù)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合相關(guān)要求及目標(biāo)制定明確的分析方法,實(shí)現(xiàn)指標(biāo)值計(jì)算。

2.2 壓力容器服役質(zhì)量指數(shù)概念及計(jì)算

在建立壓力容器服役質(zhì)量指標(biāo)體系及獲得指標(biāo)數(shù)據(jù)之后,一般可用模糊綜合評(píng)價(jià)[14-15]和屬性數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)[16]等方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。現(xiàn)有方法還存在一些不足,如在模糊綜合評(píng)價(jià)方法中,隸屬度函數(shù)確定的主觀性太強(qiáng),評(píng)價(jià)結(jié)果往往丟失很多信息;基于屬性數(shù)學(xué)的評(píng)價(jià)方法可以得到客觀的隸屬度向量,但結(jié)果不夠直觀。因此,本文提出了壓力服役質(zhì)量指數(shù)的概念,并結(jié)合屬性數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)理論,以服役質(zhì)量指數(shù)為最終結(jié)果實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)。

壓力容器服役質(zhì)量指數(shù)是指:在各個(gè)影響因素作用下,壓力容器保持運(yùn)行平穩(wěn)、高效,持續(xù)保持功能的能力,以及滿足企業(yè)或客戶要求的程度。計(jì)算公式如下

Q=AS

(1)

式中:Q為服役質(zhì)量指數(shù);A為壓力容器的服役質(zhì)量的隸屬度向量;S為評(píng)語(yǔ)等級(jí)向量。顯然,Q是一個(gè)動(dòng)態(tài)指數(shù),可以綜合反映壓力容器在不同情況下的服役質(zhì)量狀態(tài)。

屬性數(shù)學(xué)理論廣泛應(yīng)用于解決綜合評(píng)價(jià)與模式識(shí)別問題,數(shù)學(xué)描述如下:對(duì)Z中元素的某種評(píng)價(jià)稱為評(píng)價(jià)空間F,把評(píng)語(yǔ)集V={C1,C2,…,Ck}稱為對(duì)評(píng)價(jià)空間的分割,其中Ck稱為一個(gè)屬性集,j個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)值t具有級(jí)別Ck用屬性測(cè)度函數(shù)μjk(t)來表示。因此,所提出的基于屬性數(shù)學(xué)理論的服役質(zhì)量指數(shù)計(jì)算主要包括以下步驟。

(1)建立判斷矩陣,確定指標(biāo)的權(quán)重。建立判斷矩陣An×n,以矩陣的形式來表達(dá)每一層次中各要素相對(duì)上下層要素的重要度。采用1～5標(biāo)度[4]表示指標(biāo)之間的重要程度,通過指標(biāo)兩兩比較得到指標(biāo)的判斷矩陣。同時(shí),利用方根法通過求取An×n的最大特征根計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重,具體子步驟如下。

表1 指標(biāo)數(shù)據(jù)及其獲取方式

(Ⅰ)計(jì)算每一行各個(gè)元素的乘積Mk,即

(2)

(Ⅱ)計(jì)算Mk的n次方根

(3)

(Ⅲ)歸一化處理得到指標(biāo)權(quán)重

(4)

(Ⅳ)求取最大特征根

(5)

(Ⅴ)一致性檢驗(yàn),通過隨機(jī)一致性指標(biāo)CR進(jìn)行一致性檢驗(yàn),公式如下

(6)

(7)

式中:CR為隨機(jī)一致性指標(biāo),一般CR≤0.1可認(rèn)為判斷矩陣一致性滿足要求,如果不滿足則應(yīng)修改判斷矩陣,直到滿足一致性為止[17-18]。

(2)確定評(píng)語(yǔ)等級(jí)。就是確定指標(biāo)屬于各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的程度,可將評(píng)語(yǔ)等級(jí)分為4個(gè),即評(píng)語(yǔ)集V={C1,C2,…,Ck}。

(3)確定評(píng)語(yǔ)等級(jí)向量。為了使評(píng)價(jià)結(jié)果容易區(qū)分,本文對(duì)傳統(tǒng)屬性數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行改進(jìn),即引入了百分值的評(píng)語(yǔ)等級(jí)向量S={A,B,C,D}。

(4)求取最底層指標(biāo)的隸屬度。根據(jù)實(shí)際情況的要求,將評(píng)價(jià)等級(jí)分為C1,C2,…,Ck,如表2所示,am(k-1)、amk分別是指標(biāo)值等級(jí)劃分的上、下限。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)的劃分

假設(shè)第j個(gè)指標(biāo)的值為t,需要由表2來求取指標(biāo)屬性測(cè)度函數(shù)μjc(t),在表2中,假定滿足aj0

(8)

djc=min(|bjc-ajc|,|bj(c+1)-ajc|)

(9)

式中:c=1,2,…,k;j=1,2,…,m。

指標(biāo)的屬性測(cè)度函數(shù)μjc(t)如下

(10)

通過上述步驟可以計(jì)算出一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)的隸屬度矩陣,利用二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重乘以二級(jí)指標(biāo)的隸屬度矩陣得到每個(gè)一級(jí)指標(biāo)的隸屬度向量Bi,由Bi構(gòu)成一級(jí)指標(biāo)的隸屬度矩陣B

Bi=Wiui,i=1,2,3,4

(11)

式中:Wi表示對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重;ui表示對(duì)應(yīng)二級(jí)隸屬度矩陣。

通過各個(gè)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重與隸屬度矩陣B的乘積,可得到壓力容器服役質(zhì)量的隸屬度向量A

A=WB

(12)

式中:W表示一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重;B表示一級(jí)指標(biāo)隸屬度矩陣。

(5)服役質(zhì)量指數(shù)計(jì)算。對(duì)于壓力容器服役質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是多層次指標(biāo)體系,將服役質(zhì)量狀態(tài)的隸屬度向量乘以評(píng)語(yǔ)等級(jí)向量,即可到服役質(zhì)量指數(shù),見式(1)。

3 實(shí)例分析

為驗(yàn)證本文方法的有效性,以某企業(yè)的壓力容器服役過程中的一次運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立服役質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 某企業(yè)壓力容器的指標(biāo)數(shù)據(jù)

由于篇幅的限制,圖2中各級(jí)指標(biāo)之間相對(duì)于上一級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣與各個(gè)指標(biāo)的評(píng)語(yǔ)等級(jí)劃分沒有列出,依據(jù)本文第2節(jié)所述方法進(jìn)行服役質(zhì)量指數(shù)計(jì)算及評(píng)價(jià),主要步驟與過程如下。

(1)利用式(2)～(4),獲得判斷矩陣計(jì)算各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重,一級(jí)指標(biāo)權(quán)重W=(0.077 8,0.124 8,0.491 8,0.305 6);二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重W1=(0.163 4,0.297 0,0.539 6);W2=(0.172 4,0.315 4,0.512 2);W3=(0.280 1,0.135 6,0.469 7,0.114 3);W4=(0.203,0.07,0.441,0.099 3,0.183 6)。

(2)根據(jù)式(8)～(10),可以得到各級(jí)指標(biāo)的隸屬度向量,以及人員因素、安全管理、設(shè)備整體結(jié)構(gòu)、工作運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)的隸屬度矩陣B1、B2、B3、B4分別為

B1、B2、B3、B4每一行表示該一級(jí)指標(biāo)下的二級(jí)指標(biāo)的隸屬度向量。利用二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重乘以二級(jí)指標(biāo)的隸屬度矩陣,得到一級(jí)指標(biāo)的隸屬度向量

Bi=Wiui,i=1,2,3,4

一級(jí)指標(biāo)的隸屬度矩陣B由Bi組成

B的每一行表示該一級(jí)指標(biāo)的隸屬度向量。

(3)利用式(12),可得到壓力容器服役質(zhì)量的隸屬度向量

A=WB

即得到壓力容器服役質(zhì)量隸屬度A=(0.508 7,0.464 2,0.027 1,0)。

(4)本文設(shè)置的評(píng)語(yǔ)等級(jí)向量S={95,82.5,67.5,52.5},聯(lián)合式(1),可求得壓力容器的服役質(zhì)量指數(shù)Q=88.45。其實(shí)際指導(dǎo)意義為:由于Q采用百分制,因此可以定量化表示當(dāng)前服役質(zhì)量狀態(tài)及未來趨勢(shì)分析;同時(shí),依據(jù)評(píng)語(yǔ)等級(jí)S可知,95>Q>82.5,即表示當(dāng)前服役質(zhì)量處于設(shè)置的第一等級(jí)與第二等級(jí)之間,滿足宏觀定性評(píng)價(jià)與管理需求。

綜上所述,通過本文所提方法可以實(shí)現(xiàn)服役質(zhì)量定量化的評(píng)價(jià),并得到壓力容器服役質(zhì)量指數(shù),結(jié)合實(shí)際評(píng)價(jià)需求,可直觀地、實(shí)時(shí)地反映壓力容器服役質(zhì)量狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文在分析壓力容器服役過程特點(diǎn)及現(xiàn)代廣義質(zhì)量的基礎(chǔ)上,提出了壓力容器服役質(zhì)量的概念及其內(nèi)涵。結(jié)合壓力容器在服役過程的特點(diǎn),建立了包含人、設(shè)備、管理等因素的面向壓力容器服役過程的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,以及基于服役質(zhì)量指數(shù)計(jì)算為核心的壓力容器服役質(zhì)量定量化評(píng)價(jià)方法。通過某企業(yè)壓力容器服役過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證,證明本文方法的有效性,為以后壓力容器的對(duì)比分析和趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析提供了技術(shù)支持。

未來工作將圍繞評(píng)價(jià)過程中數(shù)據(jù)獲取標(biāo)準(zhǔn)流程、各個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)范的計(jì)算方法進(jìn)行研究,為推廣應(yīng)用、形成行業(yè)規(guī)范奠定基礎(chǔ)。