基于AHP的化工壓力容器安全附件評估

楊文斌，周德紅，肖振航，杜 冰，左前貴，王 帥

(武漢工程大學(xué) 興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

壓力容器在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中是一類必不可少的基礎(chǔ)性生產(chǎn)、存儲設(shè)備。安全附件的有效運行對壓力容器安全生產(chǎn)至關(guān)重要。依據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(TSG21-2016)，常見的壓力容器安全附件有安全閥、爆破片裝置、緊急切斷裝置、安全聯(lián)鎖裝置和安全儀表系統(tǒng)(壓力表、液位計、溫度計)[1]。因安全附件存在失效的風(fēng)險，故而需要對安全附件進行風(fēng)險評估。同時為減少成本開支，安全附件經(jīng)濟、合理運行，本文從安全附件的功能、經(jīng)濟和檢維修三個層面聯(lián)合分析，使用層次分析法對三個層面下的各個要素進行權(quán)重計算，得到各要素的相對重要度。然后邀請15位化工領(lǐng)域的專家對每種附件進行對應(yīng)要素評分，結(jié)合層次分析法的權(quán)重進行加權(quán)計算，得到安全附件的最終評價，為壓力容器的安全、經(jīng)濟運行提供了評價依據(jù)。

在安全附件的監(jiān)督和管理層面，劉華陽[2]細致地論述了固定式壓力容器的安全閥和壓力表的分類方法和管理要求，指明了各安全附件的可能出現(xiàn)的失效風(fēng)險，提出了安全閥的安裝的具體規(guī)范。至于安全附件的選擇以及維護的問題，劉林剛等[3]分析了如何合理地選擇和安裝、適時檢驗和保養(yǎng)安全附件。而周德紅等[4]結(jié)合層次分析法對汽車加油站儲罐區(qū)進行了綜合性的安全評價，提出了工藝單元的劃分方式，細致有序地推導(dǎo)了層次分析法的模型構(gòu)建過程，對本文具有明顯的指導(dǎo)意義。

1 基于層次分析的指標權(quán)重計算

1.1 層次分析法簡介

層次分析法是美國專家T.L.Saaty于1970年左右率先提出的一種用途廣、實用性高的方法。該方法旨在解決當(dāng)判斷目標的影響因素較多、問題比較復(fù)雜且無明確的相互之間的關(guān)系，針對評價目標的實際背景，將各類評價因子按屬性拆分組合，組合為一類層次結(jié)構(gòu)[5]。通常情況下層次模型分為目標層、準則層和方案層三層。其中目標層是擬解決的總問題或總目標；準則層是為完成總目標而采取的措施或方案；方案層是用于解決問題的各影響要素。

圖1 層次分析模型構(gòu)建圖

對于目標層——化工壓力容器安全附件有效、經(jīng)濟運行而言，本文的準則層從功能、經(jīng)濟和檢維修3方面要求入手。其中，功能準則有失效風(fēng)險、靈敏度、動作速度、適用的壓力和溫度范圍以及抗腐蝕和磨損能力5個要素；經(jīng)濟準則有出廠價格、使用壽命以及重復(fù)使用3個要素；檢維修準則有快速檢查、便于保養(yǎng)、維修簡便、檢查周期4個要素。故繪制得安全附件的層次模型如圖2。

圖2 安全附件的層次模型圖

1.2 建立安全附件判斷矩陣

在確定各方案層要素的權(quán)重時，如果僅憑借經(jīng)驗進行判斷和賦權(quán)，結(jié)果只是定性的描述，缺少令人信服的定量數(shù)據(jù)而難以被別人接受[6]。故而Saaty等人提出：一致矩陣法，即：杜絕全部要素同時對比，轉(zhuǎn)變?yōu)閮梢叵嗷Ρ?。對比時采用標度理論和相對尺度，以降低性質(zhì)不同的要素相互比較的難度，用來增加準確度[7]。

表1 相對重要度描述表

將各準則內(nèi)的要素兩兩比對后得到如下四個矩陣：

1.3 指標權(quán)重計算和一致性檢驗[5-7]

使用層次分析法時保持判斷標準和思維的前后一致是很重要的。當(dāng)同時比較的要素大于等于9個時，很容易出現(xiàn)前后不一致的偏差情況，當(dāng)偏差較大時甚至?xí)霈F(xiàn)矛盾的情況。故而為檢查前后一致性、降低思維引起的偏差，層次分析法引入了判斷矩陣偏離性檢驗，步驟如下：

(1)將矩陣A按列作歸一化：

(2)累加各行數(shù)據(jù)得

(6)在表中找出滿足階數(shù)的平均隨機一致性指數(shù)RI；

表2 隨機一致性指數(shù)RI選取表

(7)由上述(5)、(6)中的兩指數(shù)計算一致性比例CR：CR/Cl/CI；

如果計算所得結(jié)果滿足CR<0.1，則通過前后一致性檢驗。否則需調(diào)整參數(shù)直到滿足CR值足夠小。

由上述方法計算得CRA=0.0121、CRB1=0.0167、CRB2=0.0904 、CRB3=0.0039，均滿足(7)中的要求。

同時，經(jīng)過歸一處理的wi即為所求的對應(yīng)要素的權(quán)重，本文所得結(jié)果為：wA=(0.7471 0.1194 0.1336),wB1=(0.3237 0.2098 0.1205 0.0563 0.0368)，wB2=(0.0820 0.0223 0.0151)，wB3=(0.0304 0.0565 0.0304 0.0163)，詳見圖3。

圖3 各評價要素相對重要度所占權(quán)重圖

由表2可知：各評價要素中排在前1/2的要素按結(jié)構(gòu)重要度由大到小分別為：失效風(fēng)險、靈敏度、動作速度、出廠價格、便于保養(yǎng)和適用的壓力和溫度范圍。這與我們要實現(xiàn)的目標--安全附件有效、經(jīng)濟運行相匹配。

2 評估結(jié)果的確定

在使用層次分析法確定各評價要素的所占權(quán)重后，應(yīng)將各個評價目標的對應(yīng)要素分別進行評價，后加權(quán)運算后得到最終的評價結(jié)果，依據(jù)評價結(jié)果進行安全附件的選用[7-9]。但因各評價要素?zé)o明確的定量評價方法，故而引入模糊綜合評價方法。

表3 爆破片的模糊評價要素體系及評分表(評價組15人)

表3(續(xù))

依照上述步驟計算，歸一化、合并成R、左乘A得最終評價集P，結(jié)果如下：

根據(jù)隸屬度最大原則，目標層評價集中加權(quán)得分最高的即為該目標最終評價結(jié)果。最終爆破片的評價語為“中”。

同理可得安全閥的最終評價集P安全閥=(0.1613 0.2320 0.3776 0.1845 0.0447)其評價語為“中”。

安全儀表和報警系統(tǒng)的最終評價集P系統(tǒng)=(0.2297 0.3010 0.2049 0.1876 0.0769)其評價語為“良”。

3 結(jié)語

依據(jù)層次分析法的權(quán)重計算結(jié)果，安全附件首先應(yīng)考慮其能否發(fā)揮功效，其次才能考慮經(jīng)濟性和檢維修的因素。其中安全附件的動作功能中比較重要的是失效風(fēng)險、靈敏度和動作速度；經(jīng)濟成本中比較重要的是出廠價格；檢維修中比較重要的是便于保養(yǎng)。這些權(quán)重比值與我們實踐中的主觀認知是一致的。

結(jié)合模糊綜合評判，安全儀表和報警系統(tǒng)的最終評價結(jié)果要優(yōu)于安全閥和爆破片。安全儀表和報警系統(tǒng)優(yōu)勢在于失效風(fēng)險低、靈敏度高；而爆破片和安全閥的優(yōu)勢在于動作速度快，需要明顯改進的是出廠價格，其余各方面評價均處于中間值。