承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性評(píng)價(jià)方法

周新杰，王建林，陳藝文，郭永奇，邱科鵬

(北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 北京 100029)

1 引言

承壓設(shè)備[1]廣泛應(yīng)用于石油化工、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，其承載化學(xué)介質(zhì)(即承壓設(shè)備介質(zhì))具有易燃、易爆、有毒或腐蝕等多種危害性。承壓設(shè)備介質(zhì)的危害程度等級(jí)能夠?yàn)榻橘|(zhì)儲(chǔ)運(yùn)過程中承壓設(shè)備類別的選擇提供依據(jù)，減少承壓設(shè)備事故的發(fā)生。與此同時(shí)，承壓設(shè)備介質(zhì)的危害性分值與權(quán)重評(píng)價(jià)分別反映了各危害性的危害程度及其危害影響作用的大小，兩者共同為承壓設(shè)備介質(zhì)的危害程度分級(jí)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此，合理有效的承壓設(shè)備介質(zhì)危害性評(píng)價(jià)對保障承壓設(shè)備的安全可靠運(yùn)行具有重要意義[2-4]。

承壓設(shè)備技術(shù)規(guī)范《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[5]與《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[6]依據(jù)GBZ 230—2010《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》[7]進(jìn)行承壓設(shè)備介質(zhì)的危害性評(píng)價(jià)，以介質(zhì)的10類健康危害(急性毒性吸入、急性毒性經(jīng)口、急性毒性經(jīng)皮、擴(kuò)散性、蓄積性、致癌性、生殖毒性、致敏性、刺激與腐蝕性、實(shí)際危害與預(yù)后)為基礎(chǔ)，將健康危害依據(jù)危害程度分為輕微、輕度、中度、高度、極度，并利用轉(zhuǎn)換分值法賦予相應(yīng)分值(0分、1分、2分、3分、4分)；同時(shí)直接給出了每類健康危害對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

依據(jù)國際《化學(xué)品分類及標(biāo)記全球協(xié)調(diào)制度GHS》[8]與國標(biāo)GB 30000.1《化學(xué)品分類和標(biāo)簽規(guī)范 第1部分：通則》[9]可知，化學(xué)介質(zhì)具有多種類危害性(即多危害性)，包括健康、物理和環(huán)境危害。GBZ 230—2010給出了承壓設(shè)備介質(zhì)8類健康危害的分值與權(quán)重，但未充分考慮介質(zhì)的物理和環(huán)境危害，影響了其在實(shí)際使用中的指導(dǎo)性和合理性。與此同時(shí)，目前承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性評(píng)價(jià)方法的相關(guān)研究還存在空缺。因此，綜合考慮承壓設(shè)備介質(zhì)的健康、物理和環(huán)境危害，給出合理的分值與權(quán)重評(píng)價(jià)十分重要。

GBZ 230—2010中僅給出了承壓設(shè)備介質(zhì)健康危害的分值評(píng)價(jià)策略為轉(zhuǎn)換分值法，并未給出介質(zhì)危害性權(quán)重的評(píng)價(jià)方法，在擴(kuò)充物理和環(huán)境危害的情況下導(dǎo)致介質(zhì)多危害性權(quán)重難以直接獲取?，F(xiàn)有的權(quán)重評(píng)價(jià)方法包括主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法根據(jù)專家對指標(biāo)重要程度的主觀認(rèn)識(shí)按照經(jīng)驗(yàn)分析直接給出權(quán)重系數(shù)，層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)[10]是一種定量分析定性問題的主觀賦權(quán)方法，由于具有簡潔明確，高效實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，層次分析法在管理決策、安全評(píng)價(jià)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[11-12]。采用層次分析法實(shí)現(xiàn)承壓設(shè)備介質(zhì)的多危害性權(quán)重評(píng)價(jià)符合社會(huì)對各危害性重要程度的認(rèn)知，但也具有客觀數(shù)據(jù)少、定性分析多的缺點(diǎn)?？陀^賦權(quán)法根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的差異獲取權(quán)重系數(shù)，熵權(quán)法(entropy weight，EW)[13]作為一種常用的客觀賦權(quán)方法，不受主觀決策影響，具有較強(qiáng)的客觀性[14-15]。然而，熵權(quán)法獲得的指標(biāo)權(quán)重可能與指標(biāo)的重要程度相悖，需要結(jié)合實(shí)際問題重新評(píng)估。因此，利用層次分析法和熵權(quán)法將承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重結(jié)合起來，有助于實(shí)現(xiàn)合理的介質(zhì)多危害性權(quán)重評(píng)價(jià)。

本研究提出了一種承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性評(píng)價(jià)方法。該方法依據(jù)介質(zhì)的多危害性數(shù)據(jù)，利用承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性分值評(píng)價(jià)策略獲取多危害性分值，基于層次分析和熵權(quán)法(analytic hierarchy process-entropy weight，AHP-EW)構(gòu)建承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性權(quán)重評(píng)價(jià)策略獲取多危害性權(quán)重，實(shí)現(xiàn)對承壓設(shè)備介質(zhì)的多危害性評(píng)價(jià)。

2 承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性分值與權(quán)重評(píng)價(jià)

依據(jù)GB 30000.1和GBZ 230—2010標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合承壓設(shè)備介質(zhì)儲(chǔ)運(yùn)過程中的安全要求，在承壓設(shè)備介質(zhì)健康危害的基礎(chǔ)上，新增了1類環(huán)境危害(環(huán)境危害性)和3類物理危害(易燃易爆性、氧化性、加壓性)進(jìn)行承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性評(píng)價(jià)。

2.1 承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性分值評(píng)價(jià)

根據(jù)承壓設(shè)備介質(zhì)的多種危害特性，構(gòu)建承壓設(shè)備介質(zhì)危害特性數(shù)據(jù)庫，依據(jù)GBZ 230—2010和GB 30000.2—29標(biāo)準(zhǔn)，采用轉(zhuǎn)換分值法將承壓設(shè)備介質(zhì)健康、物理和環(huán)境危害性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為危害性分值N，其中N∈Rp×q，p為數(shù)據(jù)庫中承壓設(shè)備介質(zhì)種類個(gè)數(shù)，q為承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性種類個(gè)數(shù)。

承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性分值評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性分值評(píng)價(jià)流程框圖

2.2 承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性權(quán)重評(píng)價(jià)方法

基于AHP-EW構(gòu)建了一種承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性權(quán)重評(píng)價(jià)策略，獲得新增的4類承壓設(shè)備介質(zhì)危害性權(quán)重，聯(lián)合GBZ 230—2010中已給出的10類承壓設(shè)備介質(zhì)健康危害權(quán)重，實(shí)現(xiàn)承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性權(quán)重評(píng)價(jià)。

2.2.1基于AHP的承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性主觀權(quán)重評(píng)價(jià)

以GBZ 230—2010中給出的急性毒性吸入權(quán)重為基準(zhǔn)，構(gòu)建承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性層次分析模型，模型的準(zhǔn)則層為急性毒性吸入、易燃易爆性、氧化性、加壓性和環(huán)境危害性，模型的目標(biāo)層為承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性，使基于AHP獲取的主觀權(quán)重與GBZ 230—2010中給出的權(quán)重相適應(yīng)，如圖2所示。

圖2 承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性層次分析模型框圖

根據(jù)層次分析模型發(fā)布調(diào)查問卷，請化學(xué)和特種設(shè)備領(lǐng)域的專家將同層次的危害性進(jìn)行重要性比對，并根據(jù)1～9標(biāo)度法獲得層次判斷矩陣J∈Rl×l，其第n行m列的元素anm為危害性n和m的重要性標(biāo)度，l為同層次危害性種類個(gè)數(shù)，且滿足以下條件[10]：

anm>0

amn>0

ann=1

ankakm=anm

(1)

則承壓設(shè)備介質(zhì)危害性主觀權(quán)重可以由式(2)獲得。

Jv=λmaxv

(2)

式中：v為矩陣J的最大特征根λmax對應(yīng)的特征向量，即危害性的主觀權(quán)重。

為確保重要性程度一致，利用平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI、一致性指標(biāo)CI和一致性比例CR，采用式(3)和式(4)對獲得的危害性主觀權(quán)重進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[16-17]。

(3)

(4)

當(dāng)一致性比例比率CR<0.1時(shí)，說明層次判斷矩陣J滿足一致性檢驗(yàn)。以GBZ 230—2010中給出的急性毒性吸入權(quán)重為基準(zhǔn)，將獲取的指標(biāo)權(quán)重同比放大，獲得承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性主觀權(quán)重W1∈R1×l。

根據(jù)層次分析模型發(fā)布調(diào)查問卷，請化學(xué)和特種設(shè)備領(lǐng)域的專家進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，獲得專家主觀權(quán)重矩陣為S∈Re×l，其中e為專家人數(shù)；第n行m列的元素snm表示第n個(gè)專家給出的第m個(gè)危害性的主觀權(quán)重。并按照表1對專家主觀權(quán)重矩陣進(jìn)行加權(quán)。專家權(quán)威性評(píng)估矩陣為A∈Re×k，其中e為專家個(gè)數(shù)，k為評(píng)估項(xiàng)個(gè)數(shù)；第n行m列的元素anm表示第n個(gè)專家的第m項(xiàng)能力評(píng)分值。專家權(quán)威性權(quán)重系數(shù)矩陣C∈R1×e中第n個(gè)專家的權(quán)威性權(quán)重系數(shù)cn為：

(5)

進(jìn)而由式(6)獲得承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性主觀權(quán)重W2∈R1×l：

W2=CS

(6)

結(jié)合承壓設(shè)備領(lǐng)域?qū)＜业膶I(yè)知識(shí)和意見，融合承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性主觀權(quán)重W1和W2，則基于AHP的承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性主觀權(quán)重為：

(7)

表1 專家權(quán)威性評(píng)分表Table 1 Authoritative evaluation form of expert

2.2.2基于EW的承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性客觀權(quán)重評(píng)價(jià)

EW通過承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性計(jì)算信息熵，信息熵越小，說明無序度越低，包含的信息量越多，則危害性的權(quán)重越大。

(8)

每一列數(shù)據(jù)的信息熵Ej[13]為：

(9)

(10)

則熵權(quán)法獲得的權(quán)重為：

(11)

以GBZ 230—2010中已給出的急性毒性吸入權(quán)重為基準(zhǔn)，經(jīng)同比放大得到承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性客觀權(quán)重W4∈R1×l。

2.2.3基于AHP-EW的承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性權(quán)重評(píng)價(jià)

(12)

聯(lián)合GBZ 230—2010中已給出的10類健康危害，獲得最終的承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性權(quán)重W∈R1×q。

3 承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性評(píng)價(jià)方法流程

本文所提出的承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性評(píng)價(jià)方法流程如圖3所示。

圖3 承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性評(píng)價(jià)方法流程框圖

承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性評(píng)價(jià)方法包括以下步驟：

1) 依據(jù)承壓設(shè)備介質(zhì)的多種危害性特征，構(gòu)建承壓設(shè)備介質(zhì)多危害特性數(shù)據(jù)庫，并依據(jù)GBZ 230—2010中的轉(zhuǎn)換分值法，將承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為危害性分值；

2) 根據(jù)層次分析模型發(fā)布危害性重要性比對的調(diào)查問卷，分析處理后獲取承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性主觀權(quán)重W1；

3) 根據(jù)層次分析模型發(fā)布危害性權(quán)重主觀評(píng)價(jià)的調(diào)查問卷，分析處理后獲取承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性主觀權(quán)重W2；

4) 利用EW在承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性分值的基礎(chǔ)上，獲得承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性客觀權(quán)重W4；

4 承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性評(píng)價(jià)應(yīng)用

4.1 承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性評(píng)價(jià)對象

參考《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對承壓設(shè)備承載化學(xué)介質(zhì)的說明，選取的承壓設(shè)備介質(zhì)(包括氣體和液體)來源于2015年發(fā)布的危險(xiǎn)化學(xué)品目錄[18]，共1 770種。

4.2 承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性分值評(píng)價(jià)結(jié)果

基礎(chǔ)承壓設(shè)備介質(zhì)的多危害性數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)換分值法實(shí)現(xiàn)1 770種承壓設(shè)備介質(zhì)的多危害性分值評(píng)價(jià)，部分如表2所示。

表2 部分承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性分值Table 2 Part of the pressure equipment medium multiple hazards score

4.3 承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性權(quán)重評(píng)價(jià)結(jié)果

4.3.1承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性主觀權(quán)重評(píng)價(jià)結(jié)果

利用圖2所示的層次分析模型發(fā)布調(diào)查問卷，調(diào)查對象為承壓設(shè)備和危險(xiǎn)化學(xué)介質(zhì)領(lǐng)域的專家，對準(zhǔn)則層的5類危害性兩兩進(jìn)行重要性比對，最終獲取65份有效調(diào)查問卷，構(gòu)建層次判斷矩陣元素如表3所示。通過式(2)計(jì)算承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性主觀權(quán)重系數(shù)，可知易燃易爆性權(quán)重系數(shù)為1.229，氧化性權(quán)重系數(shù)為0.749，加壓性權(quán)重系數(shù)為0.685，急性毒性吸入權(quán)重系數(shù)為1.398，環(huán)境危害性權(quán)重系數(shù)為0.940。通過式(3)計(jì)算一致性比例CR=0.0018<0.1，符合一致性檢驗(yàn)。以GBZ 230—2010中給出的急性毒性吸入權(quán)重為基準(zhǔn)，將獲取的危害性主觀權(quán)重同比放大，獲得承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性主觀權(quán)重W1。已知GBZ230—2010中急性毒性吸入權(quán)重系數(shù)為5，則經(jīng)同比放大后可得易燃易爆性權(quán)重系數(shù)為4.395，氧化性權(quán)重系數(shù)為2.680，加壓性權(quán)重系數(shù)為2.450，急性毒性吸入權(quán)重系數(shù)為5.000，環(huán)境危害性權(quán)重系數(shù)為3.363。

利用圖2的層次分析模型發(fā)布調(diào)查問卷，以GBZ230—2010中已給出的健康危害權(quán)重為依據(jù)設(shè)置多危害性權(quán)重范圍為1～5，共收回有效調(diào)查問卷65份。經(jīng)調(diào)查問卷分析，表4為部分專家主觀權(quán)重系數(shù)，表5為部分專家權(quán)威性評(píng)估矩陣元素。通過式(5)計(jì)算表6中部分專家權(quán)威性系數(shù)，進(jìn)而通過式(6)計(jì)算主觀權(quán)重W2，得到易燃易爆性權(quán)重系數(shù)為4.437，氧化性權(quán)重系數(shù)為3.665，加壓性權(quán)重系數(shù)為3.489，急性毒性吸入權(quán)重系數(shù)為5.000，環(huán)境危害性權(quán)重系數(shù)為4.089。

表3 承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性判斷矩陣元素Table 3 Multiple hazards hierarchy judgment matrix of pressure equipment medium

可以看出，獲得的急性毒性吸入權(quán)重系數(shù)與GBZ 230—2010中相吻合，說明專家給出的主觀權(quán)重系數(shù)具有較強(qiáng)的可信度。由式(7)獲得基于AHP的承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性主觀權(quán)重，易燃易爆性權(quán)重系數(shù)為4.416，氧化性權(quán)重系數(shù)為3.173，加壓性權(quán)重系數(shù)為2.970，急性毒性吸入權(quán)重系數(shù)為5.000，環(huán)境危害性權(quán)重系數(shù)為3.726。

表4 部分專家主觀權(quán)重系數(shù)Table 4 Part of expert subjective weight coefficient matrix

表5 部分專家權(quán)威性評(píng)估矩陣元素Table 5 Part of the expert authoritative evaluation matrix

表6 部分專家權(quán)威性系數(shù)Table 6 Part of the expert authority weight coefficient

4.3.2承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性客觀權(quán)重評(píng)價(jià)結(jié)果

通過式(8)標(biāo)準(zhǔn)化承壓設(shè)備介質(zhì)的多危害性分值，再利用式(9)計(jì)算信息熵，并基于式(10)獲取介質(zhì)的客觀權(quán)重系數(shù)，易燃易爆性權(quán)重系數(shù)為0.095，氧化性權(quán)重系數(shù)為0.023，加壓性權(quán)重系數(shù)為0.050，急性毒性吸入權(quán)重系數(shù)為0.078，環(huán)境危害性權(quán)重系數(shù)為0.062。將客觀權(quán)重系數(shù)以GBZ 230—2010中給出的急性毒性吸入權(quán)重系數(shù)為基準(zhǔn)值同比放大，得到基于熵權(quán)法的承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性客觀權(quán)重系數(shù)，易燃易爆性權(quán)重系數(shù)為6.126，氧化性權(quán)重系數(shù)為1.490，加壓性權(quán)重系數(shù)為3.216，急性毒性吸入權(quán)重系數(shù)為5.000，環(huán)境危害性權(quán)重系數(shù)為4.007。

4.3.3介質(zhì)多危害性權(quán)重評(píng)價(jià)結(jié)果

由式(12)獲得新增的承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性權(quán)重系數(shù)，易燃易爆性權(quán)重系數(shù)為4.986，氧化性權(quán)重系數(shù)為2.612，加壓性權(quán)重系數(shù)為3.052，急性毒性吸入權(quán)重系數(shù)為5.000，環(huán)境危害性權(quán)重系數(shù)為3.820。因GBZ 230—2010中給出的健康危害權(quán)重系數(shù)均為整數(shù)，將新增的承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性權(quán)重系數(shù)取整，聯(lián)合GBZ 230—2010中已給出的10類健康危害權(quán)重，最終得到如表7所示的承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性權(quán)重系數(shù)。

表7 基于AHP-EW的承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性權(quán)重系數(shù)Table 7 Multiple hazardous weighting coefficient of pressure equipment medium based on AHP-EW

5 結(jié)論

1) 依據(jù)GB 30000.1及GBZ 230—2010標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際工業(yè)需求分析了承壓設(shè)備介質(zhì)的多種危害性，在健康危害的基礎(chǔ)上增加了1類環(huán)境危害(環(huán)境危害性)和3類物理危害(易燃易爆性、氧化性、加壓性)，為承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

2) 本研究構(gòu)建的基于轉(zhuǎn)換分值法的多危害性分值評(píng)價(jià)策略和基于層次分析-熵權(quán)法(AHP-EW)的多危害性權(quán)重評(píng)價(jià)策略，能夠合理有效地獲取1 770種承壓設(shè)備介質(zhì)的多危害性分值與權(quán)重系數(shù)，具有簡潔明確、客觀性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，克服了承壓設(shè)備介質(zhì)多危害性評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及研究的不足。