基于層次分析法的壓力容器安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

馬波

（中國石油天然氣股份有限公司大慶煉化分公司，黑龍江 大慶 163000）

壓力容器是一種危險(xiǎn)性比較高的特種設(shè)備，一旦發(fā)生爆炸，往往會(huì)給人們生命、財(cái)產(chǎn)帶來損失。因此，加強(qiáng)壓力容器安全管理顯得尤為重要。目前，壓力容器安全風(fēng)險(xiǎn)管理研究主要有：陳振研究了復(fù)雜環(huán)境下FPSO壓力容器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)安全分析，采用Fluent 數(shù)值模擬方法對(duì)壓力結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)應(yīng)力值與壓力容器安全成正相關(guān)。

龔嶷采用數(shù)值模擬方法研究了儲(chǔ)氫氣瓶安全評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，儲(chǔ)氫氣瓶在氫氣充放過程中應(yīng)該加強(qiáng)溫度管控。周忠強(qiáng)研究了覆土臥式容器的屈曲安全評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，切割角度對(duì)壓力容器安全有顯著影響。柳軍研究了壓力容器缺陷量化綜合安全評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，影響壓力容器缺陷指標(biāo)有缺陷、材質(zhì)、內(nèi)部環(huán)境、容器斷裂失效、活塞、液壓控制、材料質(zhì)量、腐蝕等。張琳研究了反應(yīng)堆壓力容器缺陷指標(biāo)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，反應(yīng)堆壓力容器中評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、缺陷特征、缺陷斷裂韌性、缺陷殘余應(yīng)力以及缺陷承壓沖擊都會(huì)影響反應(yīng)堆壓力容器安全。劉桂艷采用層次分析法研究了高校實(shí)驗(yàn)室壓力容器安全評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，安全管理系統(tǒng)在高校壓力容器安全評(píng)價(jià)中發(fā)揮重要作用。目前壓力容器安全評(píng)價(jià)多采用層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法以及灰度模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)壓力容器多為常規(guī)壓力容器。近年來，隨著新能源的不斷發(fā)展，氫能在新能源中所占比重不斷增加，氫氣存儲(chǔ)關(guān)系著人們的生命安全。本文就氫氣壓力容器安全采用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

氫氣壓力容器安全影響因素主要有氫氣壓力容器使用環(huán)境、氫氣壓力容器安全管理、氫氣壓力容器監(jiān)測管理、氫氣壓力容器缺陷、氫氣壓力容器材質(zhì)。氫氣壓力容器使用環(huán)境包括指標(biāo)有環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境壓力、環(huán)境腐蝕性。氫氣壓力容器安全管理包括指標(biāo)有安全管理制度、安全管理措施、安全管理配套。氫氣壓力容器監(jiān)測管理包括人員培訓(xùn)、人員作業(yè)、監(jiān)測技術(shù)先進(jìn)性、檢測技術(shù)有效性。氫氣壓力容器缺陷包括壓力容器斷裂缺陷、壓力容器疲勞缺陷。氫氣壓力容器材質(zhì)包括材料加工性能、材料設(shè)計(jì)合理、材料質(zhì)量。圖1 為氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)體系。

圖1 氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)體系

2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

2.1 層次分析法

氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)指標(biāo)具有層次結(jié)構(gòu)，采用層次分析法進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算。層次分析法計(jì)算步驟：（1）構(gòu)建判斷矩陣；（2）對(duì)構(gòu)建判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)；（3）計(jì)算權(quán)重并排序。

（1）構(gòu)建判斷矩陣。常見構(gòu)建判斷矩陣方法是采用1 ～9 標(biāo)度法和三角法進(jìn)行比較，其中1 ～9 標(biāo)度法因操作簡單易實(shí)現(xiàn)被廣泛應(yīng)用到判斷矩陣構(gòu)建中，本文采用1 ～9 標(biāo)度法進(jìn)行判斷矩陣構(gòu)建。表1 為1 ～9 標(biāo)度法詳細(xì)說明。

表1 1 ～9 標(biāo)度法詳細(xì)說明

（2）判斷矩陣一致性檢驗(yàn)。計(jì)算方法為：

式中：λ表示構(gòu)建判斷矩陣最大特征根，n 表示構(gòu)建判斷矩陣階數(shù)；RIn表示常數(shù)與n 之間滿足：RI1=0.00，RI2=0.00，RI3=0.58，RI4=0.90, RI5=1.12，RI6=1.24，RI7=1.32，RI8=1.41，RI9=1.45, RI10=1.49。當(dāng)CI ＜0.1 說明構(gòu)建判斷矩陣滿足要求，否則重新調(diào)整判斷矩陣。

（3）計(jì)算權(quán)重并排序。在判斷矩陣一致性檢驗(yàn)中得到權(quán)重并將其按照從大到小排序。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)。按照模糊綜合評(píng)價(jià)流程進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1）構(gòu)建指標(biāo)體系，根據(jù)構(gòu)建的氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可知共有一級(jí)指標(biāo)5 個(gè)，可用符號(hào)K={k1,k2,k3,k4,k5}表示，每個(gè)一級(jí)指標(biāo)中都有相應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)，可用符號(hào)kij表示，i 表示第i 個(gè)一級(jí)指標(biāo)，j 表示第i 個(gè)一級(jí)指標(biāo)中包括二級(jí)指標(biāo)j 個(gè)。

（2）評(píng)語集構(gòu)建。為評(píng)價(jià)氫氣壓力容器安全等級(jí)按照極高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)劃分。對(duì)應(yīng)數(shù)值為：極高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)、低 風(fēng) 險(xiǎn)={0.80-1.00,0.60-0.8 0,0.4 0-0.6 0,0.2 0-0.40,0.00-0.20}。

（3）隸屬度矩陣。聘請(qǐng)專家20 人對(duì)氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)。得到隸屬度矩陣：

式中：Rkn表示因素氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)總共因素，rkn表示第k 個(gè)因素在第m 判斷元素的程度，Eij表示專家對(duì)第i 個(gè)因素第j 個(gè)判斷數(shù)值。

以聚苯乙烯泡沫板第1次試驗(yàn)為例，計(jì)算K值.熱流系數(shù)f1=0.492 W/K，f2=5.483 W/K，δ=0.045 m，A=3.24 m2，其余參數(shù)取值見表1、表3.

對(duì)H 指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均值，由此得到綜合判斷結(jié)果。

3 氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)權(quán)重計(jì)算

（1）一級(jí)指標(biāo)判斷矩陣。按照層次分析法得到一級(jí)指標(biāo)判斷矩陣見表2。

表2 一級(jí)指標(biāo)判斷矩陣

按照層次分析法計(jì)算步驟得到：特征向量w={0.209,0.193,0.162,0.253,0.183}， 最大 特 征根5.056， 一 致 性 檢 驗(yàn) 為0.0113 ＜0.1 說 明 構(gòu) 建判斷矩陣滿足要求。由此得到使用環(huán)境、安全管理、監(jiān)督管理、容器缺陷、容器材質(zhì)權(quán)重分別為：0.209,0.193,0.162,0.253,0.183。

（2）二級(jí)指標(biāo)氫氣壓力容器使用環(huán)境判斷矩陣。見表3 所示。

表3 二級(jí)指標(biāo)氫氣壓力容器使用環(huán)境判斷矩陣

按照層次分析法計(jì)算步驟得到：特征向量w={0.184,0.171,0.420,0.225},最大特征根4.283，一致性檢驗(yàn)0.084 ＜0.1，說明構(gòu)建判斷矩陣滿足要求。由此得到環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境壓力、環(huán)境腐蝕性權(quán)重分別為：0.184,0.171,0.420,0.225。

由于篇幅有限，其余指標(biāo)權(quán)重計(jì)算不再列舉。表4為氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)復(fù)合權(quán)重。

表4 氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)復(fù)合權(quán)重

表4 中復(fù)合權(quán)重計(jì)算為：一級(jí)指標(biāo)權(quán)重與二級(jí)指標(biāo)權(quán)重乘積。

4 氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合分析

為評(píng)價(jià)氫氣壓力容器安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，聘請(qǐng)專家20 名進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)打分，得到表5 所示二級(jí)指標(biāo)隸屬度。

表5 氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)二級(jí)指標(biāo)隸屬度

以氫氣壓力容器使用環(huán)境為例，得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為：H={0.79732,0.72082,0.78674,0.73335,0.75991,0.759628}，評(píng)價(jià)結(jié)果分值為：0.76。

其余指標(biāo)計(jì)算不再列舉，得到：

氫氣壓力容器安全管理分值為：0.58。

氫氣壓力容器監(jiān)測管理分值為：0.48。

氫氣壓力容器缺陷分值為：0.89。

氫氣壓力容器材質(zhì)分值為：0.79。

由此得到氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)總分值為0.74。從二級(jí)指標(biāo)中可見，氫氣壓力容器缺陷屬于極高風(fēng)險(xiǎn)，氫氣壓力容器安全管理屬于較高風(fēng)險(xiǎn)，氫氣壓力容器監(jiān)測管理屬于較高風(fēng)險(xiǎn)，氫氣壓力容器材質(zhì)屬于高風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

采用層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法研究了氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。結(jié)果表明，氫氣壓力容器安全評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)總分值為0.74 屬于高風(fēng)險(xiǎn)。其中氫氣壓力容器缺陷屬于極高風(fēng)險(xiǎn)。建議在氫氣壓力容器管理中加強(qiáng)壓力容器缺陷監(jiān)管。