基于多層次灰色綜合的常壓儲罐RBI評價方法研究

趙俊茹 孟凡想 田峻東 張美玲

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院）

近年來隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，常壓儲罐得到廣泛應(yīng)用。 由于其儲存介質(zhì)常具有易燃、易爆、腐蝕性強(qiáng)等特性，一旦泄漏，極易引發(fā)安全事故，造成經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡等嚴(yán)重后果和重大社會影響［1］。目前，我國石油化工企業(yè)對常壓儲罐管理采用的傳統(tǒng)檢測方法存在著少檢易引發(fā)安全事故， 過檢造成工作量和成本增加的兩大問題。 因此，對常壓儲罐進(jìn)行科學(xué)評估和有效管理，科學(xué)合理地將預(yù)防性檢測轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)測性檢測尤為重要［2］。

基于風(fēng)險的檢驗（Risk-Based Inspection，RBI）本質(zhì)是對危險事件發(fā)生的可能性和后果進(jìn)行分析和排序。 該技術(shù)最早應(yīng)用于歐美發(fā)達(dá)國家的承壓設(shè)備檢驗與維修中，并取得了較好成效［3，4］。國內(nèi)首批應(yīng)用至目前廣泛推廣已有20余年，RBI風(fēng)險評估對企業(yè)風(fēng)險管理、裝置的長周期運行具有促進(jìn)作用［5～7］。 但對常壓儲罐進(jìn)行RBI風(fēng)險評估和失效概率計算時，其破壞系數(shù)均按照同一比重，沒有充分考慮儲罐的損傷機(jī)理和部位，無法體現(xiàn)不同損傷因子對儲罐風(fēng)險的影響程度，評價結(jié)果不夠準(zhǔn)確。 因此，有必要對傳統(tǒng)RBI風(fēng)險評估方法作適當(dāng)改進(jìn)，通過確定各系數(shù)在影響儲罐失效中所占的恰當(dāng)比例，實現(xiàn)各損傷因子的權(quán)重根據(jù)實際情況動態(tài)分配，更真實地反映不同儲罐所具有的風(fēng)險［8］。

筆者通過將層次分析法與灰色理論相結(jié)合計算常壓儲罐失效概率， 不僅降低了AHP主觀性，避免傳統(tǒng)打分造成的風(fēng)險遮蔽問題，而且通過建立三級評價指標(biāo)體系，從損傷因子的權(quán)重排序中找出影響儲罐失效的主要因素。 最后以某常壓儲罐為例對上述結(jié)論進(jìn)行分析驗證，更加證實了該變權(quán)思想可動態(tài)調(diào)整儲罐損傷因子的權(quán)重，有針對性地計算儲罐失效概率結(jié)果［9］。

1 常壓儲罐多層次灰色綜合的RBI評價模型研究

多層次灰色綜合評價法是將層次分析法和灰色綜合評價法結(jié)合的一種評價方法。 層次分析法是將定量與定性相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法，主要用于分析和處理系統(tǒng)化、多層次問題；灰色綜合法主要分析和處理涉及縱向序列等問題，充分利用已有的白化信息，減少評判誤差［10］，更好地理解系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系和變化趨勢。 二者結(jié)合可以對復(fù)雜系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)進(jìn)行分別評價，同時也可以在子系統(tǒng)評價的基礎(chǔ)上對上層系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價。

1.1 層次分析法

1.1.1 建立指標(biāo)體系

據(jù)GB/T 30578—2014 《常壓儲罐基于風(fēng)險的檢驗及評價》可知，破壞系數(shù)是計算儲罐失效概率時起決定性的因素，筆者從此系數(shù)入手，根據(jù)檢測經(jīng)驗和數(shù)據(jù)分析選取7項影響值較大的因子， 建立常壓儲罐的三級評價指標(biāo)體系模型，如圖1所示。

1.1.2 構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)結(jié)構(gòu)模型，對判斷矩陣采用兩兩比較的方法得出結(jié)果， 并采用1～9的數(shù)值標(biāo)度來定義判斷矩陣M，各標(biāo)度的含義見表1。

表1 判斷矩陣標(biāo)度定義

矩陣M的計算式為：

1.1.3 一致性檢驗

對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗時，常用方法有算數(shù)平均法、幾何平均法、特征值法等。 筆者采用特征值法求出判斷矩陣的特征值和特征向量，計算一致性指標(biāo)CI：

式中 n——判斷矩陣階數(shù)；

λmax——最大特征值。

參考表2可得到隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

一致性比例CR的計算式為：

當(dāng)一致性比例CR＜0.10時，認(rèn)為判斷矩陣符合一致性檢驗，否則應(yīng)重新評分，對矩陣M進(jìn)行修正。

1.1.4 特征向量求權(quán)重

將權(quán)重向量W右乘權(quán)重比矩陣A，則有：

其中，λmax存在且唯一，W的分量皆為正分量，將求得的權(quán)重向量作歸一化處理。

1.2 多層次灰色綜合評價法

1.2.1 確定評價樣本矩陣及評價灰類

按照專家評分法，依據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)來評價指標(biāo)層的每個指標(biāo)， 匯總p位專家對不同因素的打分情況，形成評價樣本矩陣D，即：

將評分標(biāo)準(zhǔn)分為“低”、“較低”、“中”、“較高”、“高”5個等級，打分采用9分制，對這5個評價標(biāo)準(zhǔn)分別賦值9、7、5、3、1，具體評分標(biāo)準(zhǔn)參照表3。

表3 評分標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 確定灰類的評價系數(shù)

第e個評價灰類的評價系數(shù)Xie為：

式中 dik——評價樣本矩陣中的元素；

fe——白化權(quán)函數(shù)。

1.2.3 確定灰色權(quán)向量和權(quán)矩陣

灰色權(quán)向量計算表達(dá)式為：

從而得到灰色評價矩陣R為：

1.2.4 綜合評價

根據(jù)以上數(shù)據(jù)求得灰色綜合評價值B為：

式中 ωM——特征向量即層次權(quán)重。

2 常壓儲罐多層次灰色綜合的RBI評價模型的應(yīng)用

現(xiàn)以某企業(yè)的汽油儲罐為例， 已知該汽油儲罐介質(zhì)為硫化氫（H2S），具有毒性，操作溫度為20 ℃，最低運行溫度為3 ℃，儲罐填充高度為15.47 m，直徑為21.15 m，罐壁設(shè)計厚度為140 mm，罐底設(shè)計厚度為100 mm，容積為5 000 m3，操作壓力1.96 kPa， 罐體材料為Q235， 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為API 650。 儲罐的建造符合國家相關(guān)規(guī)范的要求——建造于較平坦處， 儲罐基本數(shù)據(jù)資料真實明確，檢測方法有效。

將多層次灰色綜合常壓儲罐RBI評價模型應(yīng)用于此實例，評價該儲罐罐底的風(fēng)險等級。

2.1 AHP法確定指標(biāo)權(quán)重

找若干名該領(lǐng)域的專家和技術(shù)人員組成評價打分小組， 對儲罐破壞系數(shù)中準(zhǔn)則層的4項因子和指標(biāo)層的7項因子進(jìn)行討論打分，根據(jù)表1中的評價標(biāo)準(zhǔn)建立判斷矩陣為：

通過MATLAB軟件對一級判斷矩陣進(jìn)行計算，得出最大特征值和特征向量為λmax=4.1894，x=［0.8586，0.1046，0.2132，0.4543］。

將特征向量進(jìn)行歸一化處理得出權(quán)重向量W=［0.5266 0.0642 0.1307 0.2786］，同理，按以上步驟計算二級判斷矩陣， 并通過一致性檢驗，得到各指標(biāo)的權(quán)重如下：

各要素對破壞系數(shù)A的權(quán)重排序見表4。

表4 方案層要素對目標(biāo)層權(quán)重排序

2.2 多層次灰色綜合評價法進(jìn)行評價

確定評價灰類的等級數(shù)、灰數(shù)及白化權(quán)函數(shù)。

記灰類為e，根據(jù)評價等級可知，評價灰類共5類， 相應(yīng)的灰數(shù)為?=（?1，?2，?3，?4，?5）=（9，7，5，3，1），根據(jù)表3賦值，選取幾名經(jīng)驗豐富的現(xiàn)場技術(shù)人員和管理人員的評分，得到D為：

所對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)及圖像列于表5。

表5 5種灰類所對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)及圖像

由指標(biāo)層-準(zhǔn)則層-目標(biāo)層依次計算評價結(jié)果，Mi（i=1，2，3，4）的評價結(jié)果如下：

破壞系數(shù)綜合評價結(jié)果為：

M=ωR總=（0.3059，0.3736，0.3011，0.0201，0）

常壓儲罐破壞系數(shù)的修正系數(shù)PE=6.9341，取管理系統(tǒng)評價系數(shù)為1.0，同類設(shè)備失效概率為4×10-5，則該儲罐底板的失效概率為0.000 277。 該儲罐通過傳統(tǒng)RBI風(fēng)險評估方法和改進(jìn)方法得到的分析結(jié)果見表6。

表6 傳統(tǒng)RBI評估方法與改進(jìn)RBI評估方法風(fēng)險分析結(jié)果對比

與該儲罐的漏磁掃描檢測數(shù)據(jù)對比，該儲罐的底板有腐蝕現(xiàn)象， 且存在腐蝕深度超過20%的地方，有一定的失效風(fēng)險。改進(jìn)的RBI評估結(jié)果與儲罐的腐蝕損傷真實情況更接近，基于多層次灰色綜合的RBI評估方法與傳統(tǒng)的評估方法相比準(zhǔn)確性更高。

3 結(jié)論

3.1 根據(jù)多層次灰色綜合評價模型，可實現(xiàn)變權(quán)的思想，能夠根據(jù)儲罐的不同損傷部位和損傷機(jī)理，實時動態(tài)地調(diào)整系數(shù)的權(quán)重值。

3.2 將層次分析與灰色理論有機(jī)結(jié)合，運用于儲罐失效概率的計算和風(fēng)險評價中，不僅可降低單一方法的主觀性，使評價結(jié)果更加科學(xué)、合理，而且對加強(qiáng)常壓儲罐安全管理、有針對性地解決儲罐安全問題具有重要的現(xiàn)實意義。

3.3 將常壓儲罐多層次灰色綜合模型應(yīng)用到實際案例中，通過驗證結(jié)果表明，基于多層次灰色綜合的RBI評價方法計算失效概率的結(jié)果比傳統(tǒng)RBI評估方法更加準(zhǔn)確。