基于組合賦權(quán)-集對分析的高壓氫氣儲罐完整性評估

摘 要 建立了組合賦權(quán)-集對分析算法的高壓氫氣儲罐自身狀況安全評估模型。首先，采用層次分析結(jié)合熵權(quán)法建立10個評價指標的評價體系計算組合權(quán)重。其次，利用集對分析理論確定影響儲罐安全使用的各指標安全等級以及等級的發(fā)展態(tài)勢。最后，利用該評估模型對某實際使用的高壓氫氣儲罐自身狀況進行完整性評估，并根據(jù)評估結(jié)果給出科學(xué)的維修決策。研究結(jié)果表明，該模型能夠較為準確地描述高壓氫氣儲罐存在的風(fēng)險因素并對風(fēng)險等級進行排序，為不確定復(fù)雜環(huán)境下儲罐的延壽和維修決策提供新的解決方案。

關(guān)鍵詞 高壓氫氣儲罐 組合賦權(quán) 集對分析 完整性評估

中圖分類號 TQ053.2" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2025）02?0288?07

高壓儲罐作為化工行業(yè)重要原料的儲存設(shè)備，其結(jié)構(gòu)的安全與完整性關(guān)系到整個生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運行。張淑淑等在大量總結(jié)國內(nèi)外對于LNG儲罐安全防護措施的基礎(chǔ)上，分析了各措施的優(yōu)缺點以及適用范圍，并以儲罐本質(zhì)安全為出發(fā)點，對相應(yīng)的預(yù)防和治理措施予以展望[1]。隨著安全評價理論在人工智能和數(shù)字化領(lǐng)域的不斷發(fā)展，越來越多的數(shù)學(xué)評價方法被用于儲罐的風(fēng)險分析。劉洋等基于AHP?Monte Carlo方法對液化天然氣罐區(qū)進行了風(fēng)險評估[2]。聶鈺明等將AHP-熵權(quán)法運用于液氨儲罐的自身安全風(fēng)險分析[3]。陳琳等以港口常壓儲罐為研究對象，采用AHP方法對儲罐的安全性能進行了理論評價[4]。姜峰等利用AHP算法對海洋平臺原油儲罐安全等級進行了劃分，并基于評價結(jié)果給出了相應(yīng)的防御措施[5]。劉琪華和張世杰利用聲發(fā)射技術(shù)將儲罐檢測得到的信息和儲罐自身參數(shù)作為評價數(shù)據(jù)，采用遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）算法對儲罐底板腐蝕情況進行了安全評估[6]。程云芳和邱榕采用粒子群優(yōu)化（Particle Swarm Optimization，PSO）算法對支持向量機（Support Vector Machine，SVM）模型進行優(yōu)化，將其應(yīng)用于苯儲罐泄漏事故的安全評價分析，并將計算結(jié)果與GA?SVM和網(wǎng)格搜索（Grid Search，GS）-SVM評價模型的結(jié)果進行了比較[7]。

為了更加系統(tǒng)和科學(xué)地對高壓氫氣儲罐自身狀態(tài)進行完整性評估，筆者選取10個評價指標，采用組合賦權(quán)-集對分析理論對儲罐的自身狀態(tài)進行安全評估。集對分析理論的優(yōu)點是不僅能對多層次多變量的復(fù)雜系統(tǒng)給出評價等級，而且能夠進一步刻畫各評價指標發(fā)展態(tài)勢的同一性、差異性和對立性[8～10]。也就是說，可以對評價指標在不同風(fēng)險區(qū)域進一步的發(fā)展態(tài)勢做出判斷，從而更好地為后續(xù)制定防御措施給出科學(xué)指導(dǎo)。

1 評價體系

氫氣儲罐安全、完整性狀態(tài)評價體系是一個多層次、多變量、多因素的復(fù)雜系統(tǒng)，包含了大量的動態(tài)和靜態(tài)問題，指標體系的層次結(jié)構(gòu)必須密切反映實際情況。然而就這個復(fù)雜的系統(tǒng)而言，影響儲罐安全屬性的因素十分龐大且復(fù)雜，例如大的指標有人員操作過程中的不安全行為、儲罐所處環(huán)境的不安全狀態(tài)以及日常管理缺陷等。文中僅針對儲罐設(shè)備自身的完整性特性進行考量，將儲罐安全狀態(tài)的一級評價指標劃分為罐體腐蝕和罐體焊接質(zhì)量，然后再根據(jù)各一級指標制定相應(yīng)的二級指標，具體評價體系如圖1所示[3]。

2 組合賦權(quán)-集對分析理論

2.1 組合權(quán)重的計算

2.1.1 層次分析法確定評價指標集

該領(lǐng)域的專家加入項目團隊，每位專家通過提出一系列評價指標，收集和分析數(shù)據(jù)，構(gòu)建科學(xué)合理的評價指標體系，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)如下：

其中，A為評價指標i（范圍為1～m）相對于評價指標i（范圍為1～n）的重要程度。

各指標的權(quán)重ω為[10]：

一致性比率C可表示為：

2.1.2 熵值法確定權(quán)值

采用熵值法確定評價指標權(quán)重時，m個樣本、n個評價指標形成的評價矩陣可表示為[11～13]：

由于儲罐評價體系中的每個評價指標的量綱和數(shù)量級存在較大差異，而標準化處理手段可以達到消除量綱間差異的目的，計算式為：

其中，[x][′]為標準化處理后的值，x和x為所有樣本指標的最大和最小值。

第i個樣本在第j項指標下的比重可表示為：

第j項指標的熵值可定義為：

第j項指標的權(quán)值可定義為：

2.1.3 組合權(quán)重

最后通過層次分析和熵權(quán)法組合計算每個指標權(quán)重，計算式如下：

其中，aj和bj分別為層次分析法和熵權(quán)法確定的第j個指標的權(quán)值。

2.2 集對分析理論

集對分析應(yīng)用于系統(tǒng)工程、質(zhì)量工程、安全屬性評價等多個領(lǐng)域。將確定性集和不確定性集放在一起形成集合對。從同一性、差異性和對立性3個方面來描述它們之間的關(guān)系，μ=a+bi+cj是所謂的三元連接度。然而，在實踐中，這種描述并不能滿足許多研究對準確性的要求，兩組數(shù)據(jù)可以有一種以上的差異程度。根據(jù)原始關(guān)聯(lián)度的可展開性原理，可以得到四元關(guān)聯(lián)度為[14，15]：

μ=a+bi+cj+dk（10）

其中，μ為集合對的連接度;a、b、c、d分別為同一度、差異度、對立度和不確定度，取值范圍均為[0，1]，且a+b+c+d=1;i、j、k為聯(lián)系分量系數(shù)，分別對應(yīng)差異度、對立度和不確定度，通常i∈[-1，1]，j=-1，k∈[-1，1]。

分別將高壓氫氣儲罐的評價標準和工況實際值作為集對的兩個評價集合，通過不同評價等級間的標準值與實際值之間的關(guān)聯(lián)度對評價體系進行分析。其中，集合A代表評價指標等級集合，B為被評價對象指標。

指標越小越優(yōu)型的關(guān)聯(lián)度計算式為：

指標越大越優(yōu)型的關(guān)聯(lián)度計算式為：

其中，s、s和s分別為指標評價標準閾值，x為體系指標的實際取值。

2.3 聯(lián)系度函數(shù)

高壓氫氣儲罐完整性風(fēng)險等級評價的聯(lián)系度函數(shù)可表示為：

其中，ω=（ω，ω，…，ω）表示評價指標的組合權(quán)重，U為評價指標聯(lián)系度集合，代表第r個指標對第m個評價等級的標準化數(shù)值。

3 案例分析

此次進行完整性評估的高壓儲氫容器由蘭州蘭石重型裝備股份有限公司生產(chǎn)制造。該設(shè)備壽命按應(yīng)力循環(huán)次數(shù)50 000次和15年控制，以先到者為準。設(shè)備為間歇操作，操作頻率約每年

333次，加注高壓氫氣壓力從常壓升至35.0 MPa，然后泄放氫氣降至常壓。設(shè)備內(nèi)部檢查合格后進行氨氣置換處理，置換完畢后以0.05～0.20 MPa壓力進行氮封處理，并保持壓力出廠。設(shè)備投用后1年內(nèi)進行了首次定期檢驗，以后的檢驗周期由檢驗機構(gòu)根據(jù)儲氫容器的安全狀況等級確定。安全狀況等級為1～3級的每3年檢驗一次。設(shè)計壓力為35.0 MPa，溫度基本低于50 ℃，根據(jù)現(xiàn)場用氣量調(diào)節(jié)氣瓶壓力，氣瓶的最高工作壓力為21.3 MPa。高應(yīng)力區(qū)域可能會發(fā)生腐蝕疲勞裂紋，所以重點檢查接頭部位以及高強鋼變徑部位。

本輪評估共邀請了8位現(xiàn)場管理和企業(yè)技術(shù)專家采用專家評分法的方式對儲罐歷年檢查情況進行主觀評分。根據(jù)評分結(jié)果構(gòu)建層次分析法的判斷矩陣和熵權(quán)法的初始數(shù)據(jù)矩陣，確定屬性、子屬性和屬性對的重要性。將各指標層的指標與總指標、目標指標進行比較，確定每個元素對應(yīng)的數(shù)值尺度。二級指標比較的判斷矩陣如下：

根據(jù)式（1）～（3）計算出層次分析法確定的指標權(quán)重，利用式（4）～（8）計算出熵權(quán)法對應(yīng)的指標權(quán)重，最后由式（10）得出各指標的最終綜合權(quán)重。

各項指標權(quán)重計算結(jié)果見表1。可以看出，一致性比率CR=0lt;0.1，說明此次評價體系建立的評價矩陣一致性相當高，滿足評價要求。評估結(jié)果顯示，就高壓氫氣儲罐完整性而言，罐體焊接質(zhì)量的重要程度高于罐體腐蝕。二級指標中未焊透和未熔合兩個指標的重要程度顯著高于其他，而對罐體質(zhì)量影響較小的因素是涂層粘附力和殘余應(yīng)力。

另外，為了確定集對分析中關(guān)聯(lián)系數(shù)的閾值以及劃分風(fēng)險評價等級，根據(jù)TSG 21—2019《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，將高壓氫氣儲罐安全狀態(tài)劃為重大風(fēng)險、較高風(fēng)險、中等風(fēng)險和低風(fēng)險4個等級，并給出了相應(yīng)的等級劃分系數(shù)區(qū)間，具體見表2。

將表2數(shù)據(jù)和各指標評價得分代入式（10）～（12）可得到各二級評價指標聯(lián)系數(shù)分量（表3）。

由表3各評價指標聯(lián)系數(shù)分量可以得到二級指標四元關(guān)聯(lián)度表達式。例如：抗腐蝕性能μ=0+i+0j+0k，殘余應(yīng)力μ=0+0.2i+0.8j+0k。

將表3聯(lián)系數(shù)分量和表1中的二級指標組合權(quán)重代入式（13）可以得到一級指標關(guān)聯(lián)度表達式。其中，焊接質(zhì)量μ計算式為：

同理可得罐體腐蝕四元關(guān)聯(lián)度表達式μ=0+0.1288i+0.1695j+0.0148k。在此基礎(chǔ)上，將一級指標四元關(guān)聯(lián)度和相應(yīng)的權(quán)重代入式（13）能夠獲得氫氣儲罐總體質(zhì)量的關(guān)聯(lián)度表達式：

各評價指標四聯(lián)系數(shù)、集對勢和對應(yīng)的安全等級見表4?？梢钥闯觯舜伪辉u價的高壓氫氣儲罐總體質(zhì)量處于低風(fēng)險狀態(tài)，集對態(tài)勢為準同勢，說明罐體整體質(zhì)量基本不存在風(fēng)險加劇的可能。而一級指標中罐體腐蝕的安全等級為較高風(fēng)險，且為弱均態(tài)勢，表明罐體腐蝕的可能會進一步加劇。

由于罐體焊接質(zhì)量的權(quán)重明顯高于罐體腐蝕，所以此刻雖出現(xiàn)了罐體輕微腐蝕的現(xiàn)象，但暫不影響儲罐整體的安全運行。如對指標進一步細化，未焊透、未熔合和焊縫有氣孔皆為低風(fēng)險，暫不存在風(fēng)險發(fā)生的可能?？垢g性能、應(yīng)力集中和焊縫夾雜為中等風(fēng)險指標，且為弱同態(tài)勢，說明罐體存在這方面的小問題，應(yīng)引起重視，同樣就罐體整體質(zhì)量而言，暫不造成影響。殘余應(yīng)力、涂層脫落、涂層老化和涂層粘附力4個指標處于較高風(fēng)險區(qū)，證明罐體已經(jīng)出現(xiàn)了相關(guān)問題，應(yīng)當引起注意，并及時做出補救措施。值得注意的是，涂層脫落為弱反勢態(tài)，這意味著已經(jīng)出現(xiàn)了涂層脫落進一步加劇的可能。

針對此次評估的氫氣儲罐，其表現(xiàn)出來的主要安全隱患為腐蝕問題。首先將缺陷處防腐層打毛至表面粗糙、平整，并清理干凈，再根據(jù)缺陷狀況進行修補。對防腐層不平整區(qū)域進行復(fù)涂，防腐層未固化、分層起皮區(qū)域進行重涂。每一部分防腐層漏點數(shù)每平方米不超過一個時，對漏點處進行修補;防腐層漏點數(shù)每平方米超過一個時，先對漏點修補后再進行全面復(fù)涂。最終，涂敷至防腐層達到規(guī)定厚度。局部復(fù)涂時，與復(fù)涂區(qū)域外的防腐層搭接，搭接寬度不小于50 mm。復(fù)涂防腐層固化后，再次進行質(zhì)量檢驗。

4 結(jié)束語

高壓儲罐運行狀況的危害不是單一來源，而是由多種因素組成的一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。筆者建立了一個組合賦權(quán)-集對分析的決策模型，旨在為儲罐運行狀況進行完整性預(yù)測并及時給出事故預(yù)防措施。

筆者所提模型兼顧確定性和不確定性因素，改進不確定性，根據(jù)因素之間的聯(lián)系計算必要的主值，并根據(jù)安全狀態(tài)和不確定性對一級指標進行分類;通過組合賦權(quán)-集對分析準確地得到了連接度和集對趨勢。儲罐完整狀態(tài)的風(fēng)險管理具有較強動態(tài)性，通過計算偏聯(lián)系數(shù)和分析其態(tài)勢，可以得出風(fēng)險因素中不確定信息的偏好，相對于其他評價方法可以較為準確地把握風(fēng)險因素的變化趨勢，在實際應(yīng)用中具有較強的可操作性。案例分析結(jié)果表明，筆者評估的高壓氫氣儲罐安全等級為低風(fēng)險;評價結(jié)果與儲罐實際情況吻合較好。評價結(jié)果可以識別和預(yù)測危害趨勢，從而有助于持續(xù)監(jiān)測和改進危害預(yù)防。

參 考 文 獻

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