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(yùn)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(jì)、溫度計(jì))[1]。因安全附件存在失效的風(fēng)險(xiǎn)，故而需要對安全附件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。同時(shí)為減少成本開支，安全附件經(jīng)濟(jì)、合理運(yùn)行，本文從安全附件的功能、經(jīng)濟(jì)和檢維修三個(gè)層面聯(lián)合分析，使用層次分析法對三個(gè)層面下的各個(gè)要素進(jìn)行權(quán)重計(jì)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(jìn)行對應(yīng)要素評分，結(jié)合層次分析法的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到安全附件的最終評價(jià)，為壓力容器的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了評價(jià)依據(jù)。

在安全附件的監(jiān)督和管理層面，劉華陽[2]細(xì)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(xiǎn)，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(hù)的問題，劉林剛等[3]分析了如何合理地選擇和安裝、適時(shí)檢驗(yàn)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(jìn)行了綜合性的安全評價(jià)，提出了工藝單元的劃分方式，細(xì)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(biāo)權(quán)重計(jì)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(shí)用性高的方法。該方法旨在解決當(dāng)判斷目標(biāo)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(jià)目標(biāo)的實(shí)際背景，將各類評價(jià)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(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層三層。其中目標(biāo)層是擬解決的總問題或總目標(biāo)；準(zhǔn)則層是為完成總目標(biāo)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(biāo)層——化工壓力容器安全附件有效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行而言，本文的準(zhǔn)則層從功能、經(jīng)濟(jì)和檢維修3方面要求入手。其中，功能準(zhǔn)則有失效風(fēng)險(xiǎn)、靈敏度、動(dòng)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(gè)要素；經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則有出廠價(jià)格、使用壽命以及重復(fù)使用3個(gè)要素；檢維修準(zhǔn)則有快速檢查、便于保養(yǎng)、維修簡便、檢查周期4個(gè)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(shí)，如果僅憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(shí)對比，轉(zhuǎn)變?yōu)閮梢叵嗷Ρ取Ρ葧r(shí)采用標(biāo)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(zhǔn)確度[7]。

表1 相對重要度描述表

將各準(zhǔn)則內(nèi)的要素兩兩比對后得到如下四個(gè)矩陣：

1.3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn)[5-7]

使用層次分析法時(shí)保持判斷標(biāo)準(zhǔn)和思維的前后一致是很重要的。當(dāng)同時(shí)比較的要素大于等于9個(gè)時(shí)，很容易出現(xiàn)前后不一致的偏差情況，當(dāng)偏差較大時(shí)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(yàn)，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(jī)一致性指數(shù)RI；

表2 隨機(jī)一致性指數(shù)RI選取表

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

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

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

同時(shí)，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(jià)要素相對重要度所占權(quán)重圖

由表2可知：各評價(jià)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(xiǎn)、靈敏度、動(dòng)作速度、出廠價(jià)格、便于保養(yǎng)和適用的壓力和溫度范圍。這與我們要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)--安全附件有效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(jià)要素的所占權(quán)重后，應(yīng)將各個(gè)評價(jià)目標(biāo)的對應(yīng)要素分別進(jìn)行評價(jià)，后加權(quán)運(yùn)算后得到最終的評價(jià)結(jié)果，依據(jù)評價(jià)結(jié)果進(jìn)行安全附件的選用[7-9]。但因各評價(jià)要素?zé)o明確的定量評價(jià)方法，故而引入模糊綜合評價(jià)方法。

表3 爆破片的模糊評價(jià)要素體系及評分表(評價(jià)組15人)

表3(續(xù))

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

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

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

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

3 結(jié)語

依據(jù)層次分析法的權(quán)重計(jì)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(jì)性和檢維修的因素。其中安全附件的動(dòng)作功能中比較重要的是失效風(fēng)險(xiǎn)、靈敏度和動(dòng)作速度；經(jīng)濟(jì)成本中比較重要的是出廠價(jià)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(shí)踐中的主觀認(rèn)知是一致的。

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