基于AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)的蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法及應(yīng)用

顧志恩 賀 軾 姜海一 劉娟波 高立敏

（1.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司 寧波 315200）

（2.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心（煉油與化工裝備風(fēng)險(xiǎn)防控），中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

（3.杭州培慕科技有限公司 杭州 310000）

在石油化工和熱力發(fā)電行業(yè)中，通常將蒸汽以管網(wǎng)形式輸送給工業(yè)園區(qū)和城鎮(zhèn)居民供熱，這是實(shí)現(xiàn)能源利用率最大化的重要方式[1-2]。蒸汽管網(wǎng)在高溫、較大壓力下運(yùn)行，一般穿過(guò)城市主干道和人流密集區(qū)，一旦發(fā)生事故，將對(duì)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行、周邊居民和相關(guān)道路設(shè)施產(chǎn)生重大影響。對(duì)供熱蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，明確各管道的風(fēng)險(xiǎn)水平，對(duì)其長(zhǎng)周期安全運(yùn)行和高效管理具有重要意義。

國(guó)內(nèi)當(dāng)前沒(méi)有針對(duì)供熱蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]?？晒﹨⒖嫉氖荊B/T 26610系列標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則》，該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)石油化工裝置的承壓設(shè)備（包括管道），GB/T 26610.4—2022《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則 第4部分：失效可能性定量分析方法》[5]規(guī)定失效可能性評(píng)估方法，GB/T 26610.5—2022《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則 第5部分：失效后果定量分析方法》[6]規(guī)定失效后果評(píng)估方法。該方法在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算中核心考慮設(shè)備腐蝕減薄、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和泄漏燃燒爆炸等因素。而蒸汽介質(zhì)純凈，腐蝕減薄、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和泄漏燃燒爆炸的影響較小，對(duì)其失效影響較大的是運(yùn)行過(guò)程中的水擊破壞、道路邊車流撞擊破壞、管道并行布置、沉井積水和泄漏疏水等潛在風(fēng)險(xiǎn)類型。

上述潛在風(fēng)險(xiǎn)類型對(duì)失效可能性多個(gè)因素都有影響，具體影響程度難以定量評(píng)價(jià)。對(duì)此類問(wèn)題，層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)是一種有效的解決方法[7-8]。模糊綜合評(píng)價(jià)采用模糊數(shù)學(xué)理論，對(duì)受到多種因素制約的對(duì)象進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，能較好地解決模糊、難以量化的問(wèn)題。在模糊綜合評(píng)價(jià)方法中，將與綜合評(píng)價(jià)相關(guān)問(wèn)題分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，采用層次分析法（AHP）確立權(quán)重來(lái)量化每個(gè)因素對(duì)結(jié)果的影響程度，具有結(jié)果客觀且明晰的優(yōu)點(diǎn)[9]?？紤]到蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中各因素之間的層次性、關(guān)聯(lián)性，本文基于層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)確定潛在風(fēng)險(xiǎn)類型對(duì)失效可能性的影響，進(jìn)而修訂GB/T 26610.4—2022中失效可能性的計(jì)算方法，以提高對(duì)蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的適用性和準(zhǔn)確性。

1 潛在風(fēng)險(xiǎn)類型分析

蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行溫度和壓力一般為150～300 ℃、0.5～4 MPa，介質(zhì)為蒸汽，材質(zhì)一般選用碳鋼。蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中潛在風(fēng)險(xiǎn)類型主要有沖刷腐蝕泄漏、水擊破壞、車流撞擊破壞、管道并行布置、沉井積水、泄漏疏水、定期檢驗(yàn)情況等[10-11]，這些潛在風(fēng)險(xiǎn)類型對(duì)失效可能性有較大影響，其中沖刷腐蝕的影響已在前述標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26610.4—2022中予以考慮。

腐蝕失效分為內(nèi)部腐蝕和外部腐蝕，由于蒸汽管網(wǎng)介質(zhì)為蒸汽，腐蝕一般較弱，外部腐蝕主要是架空管道保溫層破損脫落導(dǎo)致的大氣腐蝕，埋地管道的土壤微生物腐蝕；內(nèi)部腐蝕主要是蒸汽介質(zhì)不純凈時(shí)，混有CO2、硫化物等酸性氣體導(dǎo)致。蒸汽管道中形成的冷凝水會(huì)對(duì)內(nèi)壁產(chǎn)生沖刷腐蝕，尤其在彎頭、三通和變徑處可能導(dǎo)致嚴(yán)重的沖刷腐蝕減薄，造成管道的泄漏。水擊破壞是由于輸送距離過(guò)長(zhǎng)或保溫效果較差導(dǎo)致蒸汽冷凝，疏水系統(tǒng)沒(méi)有及時(shí)將冷凝水排出，冷凝水在管內(nèi)不斷聚集而水位升高，出現(xiàn)水堵的段塞流狀態(tài)，產(chǎn)生壓差波動(dòng)而劇烈振動(dòng)，造成管道、閥門、彎管及補(bǔ)償器等關(guān)鍵部件氣蝕和開(kāi)裂。撞擊破壞方面，蒸汽管網(wǎng)一般會(huì)穿越城鎮(zhèn)道路、化工園區(qū)等，周邊通常有大量車流，尤其是化工園區(qū)的危化品車，可能對(duì)管道撞擊并導(dǎo)致嚴(yán)重變形。并行布置方面，在化工園區(qū)中，蒸汽管網(wǎng)與易燃易爆、有毒有害的化工管廊并行布置，并行布置的管道一旦出現(xiàn)異常，將對(duì)蒸汽管網(wǎng)造成重大影響。泄漏疏水方面，疏水位置處產(chǎn)生高溫高壓環(huán)境，一旦有人員在不知情的情況下進(jìn)入該區(qū)域?qū)l(fā)生燙傷。沉井積水方面，沉井布置的管道在積水后埋地管道保溫夾層進(jìn)水，管道失溫而形成管內(nèi)冷凝水，會(huì)降低傳熱效率并加速腐蝕。定期檢驗(yàn)情況方面，按照《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法》，高溫蒸汽管道作為特種設(shè)備應(yīng)該進(jìn)行定期檢驗(yàn)，但由于供熱端的保供壓力，一些蒸汽管網(wǎng)不能及時(shí)停車檢驗(yàn)，因未得到及時(shí)檢修而存在的風(fēng)險(xiǎn)。

2 蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

GB/T 26610.4—2022[5]中對(duì)失效可能性按照式（1）計(jì)算。

式中：

F——失效可能性；

FG——同類設(shè)備平均失效概率；

FE——設(shè)備修正系數(shù)；

FM——管理系統(tǒng)評(píng)價(jià)系數(shù)；

FL——超標(biāo)缺陷影響系數(shù)。

本文中考慮蒸汽管網(wǎng)潛在風(fēng)險(xiǎn)類型的影響，在失效可能性計(jì)算中耦合潛在風(fēng)險(xiǎn)類型影響因子FP，對(duì)失效可能性采用式（2）計(jì)算。

FP數(shù)值采用層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)法確定[9，12]，圖1是FP確定的流程圖，相關(guān)步驟說(shuō)明如下。

圖1 層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)確定潛在風(fēng)險(xiǎn)類型影響因子FP的流程圖

1）收集蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。主要包括設(shè)計(jì)建造、材質(zhì)介質(zhì)、工藝參數(shù)、運(yùn)行維護(hù)、檢驗(yàn)歷史等數(shù)據(jù)。

2）確定評(píng)價(jià)因素集合X和評(píng)價(jià)目標(biāo)集合Y。其中X為各潛在風(fēng)險(xiǎn)類型的集合，X={水擊破壞，車流撞擊破壞，管道并行布置，沉井積水，泄漏疏水，定期檢驗(yàn)}，評(píng)價(jià)目標(biāo)集合Y為潛在風(fēng)險(xiǎn)類型對(duì)失效可能性的影響程度，Y={影響小，影響中等，影響較大，影響大}。

3）采用層次分析法確定各因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響的權(quán)重。首先構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型以及指標(biāo)層各特征參數(shù)對(duì)應(yīng)的區(qū)間邊界。準(zhǔn)則層為影響因素X，目標(biāo)層為目標(biāo)集合Y。區(qū)間層的邊界值可以按照企業(yè)實(shí)際情況確定，本文中參照所調(diào)研企業(yè)的情況確定的數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 各潛在風(fēng)險(xiǎn)類型特征參數(shù)及對(duì)應(yīng)的邊界區(qū)間

進(jìn)一步構(gòu)建判斷比較矩陣A，aij為矩陣A的元素，表示第i個(gè)潛在風(fēng)險(xiǎn)類型相對(duì)于第j個(gè)潛在風(fēng)險(xiǎn)類型的重要程度。關(guān)于aij數(shù)值的確定，在層次分析法中一般通過(guò)比較各因素之間的重要程度來(lái)確定，具有很強(qiáng)的主觀性[13]。本文中比較矩陣元素aij的確定，以各潛在風(fēng)險(xiǎn)類型特征參數(shù)的具體數(shù)值結(jié)合表1中的區(qū)間等級(jí)，采用如下準(zhǔn)則確定：區(qū)間等級(jí)相同的aij數(shù)值為1，相差一個(gè)區(qū)間等級(jí)的aij數(shù)值為3或1/3，相差2個(gè)區(qū)間等級(jí)的aij數(shù)值為5或1/5，相差3個(gè)區(qū)間等級(jí)的aij數(shù)值為7或1/7。具體確定準(zhǔn)則見(jiàn)表2。

表2 比較判斷矩陣中各元素?cái)?shù)值的確定準(zhǔn)則

4）對(duì)構(gòu)建的比較矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[12]。如果計(jì)算的一致性比例小于0.1，則通過(guò)一致性檢驗(yàn)，否則需要重新構(gòu)造比較矩陣。對(duì)一致性檢驗(yàn)通過(guò)的比較矩陣，其最大特征值對(duì)應(yīng)的歸一化向量C，即為各潛在風(fēng)險(xiǎn)類型對(duì)失效可能性影響程度的權(quán)重。

5）確定模糊綜合評(píng)判矩陣R。關(guān)于綜合評(píng)判矩陣對(duì)應(yīng)隸屬函數(shù)的確定，考慮到各潛在風(fēng)險(xiǎn)類型特征參數(shù)與影響程度之間呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系，從而采用如下偏大型或偏小型半梯形分布隸屬函數(shù)[14-15]。其中對(duì)特征參數(shù)數(shù)值越大、失效可能性影響越大的采用偏大型半梯形分布隸屬函數(shù)，見(jiàn)式（3）。

而對(duì)特征參數(shù)數(shù)值越大、失效可能性影響越小的采用偏小型半梯形分布隸屬函數(shù)，見(jiàn)式（4）。

式中：

ri1，ri2，ri3，ri4—— 評(píng)價(jià)因素集合X對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)集合Y的隸屬度；

x—— 各潛在風(fēng)險(xiǎn)類型特征參數(shù)數(shù)值；

a，b，c—— 表1中各參數(shù)的邊界值。

其中對(duì)水擊破壞，由于難以提取特定的特征參數(shù)，研究結(jié)果表明，水擊失效的影響程度與氣液兩相的流型密切相關(guān)[10]。流型為單相流時(shí)，隸屬函數(shù)值為0；流型為分散流或過(guò)渡流時(shí)，隸屬函數(shù)值為0.5；流型為段塞流時(shí)，隸屬函數(shù)值為1。

6）進(jìn)行模糊綜合評(píng)判。進(jìn)一步地對(duì)各潛在風(fēng)險(xiǎn)類型進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，見(jiàn)式（5）。

式中：

CT——各因素影響權(quán)重的行向量；

R——模糊關(guān)系矩陣；

“?！薄：P(guān)系算子。

“?！钡倪\(yùn)算規(guī)則見(jiàn)式（6）：

式中：

dij——模糊綜合評(píng)判矩陣的元素；

cij——權(quán)重向量的元素；

rij——模糊關(guān)系矩陣的元素；

∨——取大運(yùn)算符；

∧——取小運(yùn)算符。

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)最大隸屬原則，最終確定各潛在風(fēng)險(xiǎn)類型對(duì)失效可能性的綜合影響程度。

7）確定潛在風(fēng)險(xiǎn)類型影響因子FP。考慮到GB/T 26610.4—2022中對(duì)失效可能性的分級(jí)，相鄰等級(jí)之間差1個(gè)數(shù)量級(jí)。因此對(duì)上述模糊綜合評(píng)判的結(jié)果，在不同的影響程度之間也相差1個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)模糊綜合評(píng)判確定的潛在風(fēng)險(xiǎn)類型對(duì)失效可能性的影響程度，F(xiàn)P的數(shù)值見(jiàn)表3。FP確定后，即按照式（2）計(jì)算失效可能性的大小。再以GB/T 26610.5—2022的方法計(jì)算失效后果，最終確定蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)大小和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表3 潛在風(fēng)險(xiǎn)類型影響程度與潛在風(fēng)險(xiǎn)類型影響因子FP的關(guān)系

3 方法的應(yīng)用及結(jié)果分析

現(xiàn)以3個(gè)設(shè)備為例說(shuō)明上述潛在風(fēng)險(xiǎn)類型影響因子的計(jì)算過(guò)程，然后對(duì)某熱力發(fā)電企業(yè)蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用。表4是上述3個(gè)設(shè)備的潛在風(fēng)險(xiǎn)類型特征參數(shù)數(shù)值以及按照表1確定的區(qū)間等級(jí)。

表4 各設(shè)備潛在損傷類型特征參數(shù)值以及對(duì)應(yīng)的區(qū)間等級(jí)

對(duì)表4中的3個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，按照表2中比較矩陣元素的確定方法，形成的比較矩陣見(jiàn)式（7）。

求取上述矩陣的特征值，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。根據(jù)層次分析法，均通過(guò)一致性檢驗(yàn)[12]。

計(jì)算上述3個(gè)比較矩陣最大特征根對(duì)應(yīng)的歸一化向量C1、C2和C3見(jiàn)式（8）。

按照式（3）和式（4）的隸屬函數(shù)計(jì)算的模糊關(guān)系矩陣R1、R2和R3見(jiàn)式（9）。

對(duì)3個(gè)設(shè)備進(jìn)行模糊綜合評(píng)判的結(jié)果分別見(jiàn)式（10）～式（12）。

按照模糊數(shù)學(xué)最大隸屬原則，可知3個(gè)設(shè)備潛在風(fēng)險(xiǎn)類型對(duì)失效可能性的影響程度分別為：影響大、影響較大和影響中等。因此，按照表3確定的潛在風(fēng)險(xiǎn)類型影響因子Fp數(shù)值分別為1 000、100和10。

某熱力發(fā)電企業(yè)蒸汽管網(wǎng)共由45條管線構(gòu)成，總長(zhǎng)度為97 km，采用GB/T 26610中方法以及本文提出的方法，對(duì)該蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2 采用GB/T 26610方法對(duì)某企業(yè)蒸汽管網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

圖3 采用本文提出的方法對(duì)某企業(yè)蒸汽管網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

結(jié)果顯示，采用GB/T 26610方法評(píng)估的所有蒸汽管網(wǎng)失效可能性等級(jí)都為1級(jí)，全部為低風(fēng)險(xiǎn)或中風(fēng)險(xiǎn)，其中18條管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為低風(fēng)險(xiǎn)，27條為中風(fēng)險(xiǎn)。相應(yīng)地，采用本文提出的方法對(duì)該企業(yè)蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果中，17條是低風(fēng)險(xiǎn)，23條是中風(fēng)險(xiǎn)，新出現(xiàn)了5條中高風(fēng)險(xiǎn)管道。這5條管道由于撞擊破壞、沉井積水和并行布置等潛在風(fēng)險(xiǎn)因素的影響，其失效可能性由修正前對(duì)應(yīng)的1級(jí)（沒(méi)有考慮潛在風(fēng)險(xiǎn)類型的影響）升高到了修正后的3級(jí)或者4級(jí)，從而變?yōu)橹懈唢L(fēng)險(xiǎn)管道。對(duì)此，與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的企業(yè)溝通確認(rèn)，本文提出的方法對(duì)應(yīng)的評(píng)估結(jié)果更好地反映了蒸汽管網(wǎng)本身的特點(diǎn)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果與實(shí)際更吻合。

4 結(jié)論

本文提出一種基于層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，修正當(dāng)前GB/T 26610.4—2022中失效可能性評(píng)估方法，以適用蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。其中層次分析法中比較矩陣元素按照潛在損傷類型特征參數(shù)對(duì)應(yīng)的區(qū)間確定，避免了傳統(tǒng)層次分析法中比較矩陣元素確定時(shí)的主觀隨機(jī)性。對(duì)某企業(yè)蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明，修正前的方法計(jì)算結(jié)果更保守，風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果等級(jí)更低。本文提出的方法對(duì)應(yīng)的評(píng)估結(jié)果更好地反映了蒸汽管網(wǎng)本身的特點(diǎn)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果與實(shí)際更吻合，提高了供熱蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確度與管理效率。