基于多級模糊綜合評價的輸氣站閥門失效風險分析

馬玉寶，覃新容，韋書龍，楊 珂

中國石油西南管道南寧輸油氣分公司 （廣西 南寧 530000）

閥門是輸氣站場最常用的裝備之一，擔負著截斷、截流、調壓、排污、放空等作用。實際應用中，會出現閥門卡死、泄漏、內漏等事件從而導致閥門失效，影響安全生產運行。據某輸油氣管道公司缺陷隱患臺帳顯示，2017年該公司所轄輸氣站累計發生閥門失效事件29起，其中閥門內漏16次，閥門外漏7次，傳動裝置損壞3次，誤操作3次，嚴重影響安全生產運行。綜合分析閥門失效因素，找出閥門主要失效模式和失效機理，有針對性地制定風險消減措施，可大大降低閥門失效概率，提高閥門可靠性，保障安全生產運行[1-2]。目前，已有學者做過閥門維修策略方面的研究[3-6]。

故障樹法是一種簡明、直觀、靈活的可靠性分析方法[7-8]，常用于風險定量分析。模糊綜合評價法是以模糊數學為基礎，基于評價因素模糊合成機理，依據各個風險評價因素對被評價對象的隸屬度，將模糊因素定量化，進而綜合評價的方法[9-10]。層次分析法是一種定性和定量相結合的、系統化、層次化的分析方法[11]。通常將3種方法中的2種或3種結合使用，可使風險分析更符合實際[12-14]，但將這3種方法相結合應用于輸氣站閥門風險分析的案例較少。

以閥門失效為頂事件建立故障樹，采用模糊綜合評價法從故障樹基本事件開始，逐級向上進行多級模糊綜合評價，全方位考慮引起閥門失效的基本因素。在確定各因素權重時，采用層次分析法，使其更符合客觀實際，提高了模糊綜合評價結果的準確性。

1 建立故障樹

綜合分析閥門失效因素，以閥門失效作為頂事件，閥門卡死、閥門泄漏、閥門內漏為次頂事件建立故障樹，分析可能引起閥門失效的因素作為構成故障樹的基本事件，分析中間事件和基本事件的關系，運用邏輯與門和或門的關系符號將各類事件連接起來，形成閥門失效故障樹分析圖，如圖1所示。閥門失效事件符號說明見表1。

圖1 閥門失效故障樹

表1 閥門失效事件符號說明

2 多級模糊綜合評價模型

2.1 確定因素集

分析閥門失效故障樹，以可能導致頂事件發生的基本事件為元素建立模糊綜合評價的因素集合U={u1，u2，u3，u4，…，un}，其中，un代表影響被評價對象的因素。

2.2 建立備擇集

備擇集表示風險分析者對閥門失效風險的評價標語的集合，可根據具體評價對象而定。風險程度等級劃分越細，則評價的結果越穩定，相應計算量就越大。綜合考慮，將閥門失效風險程度分為5個等級，用集合V=[v1，v2，v3，v4，v5]表示，并且賦值為V=[1，2，3，4，5]。分值越大，則表示發生可能性越大。每一個等級可對應一個模糊子集[15]。閥門失效風險分值與失效等級對應關系見表2。

表2 閥門失效風險等級劃分表

2.3 確定評價因素權重

層次分析法應用于確定模糊綜合評價中因素權重，可使評價結果更加合理[16-17]。利用“9度法”分別將U中的任意兩個因素進行對比，建立因素集U的成對因素判斷表。用uij表示ui相對于uj的重要程度的標度，用數字1至9來代替，條件需滿足uij＞0，uij=1/uji。采用層次分析中的特征根法求取評價因素的相對權重，計算權重向量的近似值，并進行歸一化，得到評價因素的權重向量。對成對判斷矩陣作一致性檢驗，檢查公式為：

其中：C1為判斷矩陣一致性指標；R1為判斷矩陣的平均隨機一致性指標。由大量實驗得出，取值由矩陣的階數n決定，見表3。當一致性檢驗判別式CR小于0.1，則認為成對判斷矩陣通過一致性檢驗，否則，需要對判斷矩陣作適當調整[18-19]。

表3 平均隨機一致性指標值

2.4 建立單因素模糊評價矩陣和模糊綜合評價集

成立閥門失效評價小組，從因素集U中的任一個因素ui開始，以評價小組每位成員贊同ui的評價比重作為因素ui相對于備擇集V的隸屬度[20]。因素集U中每一個因素相對于備擇集V的隸屬度，以各因素的隸屬度評價集為行，即可形成單因素模糊評價矩陣A。

結合單因素模糊評價矩陣A和各因素權重向量W，利用加權平均模型M(·,+)，求取評價指標的模糊綜合評價集B=WA=（b1,b2,b3…bi）。

2.5 閥門失效風險分析

若評價指標為中間事件，以同級評價指標的模糊綜合評價集B為行，可構成上一級評價指標的模糊綜合評價矩陣。繼續重復上述步聚，直至求出頂事件的模糊綜合評價向量，并進行歸一化。采用加權平均的方法，即可得出頂事件的風險值。

3 實例應用

實際應用中，因驅動裝置損壞等原因導致閥門卡死失效事件較為常見，因此以閥門失效故障樹中閥門故障M5為例具體說明基于層次分析法和多級模糊綜合評價的閥門風險分析。從故障樹分析圖可知，因素集U包含了X3～X5三個因素。

3.1 確定評價因素權重

采用“9度法”將X3～X5三個因素建立成對判斷矩陣，見表4。

表4 閥門故障因素成對判斷表

采用特征根法求出各因素的權重W。利用數學軟件計算判斷矩陣的最大特征根得3.018 3，一致性指標C1為0.009 2，經查表3得平均隨機一致性指標R1為0.58，一致性檢驗判別式CR為0.015 8。由于CR小于0.1，一致性檢驗通過，即認為判定權系數分配合理。評價對象閥門故障M5的權重集，經歸一化后可得W1=(0.136 5,0.238 5,0.625 0)。

3.2 建立單因素模糊評價矩陣和模糊綜合評價集

由20名經驗豐富的設備管理人員組成評價小組，分別對X3～X5三個因素的風險等級進行判定，求出各因素相對于評價集的隸屬度，建立單因素模糊評價矩陣。

由單因素模糊評價矩陣A1和各因素權重向量Wi求取評價對象閥門故障的綜合評價集。

3.3 閥門失效風險分析

重復評價對象閥門故障的綜合評價集B1的確定過程可得出評價對象誤操作的綜合評價集B2。

對誤操作和閥門故障建立成對判斷矩陣，見表5，采用層次分析法求出歸一化后的權重向量W2。

W2=（0.166 7，0.833 3）

表5 閥門卡死因素成對判斷表

以B1和B2為行，得到評價對象閥門卡死的模糊評價矩陣，進而求得M1的綜合評價集B3。

重復上述程序，可依次得到閥門泄漏M2和閥門內漏M3的綜合評價集。以每個綜合評價集為行，得到頂事件閥門失效T的綜合評價矩陣A0。

將M1～M3建立成對判斷表，見表6。采用層次分析法求得三個因素的歸一化權重向量W0，W0=(0.660 8,0.131 1,0.208 1)。

表6 閥門失效因素成對判斷表

最終得出歸一化的管道失效的模糊綜合評價集B0。

采用加權平均算法得出閥門失效風險的整體評分V。

由表2可知閥門失效可能性介于較小和中等之間。結合評價過程和評價結果，應重點從制定閥門周期性維護保養計劃并按期執行以及制定操作規程防止誤操作等方面，制定風險消減措施。

4 結束語

在建立以輸氣站閥門失效為頂事件的故障樹模型的基礎上，利用多級模糊綜合評價法對閥門進行失效風險分析，閥門失效風險整體評分值為2.912 7，失效可能性介于較小和中等之間，符合實際管理現狀，驗證了該評價方法的可行性和有效性。結合評價過程和評價結果，從制定并嚴格落實閥門周期性維護保養計劃、制定操作規程、加強監護防止誤操作等方面制定風險消減措施。通過對閥門失效風險分析，有針對性地制定風險控制措施，可有效提高閥門的可靠性，延長閥門使用壽命。