基于層次分析法的腐蝕影響因素綜合評價

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(航天發射場可靠性技術重點實驗室，海口 571126)

腐蝕是材料與環境間發生化學或電化學相互作用而導致材料功能受到損傷的現象，世界上，腐蝕帶來的經濟損失占國家經濟總量的3%～4%，這給國民經濟、人類生產、日常生活帶來了很大的影響，特別是在高溫、高濕、高鹽霧的海洋大氣環境中，腐蝕帶來的損失更加嚴重[1-2]。海南某沿海區域設備安裝后發現腐蝕現象嚴重，特別是易于結露和鹽霧沉降量較大的區域，出現了大面積腐蝕的現象，不僅影響美觀，還降低了設備性能，帶來了安全隱患。因此，針對設備腐蝕影響因素的綜合評價具有十分重要的理論和實際意義。

腐蝕防護是降低腐蝕的有效手段，做好腐蝕防護可大大降低材料的腐蝕速率，保障設備的安全運行。在濕熱海洋大氣環境中影響防護效果、造成腐蝕的因素很多，錯綜復雜，只靠經驗不能準確確定這些因素中哪些最主要，哪些最值得關注，且有些因素又難于定量表達，因此很難用單一的目標函數來進行評價，必須進行多角度、多層次的評價[3-4]。本工作基于層次分析法，對腐蝕影響因素進行了綜合評價，比較準確地確定了影響腐蝕的主要因素，通過主要影響因素控制并及時采取措施，可以達到防患于未然的目的。

1 層次分析法的原理及基本流程

層次分析法(AHP)是美國運籌學家薩蒂(T.L.Saaty)應用網絡系統理論和多目標綜合評價方法，提出的一種層次權重決策分析方法。該方法是一種定性與定量相結合的方法，它能將決策者對復雜的決策思維過程系統化、模型化、數字化，可解決多目標、多層次、多準則的決策問題，尤其適用于各評價指標權重因子的確定。其思路主要是：把復雜問題中各種因素通過劃分相互聯系的有序層次使之條理化；根據一定客觀現實的判斷就每一層次的相對重要性給予定量表示；利用數學方法確定表達每一層次的全部元素相對重要性次序的權值；通過排序結果分析解決問題[5-8]。層次分析法基本流程見圖1。

圖1 層次分析法基本流程Fig. 1 Analytic hierarchy process (AHP) basic flow

(1) 構造判斷矩陣。任何系統分析都以一定的數據信息為基礎。層次分析法的數據信息基礎主要來自決策者就每一層元素的互相重要性給出的判斷，即判斷矩陣。判斷矩陣可以表示上層某一元素與所支配的下層有關元素之間的相對重要性，即下層各因素兩兩比較，哪個元素比較重要，重要程度如何。為了使決策判斷定量化，形成數值判斷矩陣，本工作采用T.L.Saaty建議的1～9刻度法，見表1。

表1 判斷矩陣的標度及含義Tab. 1 Scale and meaning of the judgment matrix

(2) 和法計算各判斷矩陣的最大特征值和特征向量，然后對特征向量進行歸一化，得到權重排序，并依據各個層次的權重排序，得出權重總排序。假設某一因素受下一層m個因素影響，判斷矩陣為A，將A的每一列向量歸一化得:

得到單位化向量：

w=(w1,w2,……=,wm)T

求判斷矩陣的最大特征向量：

(3) 對權重向量進行一致性檢驗。由于客觀事物的復雜性或對事物認識的片面性，通過所構造的判斷矩陣求出的特征向量權值是否合理，需要對判斷矩陣進行一致性和隨機性檢驗[9-10]。檢驗其一致性的步驟如下：

a. 計算一致性指標CI

CI=(λmax-m)/m-1(5)

b. 計算平均隨機一致性指標CR

CR=CI/RI(6)

式中:RI表示同階平均隨機一致性指標，它只與矩陣階數有關，表2給出了1～10維的RI取值。

表2 RI的取值Tab. 2 Values of RI

理論上，如果判斷矩陣是完全一致的成對比較矩陣，應該有aikbkj=aij，但實際上在構造成對比較矩陣時要求滿足上述眾多等式是不可能的，因此只要求判斷矩陣有一定的一致性,即當CR<0.1,即可認為判斷矩陣具有較好的一致性。

2 腐蝕影響因素綜合評價指標體系

與現場設備腐蝕防護效果相關的影響因素主要有大氣自然環境、設備設施結構設計、腐蝕防護手段以及現場維護管理等四方面。如文昌地區東臨南海，具有高溫、高濕、高鹽霧，以及多雷暴、強降水、有熱帶氣旋登陸等氣候特點，熱帶海洋大氣環境特征明顯。好的結構設計應該避免形狀急劇變化以及小孔、縫隙、積水結構，避免發生縫隙腐蝕、小孔腐蝕、電偶腐蝕等現象，通過設計可以使易腐蝕的零部件長期處于低鹽低濕環境。材料腐蝕防護手段主要包括：合理使用耐蝕材料及處理工藝，采用電化學保護技術、表面涂鍍層技術、表面改性技術或添加緩蝕劑等，良好的防護工藝是避免腐蝕的主要手段。良好的現場維護管理也是防腐蝕的必要手段，例如通過及時處理已腐蝕零部件防止設備快速腐蝕失效，通過定期維修保養保持設備的耐蝕性，通過關鍵部位腐蝕監檢測及時發現腐蝕風險等[11-13]。

對現場設備腐蝕防護效果相關的影響因素進行分類，構造一個各因素之間相互聯結的遞階層次結構。處于最上面的層次一般是評價的預定目標，通常只有一個元素，中間層的元素一般是準則層，最低層是指標層。根據專家意見和現場工作實際情況，腐蝕影響因素分三層，第一層為腐蝕防護評價這一總目標A，第二層包括大氣環境指標B1，結構設計指標B2，防護方法指標B3，維護管理指標B4，每項指標下層又包含若干個子指標項[14-16]。以半封閉區金屬為例，其評價腐蝕影響因素層次結構如表3所示。

表3 半封閉區金屬在濕熱海洋大氣環境中的腐蝕影響因素層次結構Tab. 1 Hierarchical structure of corrosion influencing factors of metals at semi-closed zone in hot and humid marine atmosphere

3 半封閉區金屬設備腐蝕影響因素綜合評價

對于高濕熱、高鹽霧大氣環境中的設備，腐蝕影響因素有其特殊性，特別是半封閉區的金屬設備，結露現象嚴重，薄液膜下大氣腐蝕特征明顯[17-18]。

3.1 構建判斷矩陣

具體指標之間兩兩比較，通過調查訪問法、專家咨詢法進行，最后構建判斷矩陣如下[19-20]：

(1) 判斷矩陣B-A(相對于腐蝕影響因素評價總目標，各準則層之間的相對重要性比較)：

(2) 判斷矩陣C1i-B1(相對于大氣自然環境，各子指標之間的相對重要性比較)：

(3) 判斷矩陣C2i-B2(相對于設備設計結構，各子指標之間的相對重要性比較)：

(4) 判斷矩陣C3i-B3(相對于金屬防護方法，各子指標之間的相對重要性比較)：

(5) 判斷矩陣C4i-B4(相對于維護管理手段，各子指標之間的相對重要性比較)：

3.2 計算判斷矩陣及一致性檢驗

計算各判斷矩陣的特征向量并將其正規化，為方便計算，本工作利用MATLAB軟件編程計算，計算后對結果進行一致性檢驗：

(1) 判斷矩陣B-A

w1=[0.522 2,0.199 8,0.199 8,0.078 1]T;λmax=4.043 5，CI=0.014 5，RI=0.90，CR=0.016<0.1

(2) 判斷矩陣C1i-B1

w2=[0.129 0,0.261 5,0.512 8,0.033 3,0.063 4]T;λmax=5.237 5，CI=0.059 4，RI=1.12，CR=0.053<0.1

(3) 判斷矩陣C2i-B2

w3=[0.25,0.75]T;λmax=2，CI=0，RI=0，CR=0<0.1

(4) 判斷矩陣C3i-B3

w4=[0.401 6,0.401 6,0.412 8,0.054 0]T;λmax=4.007 9，CI=0.002 6，RI=0.9，CR=0.002 9<0.1

(5) 判斷矩陣C4i-B4

w5=[0.637 0,0.104 7,0.258 3]T;λmax=3.038 5，CI=0.019 75，RI=0.58，CR=0.033<0.1

綜上，濕熱鹽霧海洋大氣環境半封閉區金屬設備腐蝕影響因素及權重表如表4所示。

表4 腐蝕影響因素及權重表Tab. 4 Corrosion influencing factors and weights

3.3 討論

從以上結果可以看出，濕熱海洋大氣環境是半封閉區腐蝕的首要因素，隨后依次是結構設計、防護方法和維護管理。通過對所有因素的層次總排序可以看出，影響腐蝕的14個因素由強到弱依次為：鹽霧濃度(0.267 8)、微環境因素(0.149 8)、濕度(0.136 6)、耐蝕材料使用(0.080 2)、金屬涂鍍層保護(0.080 2)、溫度(0.067 4)、結構設計(0.049 9)、及時處理腐蝕件(0.049 7)、強風暴雨(0.033 1)、金屬表面改性防腐蝕(0.028 5)、腐蝕監檢測(0.020 2)、光照強度(0.017 4)、添加緩蝕劑(0.010 8)、定期維護保養(0.008 2)。

上述分析說明，要想做好腐蝕防護工作，必須充分考慮設備所在地的大氣自然環境，在此基礎上做好結構設計和防護工作，使金屬設備能夠長期有效地與外界隔絕，或者形成低溫低濕的微環境。使用階段良好的維護管理是設備腐蝕防護的有效補充，增強設備的防腐蝕能力。

4 結束語

層次分析法在本質上是一種決策思維方式，它具有人的思維分析、判斷和總結的特征。運用層次分析方法，把定性分析與定量分析結合，是一種研究腐蝕評估的新途徑。本文針對高濕熱、高鹽霧的海洋大氣環境中設備設施腐蝕現象嚴重的問題，從腐蝕防護全壽命管理整個系統的觀點出發，提出應用層次分析法對設備設施的腐蝕影響因素進行了綜合評價。除自然環境、防腐方法外，結構設計因素、現場維護管理對腐蝕的影響以前很少報道，它們也是腐蝕防護工作不可忽視的元素，提出結構設計因素、現場維護管理對腐蝕也會產生很大影響。需要說明的是，不同區域的腐蝕防護有自己的特點和要求，其腐蝕影響因素所占權重會有所不同。

研究表明：基于層次分析法可明確各因素對設備腐蝕影響的相對重要性，可為今后更有針對性地制定濕熱鹽霧環境中設備設施防腐蝕策略提供必要的理論依據，對設備設施腐蝕預測同樣具有參考價值。