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 興發礦業學院，湖北 武漢 430074)

壓力容器在化學工業生產中是一類必不可少的基礎性生產、存儲設備。安全附件的有效運行對壓力容器安全生產至關重要。依據《固定式壓力容器安全技術監察規程》(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、安全聯鎖裝置和安全儀表系統(壓力表、液位計、溫度計)[1]。因安全附件存在失效的風險，故而需要對安全附件進行風險評估。同時為減少成本開支，安全附件經濟、合理運行，本文從安全附件的功能、經濟和檢維修三個層面聯合分析，使用層次分析法對三個層面下的各個要素進行權重計算，得到各要素的相對重要度。然后邀請15位化工領域的專家對每種附件進行對應要素評分，結合層次分析法的權重進行加權計算，得到安全附件的最終評價，為壓力容器的安全、經濟運行提供了評價依據。

在安全附件的監督和管理層面，劉華陽[2]細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的失效風險，提出了安全閥的安裝的具體規范。至于安全附件的選擇以及維護的問題，劉林剛等[3]分析了如何合理地選擇和安裝、適時檢驗和保養安全附件。而周德紅等[4]結合層次分析法對汽車加油站儲罐區進行了綜合性的安全評價，提出了工藝單元的劃分方式，細致有序地推導了層次分析法的模型構建過程，對本文具有明顯的指導意義。

1 基于層次分析的指標權重計算

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、實用性高的方法。該方法旨在解決當判斷目標的影響因素較多、問題比較復雜且無明確的相互之間的關系，針對評價目標的實際背景，將各類評價因子按屬性拆分組合，組合為一類層次結構[5]。通常情況下層次模型分為目標層、準則層和方案層三層。其中目標層是擬解決的總問題或總目標；準則層是為完成總目標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 層次分析模型構建圖

對于目標層——化工壓力容器安全附件有效、經濟運行而言，本文的準則層從功能、經濟和檢維修3方面要求入手。其中，功能準則有失效風險、靈敏度、動作速度、適用的壓力和溫度范圍以及抗腐蝕和磨損能力5個要素；經濟準則有出廠價格、使用壽命以及重復使用3個要素；檢維修準則有快速檢查、便于保養、維修簡便、檢查周期4個要素。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重時，如果僅憑借經驗進行判斷和賦權，結果只是定性的描述，缺少令人信服的定量數據而難以被別人接受[6]。故而Saaty等人提出：一致矩陣法，即：杜絕全部要素同時對比，轉變為兩要素相互對比。對比時采用標度理論和相對尺度，以降低性質不同的要素相互比較的難度，用來增加準確度[7]。

表1 相對重要度描述表

將各準則內的要素兩兩比對后得到如下四個矩陣：

1.3 指標權重計算和一致性檢驗[5-7]

使用層次分析法時保持判斷標準和思維的前后一致是很重要的。當同時比較的要素大于等于9個時，很容易出現前后不一致的偏差情況，當偏差較大時甚至會出現矛盾的情況。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，步驟如下：

(1)將矩陣A按列作歸一化：

(2)累加各行數據得

(6)在表中找出滿足階數的平均隨機一致性指數RI；

表2 隨機一致性指數RI選取表

(7)由上述(5)、(6)中的兩指數計算一致性比例CR：CR/Cl/CI；

如果計算所得結果滿足CR<0.1，則通過前后一致性檢驗。否則需調整參數直到滿足CR值足夠小。

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

同時，經過歸一處理的wi即為所求的對應要素的權重，本文所得結果為：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 各評價要素相對重要度所占權重圖

由表2可知：各評價要素中排在前1/2的要素按結構重要度由大到小分別為：失效風險、靈敏度、動作速度、出廠價格、便于保養和適用的壓力和溫度范圍。這與我們要實現的目標--安全附件有效、經濟運行相匹配。

2 評估結果的確定

在使用層次分析法確定各評價要素的所占權重后，應將各個評價目標的對應要素分別進行評價，后加權運算后得到最終的評價結果，依據評價結果進行安全附件的選用[7-9]。但因各評價要素無明確的定量評價方法，故而引入模糊綜合評價方法。

表3 爆破片的模糊評價要素體系及評分表(評價組15人)

表3(續)

依照上述步驟計算，歸一化、合并成R、左乘A得最終評價集P，結果如下：

根據隸屬度最大原則，目標層評價集中加權得分最高的即為該目標最終評價結果。最終爆破片的評價語為“中”。

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

安全儀表和報警系統的最終評價集P系統=(0.2297 0.3010 0.2049 0.1876 0.0769)其評價語為“良”。

3 結語

依據層次分析法的權重計算結果，安全附件首先應考慮其能否發揮功效，其次才能考慮經濟性和檢維修的因素。其中安全附件的動作功能中比較重要的是失效風險、靈敏度和動作速度；經濟成本中比較重要的是出廠價格；檢維修中比較重要的是便于保養。這些權重比值與我們實踐中的主觀認知是一致的。

結合模糊綜合評判，安全儀表和報警系統的最終評價結果要優于安全閥和爆破片。安全儀表和報警系統優勢在于失效風險低、靈敏度高；而爆破片和安全閥的優勢在于動作速度快，需要明顯改進的是出廠價格，其余各方面評價均處于中間值。