基于模糊層次分析法的超期服役壓力容器安全評(píng)估

李杜偉，胡 棟

(泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 泰安 271000)

1 前 言

壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備，隨著制造業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多壓力容器已處于或面臨超期服役狀態(tài)[1]，從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，這類容器的安全性能可能無(wú)法得到可靠保障，安全隱患較大，但由于生產(chǎn)工藝、節(jié)約資源的需要，無(wú)法及時(shí)更換。

為保障超期服役壓力容器的使用安全，根據(jù)《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法》及TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，除應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)外，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行安全評(píng)估[2-3]，但標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范并未提供科學(xué)的安全評(píng)估方法[4]。本文基于模糊層次分析法，確立評(píng)價(jià)因素并建立評(píng)價(jià)矩陣，形成較為科學(xué)的安全評(píng)估模型，為超期服役壓力容器安全評(píng)估提供參考。

2 模糊層次分析法理論

層次分析法是美國(guó)匹茲堡大學(xué)運(yùn)籌學(xué)家T.L.Satty提出的一種基于定性和定量結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法[5]，該方法將復(fù)雜問(wèn)題分解為遞階層次，并有效的分析各遞階層次間的非序列關(guān)系，具有較高的實(shí)用性和簡(jiǎn)潔性。

相對(duì)權(quán)重是層次分析過(guò)程中的重要參數(shù)，對(duì)層次分析結(jié)果影響較大，為解決權(quán)重確定問(wèn)題，通過(guò)將層次分析法與模糊理論融合，提出了模糊層次分析法，模糊層次分析法通常包括以下步驟[6]：

1. 建立層次分析結(jié)構(gòu)模型；

2. 建立單因素評(píng)價(jià)矩陣；

3. 建立判斷矩陣；

4. 權(quán)重計(jì)算；

5. 一致性檢驗(yàn)及調(diào)整；

6. 綜合評(píng)價(jià)。

3 超期服役壓力容器模糊層次分析評(píng)價(jià)

3.1 建立層次分析結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)管理及損傷模式兩個(gè)維度分析，建立影響超期服役壓力容器分級(jí)評(píng)價(jià)的模糊因素集U：

U=[u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8,u9]

其中，u1為安全生產(chǎn)責(zé)任制管理情況，u2為設(shè)備操作規(guī)程管理情況，u3為設(shè)備的自檢和維護(hù)情況，u4為應(yīng)急措施管理情況，u5為檔案管理情況，u6為腐蝕減薄情況，u7為環(huán)境開裂情況，u8為材質(zhì)劣化情況，u9為機(jī)械損傷情況。根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)屬性，建立評(píng)價(jià)集V：

V=[V1,V2,V3]

3.2 建立單因素評(píng)價(jià)矩陣

確定因素集U對(duì)評(píng)價(jià)集V的隸屬度值，建立評(píng)價(jià)向量Hi=[hivj(x)],hivj(x)的取值范圍為(0，1)。隸屬度函數(shù)采用直覺法確定，如式(1)～(3)所示。

(1)

(3)

將因素集中元素對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)值帶入隸屬函數(shù)，建立評(píng)價(jià)矩陣H：

(4)

3.3 建立判斷矩陣

對(duì)因素集中各因素進(jìn)行比較，建立判斷矩陣B：

(5)

3.4 計(jì)算權(quán)重

根據(jù)因素集中各元素的相對(duì)重要程度，結(jié)合表2的賦值原則確定標(biāo)度并對(duì)判別矩陣進(jìn)行賦值。

表2 標(biāo)度及含義

續(xù)表2

利用方根法計(jì)算判斷矩陣B=(bij)9×9的最大特征根λmax，方法如下：

計(jì)算判斷矩陣各行元素乘積Mi：

(6)

(7)

正規(guī)化處理：

(8)

計(jì)算最大特征根λmax：

(9)

3.5 一致性檢驗(yàn)

一致性檢驗(yàn)合格的依據(jù)為隨機(jī)一致性比例CR<0.1，隨機(jī)一致性比例可由式(10)求得：

CR=CI/RI

(10)

其中CI為一致性指標(biāo)，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，CI可由式(11)求得：

(11)

RI可通過(guò)查表3得到。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 3 Average random consensus index

3.6 綜合評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可用式(12)求得：

A=W·H

(12)

由于評(píng)價(jià)結(jié)果具有模糊性，采用量化方法對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行處理，得到量化值S：

(13)

(14)

(15)

4 算例分析

為驗(yàn)證模糊層次分析法在超期服役壓力容器安全評(píng)估中的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，以某化工廠液氨球罐為例進(jìn)行分析，根據(jù)歷次檢驗(yàn)報(bào)告記錄的情況，得到單因素評(píng)價(jià)矩陣為：

判斷矩陣B的標(biāo)度值如表4所示；利用式(6)～式(9)求得各值如表5所示。

表4 標(biāo)度值Table 4 Scale value

表5 判別矩陣要素值Table 5 Discriminant matrix element value

λmax=9.763

根據(jù)表3，9階矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)為：

RI=1.45

CR=CI/RI=0.066<0.1

因此判斷矩陣滿足一致性要求。

A=W·H=(0.281 0.334 0.386)

根據(jù)表1，表明該容器的綜合安全評(píng)估狀況為2級(jí)，安全評(píng)估狀況一般。

表1 超期服役壓力容器安全評(píng)估分級(jí)

5 結(jié) 論

1.通過(guò)某液氨球罐的算例結(jié)果，基于層次分析法的超期服役壓力容器安全評(píng)估解決了評(píng)估權(quán)重的

主觀性問(wèn)題，通過(guò)對(duì)不同層次的加權(quán)得到較為可信的超期服役壓力容器整體安全評(píng)估狀況；

2.由于壓力容器的介質(zhì)、使用參數(shù)不同，不同類型的標(biāo)度值應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定；

3.模糊層次分析法在超期服役壓力容器安全評(píng)估的應(yīng)用具有可行性，該方法可拓展到其他類特種設(shè)備的安全評(píng)估中。