基于層次分析法的壓力容器安全風險評價研究

馬波

（中國石油天然氣股份有限公司大慶煉化分公司，黑龍江 大慶 163000）

壓力容器是一種危險性比較高的特種設備，一旦發生爆炸，往往會給人們生命、財產帶來損失。因此，加強壓力容器安全管理顯得尤為重要。目前，壓力容器安全風險管理研究主要有：陳振研究了復雜環境下FPSO壓力容器關鍵結構安全分析，采用Fluent 數值模擬方法對壓力結構安全評價，結果表明，關鍵結構應力值與壓力容器安全成正相關。

龔嶷采用數值模擬方法研究了儲氫氣瓶安全評價，結果表明，儲氫氣瓶在氫氣充放過程中應該加強溫度管控。周忠強研究了覆土臥式容器的屈曲安全評價，結果表明，切割角度對壓力容器安全有顯著影響。柳軍研究了壓力容器缺陷量化綜合安全評價，結果表明，影響壓力容器缺陷指標有缺陷、材質、內部環境、容器斷裂失效、活塞、液壓控制、材料質量、腐蝕等。張琳研究了反應堆壓力容器缺陷指標評價，結果表明，反應堆壓力容器中評價標準、缺陷特征、缺陷斷裂韌性、缺陷殘余應力以及缺陷承壓沖擊都會影響反應堆壓力容器安全。劉桂艷采用層次分析法研究了高校實驗室壓力容器安全評價，結果表明，安全管理系統在高校壓力容器安全評價中發揮重要作用。目前壓力容器安全評價多采用層次分析法、模糊綜合評價法以及灰度模型進行評價。評價壓力容器多為常規壓力容器。近年來，隨著新能源的不斷發展，氫能在新能源中所占比重不斷增加，氫氣存儲關系著人們的生命安全。本文就氫氣壓力容器安全采用模糊綜合評價法進行評價。

1 氫氣壓力容器安全評價體系構建

氫氣壓力容器安全影響因素主要有氫氣壓力容器使用環境、氫氣壓力容器安全管理、氫氣壓力容器監測管理、氫氣壓力容器缺陷、氫氣壓力容器材質。氫氣壓力容器使用環境包括指標有環境溫度、環境濕度、環境壓力、環境腐蝕性。氫氣壓力容器安全管理包括指標有安全管理制度、安全管理措施、安全管理配套。氫氣壓力容器監測管理包括人員培訓、人員作業、監測技術先進性、檢測技術有效性。氫氣壓力容器缺陷包括壓力容器斷裂缺陷、壓力容器疲勞缺陷。氫氣壓力容器材質包括材料加工性能、材料設計合理、材料質量。圖1 為氫氣壓力容器安全評價體系。

圖1 氫氣壓力容器安全評價體系

2 模糊綜合評價法

2.1 層次分析法

氫氣壓力容器安全評價指標具有層次結構，采用層次分析法進行相應指標權重計算。層次分析法計算步驟：（1）構建判斷矩陣；（2）對構建判斷矩陣進行一致性檢驗；（3）計算權重并排序。

（1）構建判斷矩陣。常見構建判斷矩陣方法是采用1 ～9 標度法和三角法進行比較，其中1 ～9 標度法因操作簡單易實現被廣泛應用到判斷矩陣構建中，本文采用1 ～9 標度法進行判斷矩陣構建。表1 為1 ～9 標度法詳細說明。

表1 1 ～9 標度法詳細說明

（2）判斷矩陣一致性檢驗。計算方法為：

式中：λ表示構建判斷矩陣最大特征根，n 表示構建判斷矩陣階數；RIn表示常數與n 之間滿足：RI1=0.00，RI2=0.00，RI3=0.58，RI4=0.90, RI5=1.12，RI6=1.24，RI7=1.32，RI8=1.41，RI9=1.45, RI10=1.49。當CI ＜0.1 說明構建判斷矩陣滿足要求，否則重新調整判斷矩陣。

（3）計算權重并排序。在判斷矩陣一致性檢驗中得到權重并將其按照從大到小排序。

2.2 模糊綜合評價模型

采用模糊綜合評價法對氫氣壓力容器安全評價。按照模糊綜合評價流程進行評價。

（1）構建指標體系，根據構建的氫氣壓力容器安全評價指標體系可知共有一級指標5 個，可用符號K={k1,k2,k3,k4,k5}表示，每個一級指標中都有相應的二級指標，可用符號kij表示，i 表示第i 個一級指標，j 表示第i 個一級指標中包括二級指標j 個。

（2）評語集構建。為評價氫氣壓力容器安全等級按照極高風險、高風險、較高風險、一般風險、低風險劃分。對應數值為：極高風險、高風險、較高風險、一般風險、低 風 險={0.80-1.00,0.60-0.8 0,0.4 0-0.6 0,0.2 0-0.40,0.00-0.20}。

（3）隸屬度矩陣。聘請專家20 人對氫氣壓力容器安全評價。得到隸屬度矩陣：

式中：Rkn表示因素氫氣壓力容器安全評價總共因素，rkn表示第k 個因素在第m 判斷元素的程度，Eij表示專家對第i 個因素第j 個判斷數值。

以聚苯乙烯泡沫板第1次試驗為例，計算K值.熱流系數f1=0.492 W/K，f2=5.483 W/K，δ=0.045 m，A=3.24 m2，其余參數取值見表1、表3.

對H 指標進行加權平均值，由此得到綜合判斷結果。

3 氫氣壓力容器安全評價權重計算

（1）一級指標判斷矩陣。按照層次分析法得到一級指標判斷矩陣見表2。

表2 一級指標判斷矩陣

按照層次分析法計算步驟得到：特征向量w={0.209,0.193,0.162,0.253,0.183}， 最大 特 征根5.056， 一 致 性 檢 驗 為0.0113 ＜0.1 說 明 構 建判斷矩陣滿足要求。由此得到使用環境、安全管理、監督管理、容器缺陷、容器材質權重分別為：0.209,0.193,0.162,0.253,0.183。

（2）二級指標氫氣壓力容器使用環境判斷矩陣。見表3 所示。

表3 二級指標氫氣壓力容器使用環境判斷矩陣

按照層次分析法計算步驟得到：特征向量w={0.184,0.171,0.420,0.225},最大特征根4.283，一致性檢驗0.084 ＜0.1，說明構建判斷矩陣滿足要求。由此得到環境溫度、環境濕度、環境壓力、環境腐蝕性權重分別為：0.184,0.171,0.420,0.225。

由于篇幅有限，其余指標權重計算不再列舉。表4為氫氣壓力容器安全評價復合權重。

表4 氫氣壓力容器安全評價復合權重

表4 中復合權重計算為：一級指標權重與二級指標權重乘積。

4 氫氣壓力容器安全評價風險模糊綜合分析

為評價氫氣壓力容器安全風險等級，聘請專家20 名進行風險打分，得到表5 所示二級指標隸屬度。

表5 氫氣壓力容器安全評價風險二級指標隸屬度

以氫氣壓力容器使用環境為例，得到綜合評價結果為：H={0.79732,0.72082,0.78674,0.73335,0.75991,0.759628}，評價結果分值為：0.76。

其余指標計算不再列舉，得到：

氫氣壓力容器安全管理分值為：0.58。

氫氣壓力容器監測管理分值為：0.48。

氫氣壓力容器缺陷分值為：0.89。

氫氣壓力容器材質分值為：0.79。

由此得到氫氣壓力容器安全評價風險總分值為0.74。從二級指標中可見，氫氣壓力容器缺陷屬于極高風險，氫氣壓力容器安全管理屬于較高風險，氫氣壓力容器監測管理屬于較高風險，氫氣壓力容器材質屬于高風險。

5 結語

采用層次分析法與模糊綜合評價法研究了氫氣壓力容器安全評價風險等級。結果表明，氫氣壓力容器安全評價風險總分值為0.74 屬于高風險。其中氫氣壓力容器缺陷屬于極高風險。建議在氫氣壓力容器管理中加強壓力容器缺陷監管。