基于多層次灰色綜合的常壓儲罐RBI評價方法研究

趙俊茹 孟凡想 田峻東 張美玲

（東北石油大學機械科學與工程學院）

近年來隨著石油化工行業的發展，常壓儲罐得到廣泛應用。 由于其儲存介質常具有易燃、易爆、腐蝕性強等特性，一旦泄漏，極易引發安全事故，造成經濟損失、人員傷亡等嚴重后果和重大社會影響［1］。目前，我國石油化工企業對常壓儲罐管理采用的傳統檢測方法存在著少檢易引發安全事故， 過檢造成工作量和成本增加的兩大問題。 因此，對常壓儲罐進行科學評估和有效管理，科學合理地將預防性檢測轉變為預測性檢測尤為重要［2］。

基于風險的檢驗（Risk-Based Inspection，RBI）本質是對危險事件發生的可能性和后果進行分析和排序。 該技術最早應用于歐美發達國家的承壓設備檢驗與維修中，并取得了較好成效［3，4］。國內首批應用至目前廣泛推廣已有20余年，RBI風險評估對企業風險管理、裝置的長周期運行具有促進作用［5～7］。 但對常壓儲罐進行RBI風險評估和失效概率計算時，其破壞系數均按照同一比重，沒有充分考慮儲罐的損傷機理和部位，無法體現不同損傷因子對儲罐風險的影響程度，評價結果不夠準確。 因此，有必要對傳統RBI風險評估方法作適當改進，通過確定各系數在影響儲罐失效中所占的恰當比例，實現各損傷因子的權重根據實際情況動態分配，更真實地反映不同儲罐所具有的風險［8］。

筆者通過將層次分析法與灰色理論相結合計算常壓儲罐失效概率， 不僅降低了AHP主觀性，避免傳統打分造成的風險遮蔽問題，而且通過建立三級評價指標體系，從損傷因子的權重排序中找出影響儲罐失效的主要因素。 最后以某常壓儲罐為例對上述結論進行分析驗證，更加證實了該變權思想可動態調整儲罐損傷因子的權重，有針對性地計算儲罐失效概率結果［9］。

1 常壓儲罐多層次灰色綜合的RBI評價模型研究

多層次灰色綜合評價法是將層次分析法和灰色綜合評價法結合的一種評價方法。 層次分析法是將定量與定性相結合的多目標決策分析方法，主要用于分析和處理系統化、多層次問題；灰色綜合法主要分析和處理涉及縱向序列等問題，充分利用已有的白化信息，減少評判誤差［10］，更好地理解系統內部關系和變化趨勢。 二者結合可以對復雜系統的各個子系統進行分別評價，同時也可以在子系統評價的基礎上對上層系統進行綜合評價。

1.1 層次分析法

1.1.1 建立指標體系

據GB/T 30578—2014 《常壓儲罐基于風險的檢驗及評價》可知，破壞系數是計算儲罐失效概率時起決定性的因素，筆者從此系數入手，根據檢測經驗和數據分析選取7項影響值較大的因子， 建立常壓儲罐的三級評價指標體系模型，如圖1所示。

1.1.2 構建判斷矩陣

根據結構模型，對判斷矩陣采用兩兩比較的方法得出結果， 并采用1～9的數值標度來定義判斷矩陣M，各標度的含義見表1。

表1 判斷矩陣標度定義

矩陣M的計算式為：

1.1.3 一致性檢驗

對判斷矩陣進行一致性檢驗時，常用方法有算數平均法、幾何平均法、特征值法等。 筆者采用特征值法求出判斷矩陣的特征值和特征向量，計算一致性指標CI：

式中 n——判斷矩陣階數；

λmax——最大特征值。

參考表2可得到隨機一致性指標RI。

表2 隨機一致性指標RI

一致性比例CR的計算式為：

當一致性比例CR＜0.10時，認為判斷矩陣符合一致性檢驗，否則應重新評分，對矩陣M進行修正。

1.1.4 特征向量求權重

將權重向量W右乘權重比矩陣A，則有：

其中，λmax存在且唯一，W的分量皆為正分量，將求得的權重向量作歸一化處理。

1.2 多層次灰色綜合評價法

1.2.1 確定評價樣本矩陣及評價灰類

按照專家評分法，依據評分標準來評價指標層的每個指標， 匯總p位專家對不同因素的打分情況，形成評價樣本矩陣D，即：

將評分標準分為“低”、“較低”、“中”、“較高”、“高”5個等級，打分采用9分制，對這5個評價標準分別賦值9、7、5、3、1，具體評分標準參照表3。

表3 評分標準

1.2.2 確定灰類的評價系數

第e個評價灰類的評價系數Xie為：

式中 dik——評價樣本矩陣中的元素；

fe——白化權函數。

1.2.3 確定灰色權向量和權矩陣

灰色權向量計算表達式為：

從而得到灰色評價矩陣R為：

1.2.4 綜合評價

根據以上數據求得灰色綜合評價值B為：

式中 ωM——特征向量即層次權重。

2 常壓儲罐多層次灰色綜合的RBI評價模型的應用

現以某企業的汽油儲罐為例， 已知該汽油儲罐介質為硫化氫（H2S），具有毒性，操作溫度為20 ℃，最低運行溫度為3 ℃，儲罐填充高度為15.47 m，直徑為21.15 m，罐壁設計厚度為140 mm，罐底設計厚度為100 mm，容積為5 000 m3，操作壓力1.96 kPa， 罐體材料為Q235， 設計標準為API 650。 儲罐的建造符合國家相關規范的要求——建造于較平坦處， 儲罐基本數據資料真實明確，檢測方法有效。

將多層次灰色綜合常壓儲罐RBI評價模型應用于此實例，評價該儲罐罐底的風險等級。

2.1 AHP法確定指標權重

找若干名該領域的專家和技術人員組成評價打分小組， 對儲罐破壞系數中準則層的4項因子和指標層的7項因子進行討論打分，根據表1中的評價標準建立判斷矩陣為：

通過MATLAB軟件對一級判斷矩陣進行計算，得出最大特征值和特征向量為λmax=4.1894，x=［0.8586，0.1046，0.2132，0.4543］。

將特征向量進行歸一化處理得出權重向量W=［0.5266 0.0642 0.1307 0.2786］，同理，按以上步驟計算二級判斷矩陣， 并通過一致性檢驗，得到各指標的權重如下：

各要素對破壞系數A的權重排序見表4。

表4 方案層要素對目標層權重排序

2.2 多層次灰色綜合評價法進行評價

確定評價灰類的等級數、灰數及白化權函數。

記灰類為e，根據評價等級可知，評價灰類共5類， 相應的灰數為?=（?1，?2，?3，?4，?5）=（9，7，5，3，1），根據表3賦值，選取幾名經驗豐富的現場技術人員和管理人員的評分，得到D為：

所對應的白化權函數及圖像列于表5。

表5 5種灰類所對應的白化權函數及圖像

由指標層-準則層-目標層依次計算評價結果，Mi（i=1，2，3，4）的評價結果如下：

破壞系數綜合評價結果為：

M=ωR總=（0.3059，0.3736，0.3011，0.0201，0）

常壓儲罐破壞系數的修正系數PE=6.9341，取管理系統評價系數為1.0，同類設備失效概率為4×10-5，則該儲罐底板的失效概率為0.000 277。 該儲罐通過傳統RBI風險評估方法和改進方法得到的分析結果見表6。

表6 傳統RBI評估方法與改進RBI評估方法風險分析結果對比

與該儲罐的漏磁掃描檢測數據對比，該儲罐的底板有腐蝕現象， 且存在腐蝕深度超過20%的地方，有一定的失效風險。改進的RBI評估結果與儲罐的腐蝕損傷真實情況更接近，基于多層次灰色綜合的RBI評估方法與傳統的評估方法相比準確性更高。

3 結論

3.1 根據多層次灰色綜合評價模型，可實現變權的思想，能夠根據儲罐的不同損傷部位和損傷機理，實時動態地調整系數的權重值。

3.2 將層次分析與灰色理論有機結合，運用于儲罐失效概率的計算和風險評價中，不僅可降低單一方法的主觀性，使評價結果更加科學、合理，而且對加強常壓儲罐安全管理、有針對性地解決儲罐安全問題具有重要的現實意義。

3.3 將常壓儲罐多層次灰色綜合模型應用到實際案例中，通過驗證結果表明，基于多層次灰色綜合的RBI評價方法計算失效概率的結果比傳統RBI評估方法更加準確。