基于AHP-模糊綜合評價的蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險評估方法及應(yīng)用

顧志恩 賀 軾 姜海一 劉娟波 高立敏

（1.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司 寧波 315200）

（2.國家市場監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心（煉油與化工裝備風(fēng)險防控），中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（3.杭州培慕科技有限公司 杭州 310000）

在石油化工和熱力發(fā)電行業(yè)中，通常將蒸汽以管網(wǎng)形式輸送給工業(yè)園區(qū)和城鎮(zhèn)居民供熱，這是實現(xiàn)能源利用率最大化的重要方式[1-2]。蒸汽管網(wǎng)在高溫、較大壓力下運行，一般穿過城市主干道和人流密集區(qū)，一旦發(fā)生事故，將對企業(yè)生產(chǎn)運行、周邊居民和相關(guān)道路設(shè)施產(chǎn)生重大影響。對供熱蒸汽管網(wǎng)進行風(fēng)險評估，明確各管道的風(fēng)險水平，對其長周期安全運行和高效管理具有重要意義。

國內(nèi)當(dāng)前沒有針對供熱蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險評估的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。可供參考的是GB/T 26610系列標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實施導(dǎo)則》，該標(biāo)準(zhǔn)針對石油化工裝置的承壓設(shè)備（包括管道），GB/T 26610.4—2022《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實施導(dǎo)則 第4部分：失效可能性定量分析方法》[5]規(guī)定失效可能性評估方法，GB/T 26610.5—2022《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實施導(dǎo)則 第5部分：失效后果定量分析方法》[6]規(guī)定失效后果評估方法。該方法在風(fēng)險評估計算中核心考慮設(shè)備腐蝕減薄、應(yīng)力腐蝕開裂和泄漏燃燒爆炸等因素。而蒸汽介質(zhì)純凈，腐蝕減薄、應(yīng)力腐蝕開裂和泄漏燃燒爆炸的影響較小，對其失效影響較大的是運行過程中的水擊破壞、道路邊車流撞擊破壞、管道并行布置、沉井積水和泄漏疏水等潛在風(fēng)險類型。

上述潛在風(fēng)險類型對失效可能性多個因素都有影響，具體影響程度難以定量評價。對此類問題，層次分析-模糊綜合評價是一種有效的解決方法[7-8]。模糊綜合評價采用模糊數(shù)學(xué)理論，對受到多種因素制約的對象進行總體評價，能較好地解決模糊、難以量化的問題。在模糊綜合評價方法中，將與綜合評價相關(guān)問題分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，采用層次分析法（AHP）確立權(quán)重來量化每個因素對結(jié)果的影響程度，具有結(jié)果客觀且明晰的優(yōu)點[9]。考慮到蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險評估中各因素之間的層次性、關(guān)聯(lián)性，本文基于層次分析-模糊綜合評價確定潛在風(fēng)險類型對失效可能性的影響，進而修訂GB/T 26610.4—2022中失效可能性的計算方法，以提高對蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險評估的適用性和準(zhǔn)確性。

1 潛在風(fēng)險類型分析

蒸汽管網(wǎng)運行溫度和壓力一般為150～300 ℃、0.5～4 MPa，介質(zhì)為蒸汽，材質(zhì)一般選用碳鋼。蒸汽管網(wǎng)運行過程中潛在風(fēng)險類型主要有沖刷腐蝕泄漏、水擊破壞、車流撞擊破壞、管道并行布置、沉井積水、泄漏疏水、定期檢驗情況等[10-11]，這些潛在風(fēng)險類型對失效可能性有較大影響，其中沖刷腐蝕的影響已在前述標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26610.4—2022中予以考慮。

腐蝕失效分為內(nèi)部腐蝕和外部腐蝕，由于蒸汽管網(wǎng)介質(zhì)為蒸汽，腐蝕一般較弱，外部腐蝕主要是架空管道保溫層破損脫落導(dǎo)致的大氣腐蝕，埋地管道的土壤微生物腐蝕；內(nèi)部腐蝕主要是蒸汽介質(zhì)不純凈時，混有CO2、硫化物等酸性氣體導(dǎo)致。蒸汽管道中形成的冷凝水會對內(nèi)壁產(chǎn)生沖刷腐蝕，尤其在彎頭、三通和變徑處可能導(dǎo)致嚴(yán)重的沖刷腐蝕減薄，造成管道的泄漏。水擊破壞是由于輸送距離過長或保溫效果較差導(dǎo)致蒸汽冷凝，疏水系統(tǒng)沒有及時將冷凝水排出，冷凝水在管內(nèi)不斷聚集而水位升高，出現(xiàn)水堵的段塞流狀態(tài)，產(chǎn)生壓差波動而劇烈振動，造成管道、閥門、彎管及補償器等關(guān)鍵部件氣蝕和開裂。撞擊破壞方面，蒸汽管網(wǎng)一般會穿越城鎮(zhèn)道路、化工園區(qū)等，周邊通常有大量車流，尤其是化工園區(qū)的危化品車，可能對管道撞擊并導(dǎo)致嚴(yán)重變形。并行布置方面，在化工園區(qū)中，蒸汽管網(wǎng)與易燃易爆、有毒有害的化工管廊并行布置，并行布置的管道一旦出現(xiàn)異常，將對蒸汽管網(wǎng)造成重大影響。泄漏疏水方面，疏水位置處產(chǎn)生高溫高壓環(huán)境，一旦有人員在不知情的情況下進入該區(qū)域?qū)l(fā)生燙傷。沉井積水方面，沉井布置的管道在積水后埋地管道保溫夾層進水，管道失溫而形成管內(nèi)冷凝水，會降低傳熱效率并加速腐蝕。定期檢驗情況方面，按照《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》，高溫蒸汽管道作為特種設(shè)備應(yīng)該進行定期檢驗，但由于供熱端的保供壓力，一些蒸汽管網(wǎng)不能及時停車檢驗，因未得到及時檢修而存在的風(fēng)險。

2 蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險評估方法

GB/T 26610.4—2022[5]中對失效可能性按照式（1）計算。

式中：

F——失效可能性；

FG——同類設(shè)備平均失效概率；

FE——設(shè)備修正系數(shù)；

FM——管理系統(tǒng)評價系數(shù)；

FL——超標(biāo)缺陷影響系數(shù)。

本文中考慮蒸汽管網(wǎng)潛在風(fēng)險類型的影響，在失效可能性計算中耦合潛在風(fēng)險類型影響因子FP，對失效可能性采用式（2）計算。

FP數(shù)值采用層次分析-模糊綜合評價法確定[9，12]，圖1是FP確定的流程圖，相關(guān)步驟說明如下。

圖1 層次分析-模糊綜合評價確定潛在風(fēng)險類型影響因子FP的流程圖

1）收集蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險評估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。主要包括設(shè)計建造、材質(zhì)介質(zhì)、工藝參數(shù)、運行維護、檢驗歷史等數(shù)據(jù)。

2）確定評價因素集合X和評價目標(biāo)集合Y。其中X為各潛在風(fēng)險類型的集合，X={水擊破壞，車流撞擊破壞，管道并行布置，沉井積水，泄漏疏水，定期檢驗}，評價目標(biāo)集合Y為潛在風(fēng)險類型對失效可能性的影響程度，Y={影響小，影響中等，影響較大，影響大}。

3）采用層次分析法確定各因素對評價結(jié)果影響的權(quán)重。首先構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型以及指標(biāo)層各特征參數(shù)對應(yīng)的區(qū)間邊界。準(zhǔn)則層為影響因素X，目標(biāo)層為目標(biāo)集合Y。區(qū)間層的邊界值可以按照企業(yè)實際情況確定，本文中參照所調(diào)研企業(yè)的情況確定的數(shù)值見表1。

表1 各潛在風(fēng)險類型特征參數(shù)及對應(yīng)的邊界區(qū)間

進一步構(gòu)建判斷比較矩陣A，aij為矩陣A的元素，表示第i個潛在風(fēng)險類型相對于第j個潛在風(fēng)險類型的重要程度。關(guān)于aij數(shù)值的確定，在層次分析法中一般通過比較各因素之間的重要程度來確定，具有很強的主觀性[13]。本文中比較矩陣元素aij的確定，以各潛在風(fēng)險類型特征參數(shù)的具體數(shù)值結(jié)合表1中的區(qū)間等級，采用如下準(zhǔn)則確定：區(qū)間等級相同的aij數(shù)值為1，相差一個區(qū)間等級的aij數(shù)值為3或1/3，相差2個區(qū)間等級的aij數(shù)值為5或1/5，相差3個區(qū)間等級的aij數(shù)值為7或1/7。具體確定準(zhǔn)則見表2。

表2 比較判斷矩陣中各元素數(shù)值的確定準(zhǔn)則

4）對構(gòu)建的比較矩陣進行一致性檢驗[12]。如果計算的一致性比例小于0.1，則通過一致性檢驗，否則需要重新構(gòu)造比較矩陣。對一致性檢驗通過的比較矩陣，其最大特征值對應(yīng)的歸一化向量C，即為各潛在風(fēng)險類型對失效可能性影響程度的權(quán)重。

5）確定模糊綜合評判矩陣R。關(guān)于綜合評判矩陣對應(yīng)隸屬函數(shù)的確定，考慮到各潛在風(fēng)險類型特征參數(shù)與影響程度之間呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系，從而采用如下偏大型或偏小型半梯形分布隸屬函數(shù)[14-15]。其中對特征參數(shù)數(shù)值越大、失效可能性影響越大的采用偏大型半梯形分布隸屬函數(shù)，見式（3）。

而對特征參數(shù)數(shù)值越大、失效可能性影響越小的采用偏小型半梯形分布隸屬函數(shù)，見式（4）。

式中：

ri1，ri2，ri3，ri4—— 評價因素集合X對評價目標(biāo)集合Y的隸屬度；

x—— 各潛在風(fēng)險類型特征參數(shù)數(shù)值；

a，b，c—— 表1中各參數(shù)的邊界值。

其中對水擊破壞，由于難以提取特定的特征參數(shù)，研究結(jié)果表明，水擊失效的影響程度與氣液兩相的流型密切相關(guān)[10]。流型為單相流時，隸屬函數(shù)值為0；流型為分散流或過渡流時，隸屬函數(shù)值為0.5；流型為段塞流時，隸屬函數(shù)值為1。

6）進行模糊綜合評判。進一步地對各潛在風(fēng)險類型進行模糊綜合評判，見式（5）。

式中：

CT——各因素影響權(quán)重的行向量；

R——模糊關(guān)系矩陣；

“。”——模糊關(guān)系算子。

“。”的運算規(guī)則見式（6）：

式中：

dij——模糊綜合評判矩陣的元素；

cij——權(quán)重向量的元素；

rij——模糊關(guān)系矩陣的元素；

∨——取大運算符；

∧——取小運算符。

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)最大隸屬原則，最終確定各潛在風(fēng)險類型對失效可能性的綜合影響程度。

7）確定潛在風(fēng)險類型影響因子FP。考慮到GB/T 26610.4—2022中對失效可能性的分級，相鄰等級之間差1個數(shù)量級。因此對上述模糊綜合評判的結(jié)果，在不同的影響程度之間也相差1個數(shù)量級。根據(jù)模糊綜合評判確定的潛在風(fēng)險類型對失效可能性的影響程度，F(xiàn)P的數(shù)值見表3。FP確定后，即按照式（2）計算失效可能性的大小。再以GB/T 26610.5—2022的方法計算失效后果，最終確定蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險大小和風(fēng)險等級。

表3 潛在風(fēng)險類型影響程度與潛在風(fēng)險類型影響因子FP的關(guān)系

3 方法的應(yīng)用及結(jié)果分析

現(xiàn)以3個設(shè)備為例說明上述潛在風(fēng)險類型影響因子的計算過程，然后對某熱力發(fā)電企業(yè)蒸汽管網(wǎng)進行風(fēng)險評估的應(yīng)用。表4是上述3個設(shè)備的潛在風(fēng)險類型特征參數(shù)數(shù)值以及按照表1確定的區(qū)間等級。

表4 各設(shè)備潛在損傷類型特征參數(shù)值以及對應(yīng)的區(qū)間等級

對表4中的3個設(shè)備的數(shù)據(jù)，按照表2中比較矩陣元素的確定方法，形成的比較矩陣見式（7）。

求取上述矩陣的特征值，并進行一致性檢驗，結(jié)果見表5。根據(jù)層次分析法，均通過一致性檢驗[12]。

計算上述3個比較矩陣最大特征根對應(yīng)的歸一化向量C1、C2和C3見式（8）。

按照式（3）和式（4）的隸屬函數(shù)計算的模糊關(guān)系矩陣R1、R2和R3見式（9）。

對3個設(shè)備進行模糊綜合評判的結(jié)果分別見式（10）～式（12）。

按照模糊數(shù)學(xué)最大隸屬原則，可知3個設(shè)備潛在風(fēng)險類型對失效可能性的影響程度分別為：影響大、影響較大和影響中等。因此，按照表3確定的潛在風(fēng)險類型影響因子Fp數(shù)值分別為1 000、100和10。

某熱力發(fā)電企業(yè)蒸汽管網(wǎng)共由45條管線構(gòu)成，總長度為97 km，采用GB/T 26610中方法以及本文提出的方法，對該蒸汽管網(wǎng)進行風(fēng)險評估，結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2 采用GB/T 26610方法對某企業(yè)蒸汽管網(wǎng)的風(fēng)險評估結(jié)果

圖3 采用本文提出的方法對某企業(yè)蒸汽管網(wǎng)的風(fēng)險評估結(jié)果

結(jié)果顯示，采用GB/T 26610方法評估的所有蒸汽管網(wǎng)失效可能性等級都為1級，全部為低風(fēng)險或中風(fēng)險，其中18條管道風(fēng)險評估結(jié)果為低風(fēng)險，27條為中風(fēng)險。相應(yīng)地，采用本文提出的方法對該企業(yè)蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險評估的結(jié)果中，17條是低風(fēng)險，23條是中風(fēng)險，新出現(xiàn)了5條中高風(fēng)險管道。這5條管道由于撞擊破壞、沉井積水和并行布置等潛在風(fēng)險因素的影響，其失效可能性由修正前對應(yīng)的1級（沒有考慮潛在風(fēng)險類型的影響）升高到了修正后的3級或者4級，從而變?yōu)橹懈唢L(fēng)險管道。對此，與風(fēng)險評估的企業(yè)溝通確認(rèn)，本文提出的方法對應(yīng)的評估結(jié)果更好地反映了蒸汽管網(wǎng)本身的特點，風(fēng)險評估結(jié)果與實際更吻合。

4 結(jié)論

本文提出一種基于層次分析-模糊綜合評價的風(fēng)險評估方法，修正當(dāng)前GB/T 26610.4—2022中失效可能性評估方法，以適用蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險評估。其中層次分析法中比較矩陣元素按照潛在損傷類型特征參數(shù)對應(yīng)的區(qū)間確定，避免了傳統(tǒng)層次分析法中比較矩陣元素確定時的主觀隨機性。對某企業(yè)蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險評估結(jié)果表明，修正前的方法計算結(jié)果更保守，風(fēng)險結(jié)果等級更低。本文提出的方法對應(yīng)的評估結(jié)果更好地反映了蒸汽管網(wǎng)本身的特點，風(fēng)險評估結(jié)果與實際更吻合，提高了供熱蒸汽管網(wǎng)風(fēng)險評估的準(zhǔn)確度與管理效率。