基于模糊综合评价法的大型原油储罐安全状况评估研究
2015-05-30闫东东
闫东东
摘 要：随着我国原油储备基地的建设，原油储罐呈大型化、集中化的发展趋势，这不仅关系到我国的经济发展，还影响着国家的安全。在这种情况下对大型原油储罐的安全平稳运行工作提出了更高的要求，需要建立以风险管理为核心的完整性管理模式，才能更有效的避免或减少事故的发生，将风险控制在人们可接受的范围内，将模糊数学法和评分法相结合应用到原油储罐风险评价中。运用模糊综合评价法得到原油储罐失效的危险等级。对以后制定相应的风险管理措施提供了依据，结合先进的检测、监测技术以更好的完成决策响应部分。从而可以预防危险因素的发生，保证储罐能够在日常生产中安全平稳的运行，提高实际的风险预测能力。
关键词：完整性管理;风险评价;故障树;模糊综合评价;层次分析法
1 概述
石油和石油化工产品是我国重要的战略能源，不仅影响着国家的经济发展，而且还关系到国家的公共安全[1]。储罐在石油、化工、国防以及交通运输等领域应用比较广泛，是储备原料油、成品油、液体化工原料及其产品的专用设备[2]。
目前，我国有各种类型的储罐数十万台，还有数个大型战略储油罐群正在建设中，因此它的安全性和经济性越来越受到国家和企业的关注[1]。大型储罐一般指公称体积不小于200m3的储罐，我国在用的大型储罐单体最大体积已达15万m3，世界上最大的储罐体积已达到24万m3，如今10万m3的储罐已屡见不鲜[3-4]。随着我国石油储备战略基地的建设，大型储罐潜在的危险越来越多、越来越严重，使得安全、环保和长周期运行的可能性随之减小，这种情况下便对大型储罐的运行和安全管理工作提出了更高的要求[6]。
最初，大型储罐的管理模式是基于事故的管理模式，之后是周期性的维修管理模式，目前逐步发展为适用性强的完整性管理模式，即借助信息技术、集储罐群数据集成技术、检测技术、风险评估技术和维护检修技术为一体的更高层次的储罐管理系统。如何采取有效措施避免和减少大型储罐事故的发生，变预防性周期检修模式为以风险管理为核心的完整性管理模式，是管理者所面临的重大课题[4]。目前对储罐的检测，只有在储罐退出使用时才能进行，因此严重影响了储罐的正常运行。要解决储罐的安全性问题，就要加强以预防和检测为基础的储罐完整性管理[7]。从长远的经济效益和环境保护来看，为确保储罐的安全运行，实现检维修周期的优化及延寿，迫切需要一种既保证安全又经济方便的科学有序的管理模式来规范储罐的运营，在建立储罐完整性管理体系的基础上，根据各种检测结果，对储罐的风险等级进行评价，做出科学的维修决策，对石油化工行业的发展具有重大的意義[1，5]。
2 模糊综合评价法的安全状况评估管理研究
2.1 模糊综合评价法概述
模糊综合评价法是一种基于模糊数学模型的综合评价方法。1965年，美国伯克利加州大学的自动控制专家L.AZdah教授提出了模糊评价理论。该综合评价法是根据模糊数学的隶属度理论，并把定性评价转化为定量评价，也就是用模糊数学去评价受到多种因素制约的事物或对象。模糊综合评价法的特点是结果清晰、系统性强，并且能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合解决各种非确定性的问题[9]。
在我们的现实生活中，很多客观事物并不是都能被准确形容的，相反有些事物是具有不确定性因素的，而这种不确定性表现在两个方面，一是随机性，事件是否发生是不确定的;二是模糊性，事物本身的状态是不确定的。这种模糊概念或者说模糊现象没有办法划出清晰的界限。比如说一件事情发生的频率“偶尔”、“经常”、“频繁”等，是以一种模糊的形式来表达这件事情发生的次数，这个界限具体是怎么区分的又很难描述。模糊数学的出现是把精确描述延展到模糊领域内，去解决更复杂的问题。模糊数学并不是把我们已知的精确的数学形式变得模糊或模棱两可，而是通过精确的数学去处理那些无法准确地用数学形式表达的模糊事物。可以说，模糊数学是形式化思维和复杂系统之间的一座桥梁，将二者结合，使得经典数学又上升了一个更高的层次[9，10]。
模糊综合评价法在各领域内的应用也是很广泛的，借助数学概念为实际状况中的问题提供一种可用的评价方法。准确的说，模糊综合评价就是以模糊数学为基础，将边界不清、状态模糊的因素进行定量描述，利用多个因素指标对事物的隶属等级状况进行综合性评价[10]。
2.2 模糊综合评价法步骤
模糊综合评价就是利用最大隶属原则和模糊交换原理对评价对象做出评判，需要对各个因素进行全面的考虑，最终对评价对象做出综合评判。对于比较复杂的系统，考虑的因素会比较多，如果各因素之间有层次之分，可采用多层次模糊综合评价法。根据实际情况的需要，本文利用二级模糊综合评价法进行评判，其具体步骤如下[8，9]：
①建立因素集U
将需要评价的系统划分为若干个子系统，有多少个子系统便有多少个因素，则其因素集可表示为：
U={u1，u2，…um}，m为因素个数。
②建立评价集V
根据系统情况，选取若干评语组成集合，则称评价集：
V={V1，V2，…Vn}，n为评语数。
③建立权重分配集
在二级模糊评价中权重分配集包含等级集的权重和因素集的权重。
等级权重系数反应了某因素对系统的影响程度或隶属程度。设某一因素uij对应于j等级权重为aij，则对应因素ui（i=1，2，…，n）的等级权重为：
并且上式满足：＼1-297＼134-2.jpg＼1-297＼134-2.jpg> （2-2）
因素集权重反应了各因素对评价结果的重要性及影响程度。表示为：
并满足：
④一级模糊综合评判
用μijk表示因素uij对于评价集中Vk的隶属度，对于每一因素ui可表示为相应的评判矩阵＼1-297＼134-5.jpg>
其中，gi表示第i因素类中构成因素的个数。评判矩阵＼1-297＼134-5.jpg>可通过模糊统计试验得到，一级模糊综合评判矩阵＼1-297＼134-6.jpg>为：
其中，1-297＼134-6.jpg>为[U×V]的模糊矩阵。
⑤二级模糊综合评判。以一级模糊综合评判为基础，对因素的影响进行二级模糊综合评判，二级模糊综合评判矩阵为：
利用上述方法，可进行多级模糊综合评判。
2.3 隶属函数的选择
在储罐失效风险评价指标体系中，打分法存在人为的主观性，并且有一些指标的测算和测定本身就是一个比较模糊的概念，因此就需要引入模糊数学中的隶属度函数，通过隶属度函数就能得到评判矩阵
2.3.1 常用隶属函数
隶属函数是随着客观事物的不同状态而变化的，要重新建立隶属函数是非常困难的，并且建立的模糊集合的合理性也非常不好把握。为了降低选取隶属函數的难度，前辈们总结和归纳了一些常见模糊现象的通用隶属函数，以这些通用函数为基础对隶属函数进行适当修改以得到适用于模糊集合的隶属函数。常见的模糊分布有[9]：
①正态分布
图2-1 正态分布图
②三角形分布
图2-2 三角形分布图
③梯形分布
图2-3 梯形分布图
④柯西分布
图2-4 柯西分布图
⑤ Γ型分布
图2-5 Γ型分布图
2.3.2 隶属函数的确定
根据上一章对储罐失效的三个因素的风险等级划分，本文将选择五级隶属函数。选择可靠的、准确的、适用的隶属函数是非常重要的，这样才能客观并充分的描述模糊事物。在风险评价中，获得的评价精度越高，需要划分的等级就越多，因此计算量也会随之增加。而五级隶属函数精度较高计算量不是特别复杂，是比较理想的选择[9]。利用之前介绍的常用隶属函数，可在其中选取适合的隶属函数进行计算。
根据参考文献[9]中前辈对大量数据利用Matlab软件进行编程计算，不断的训练学习，最终得到了可靠度较高的隶属函数。在其研究过程中，还得到了常用隶属函数的数据不符合度，结果显示，各隶属函数的数据不符合度差异较大，如表2-1所示[9]。
表2-1 常见隶属函数数据表[9]
[隶属函数＼&数据不符合度＼&等差三角形隶属函数（0.2）
等差三角形隶属函数（0.25）
等差三角形隶属函数（0.3）
等倍三角形隶属函数（2倍）
正态分布隶属函数
Γ型分布隶属函数
柯西分布隶属函数（a=1 c=-2）＼&29.5%
9.34%
2.24%
36.16%
11.9%
29.06%
39.68%＼&]
上表列出了部分常用隶属函数数据不符合度的数值，通过对比分析，等差值为0.3的三角形隶属函数的数据不符合度非常小，只有2.24%，在可接受的范围内。隶属函数的选取是否准确，目前还没有一个特定的方法去进行检验，只能选用近似的隶属函数去描述现实中的客观事物[9]。等差值为0.3的三角形隶属函数的图形如下图所示：
图2-6 因素等级对应各等级的隶属度函数
上图中，横坐标表示的五个等级代表的是评价集V={轻微，较轻微，一般，较严重，严重}，纵坐标表示的是各因素在不同等级的隶属度的值。假设某因素u对评价目标的影响程度为三级，根据上图就可得到该因素对应等级的隶属度：
u：Ⅲ级=0.4/Ⅰ级+0.7/Ⅱ级+1/Ⅲ级+0.7/Ⅳ级+0.4/Ⅴ级
上式即表达因素属于三级时，各个状态的隶属度。同样当因素隶属于其它级别时，各等级的隶属度也可由上图得出。将各个状态的等级表达式按顺序依次排列，就得到了评判矩阵[9]。该隶属函数的等级权重集为：
Ⅰ级={1.0，0.7，0.4，0.1，0.0}
Ⅱ级={0.7，1.0，0.7，0.4，0.1}
Ⅲ级={0.4，0.7，1.0，0.7，0.4}
Ⅳ级={0.1，0.4，0.7，1.0，0.7}
Ⅴ级={0.0，0.1，0.4，0.7，1.0}
由这些权重集即可得到评判矩阵：
归一化后：
2.4 基于大型原油储罐失效安全状况评估
根据模糊综合评判方法的步骤，即可求得大型原油储罐失效的可能性大小，亦就是其危险程度。
①建立因素集U
根据第三章对储罐失效原因的分析及故障树的建立，将引起储罐失效的基本事件分为三类u1（腐蚀因素）、u2（外界因素）、u3（材料缺陷）。故U={u1，u2，u3}。
②建立评价集V
V={轻微，较轻微，一般，较严重，严重}分别对应着Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级。
③建立权重分配集
假设u1为Ⅲ级，u2为Ⅱ级，u3为Ⅳ级。即可得到不同因素对应的不同等级状态下的等级集权重。
对各指标的因素权重的计算，可得到三大类因素集的权重系数。
④一级模糊综合评判
由选定的隶属函数即可得到评判矩阵
因为u1为Ⅲ级，所以其等级集的权重系数
则u1的一级模糊综合评判矩阵
同理可以得到u2、u3的一级模糊综合评判矩阵：
⑤二级模糊综合评判
二级模糊综合评判矩阵
通过隶属函数的最大隶属原则可知数值0.2454最大，故该假设状况的综合等级判定为Ⅲ级，大型原油储罐在该状况下的危险程度为一般，亦就是其发生的可能性大小为中等。
利用模糊综合评判法，判断因素的风险等级得到各因素的等级集权重，采用模糊层次分析法得到各因素集权重，通过矩阵的运算，最终求得大型原油储罐在某状况下的危险等级。不同状况下的各因素的风险等级不同，可通过第四章中建立的评分表进行打分，得出各因素的危险等级。综合分析各个因素的危险程度从而得到储罐失效的风险等级。根据评价结果，对储罐发生的危险有了进一步的了解，从而可以预防危险因素的发生，再对储罐失效可能发生的危险制定相应的应急预案和事故处理措施，保证储罐能够在日常生产中安全平稳运行。
3 结论
原油属于易燃、易挥发的油品，随着我国原油储罐数量的大幅增长，一旦发生事故，后果将非常严重，因此其属于重大危险源。本文在前辈们研究的基础上，对大型原油储罐的风险进行了评价，对薄弱环节进行了判定，为大型原油储罐的运行以及科学的管理提供了依据。对储罐危险等级的判定，可辨识出失效可能性大的原油储罐，进行进一步的检测和监测，重点预防和维护，将其危险性降到最低，节省了人力、物力、财力。通过分析，可以得到如下结论：
①对储罐完整性管理进行了详细的分析与总结，借鉴相关理论，明确了储罐完整性管理每一个环节的内容及具体作用，对建立一个完善的储罐完整性体系有着重要的作用，在更深层次上可以保证大型原油储罐的本体安全，并且平稳的运行。
②对大型原油储罐进行危险源辨识，从储罐开裂、储罐失稳和腐蚀穿孔三个方面分析了大型原油储罐可能存在的风险因素。
③通过选取适合的隶属度函数，利用二阶模糊综合评价法，得到大型原油储罐在某状况下的危险等级。为以后制定相应的风险缓解措施和风险管理措施提供科学依据，提高实际的风险预测能力。
参考文献：
[1]戴光，李伟，王娅莉等.常压立式储罐腐蚀状态检测与评价技术的研究与应用[J].无损检测，2011，33（12）：58-61.
[2]李光海.常压储罐检验检测技术[J].无损检测，2010，32（7）：509-512.
[3]赵彦修，闫河.大型储罐检测标准对比分析[J].油气储运，2010，29（12）：65-68.
[4]王光，李光海，贾国栋.常压储罐群的完整性评价技术[J].压力容器，2009，26（7）：29-32.
[5]石磊，帅健，王晓霖.储罐完整性管理研究.http：//www.docin.com/p-713218029.html，2013.
[6]郭菲菲，王北福，聂立宏，等.基于MATLAB的大型储罐完整性评价系统的开发[J].浙江海洋学院学报（自然科学版），2013，32（3）：276-279.
[7]张静，帅健.储罐的完整性管理[J].油气储运，2010，29（1）：9-11.
[8]《管道完整性管理技術》编委会.管道完整性管理技术[M].北京：石油工业出版社，2011.
[9]石磊明.城市埋地燃气管道风险评价研究[D].北京：北京建筑工程学院，2012.
[10]燕子的博客.模糊综合评价.http：//blog.sina.com.cn/s/blog_51e178
450100jptz.html，2010.
