海洋平台压力容器风险模糊综合评价研究

姜　峰,曹　康,郑运虎(兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州　730050)

海洋平台压力容器风险模糊综合评价研究

姜峰,曹康,郑运虎
(兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州730050)

由于引起海洋平台压力容器失效的因素众多且具有模糊不确定性和多层次性,故提出运用多层次模糊综合评价法对平台容器风险进行评估.首先综述了多层次模糊综合评价理论方法,其次以某海洋平台为例,建立了海洋平台压力容器风险评价指标体系,然后采用层次分析法和专家打分法确定了风险因素权重和隶属度,最后运用二级模糊综合评价模型对此平台上的压力容器风险进行评估,确定了其风险等级为较安全,验证了该方法的可行性.

海洋平台压力容器;模糊综合评价法;层次分析法;风险评估

引用格式:Jiang Feng,Cao Kang,Zheng Yunhu．Research on Fuzzy Comprehensive Evaluation of Pressure ConG tainer in the Offshore Platform[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):83G87．[姜峰,曹康,郑运虎．海洋平台压力容器风险模糊综合评价研究[J]．甘肃科学学报,2016,28(2):83G87．]

压力容器在海洋油气集输工业中作为过程处理设备和油气及其附属产品的储存设备而被广泛应用,如各种换热器、塔器、锅炉设备和储罐等[1].由于油气集输系统自身的危险性,加之海洋平台空间狭小,压力容器分布密集,任一环节出现问题都可能会造成重大人员伤亡、经济损失和海洋环境污染事故发生.国内外学者针对普通陆用压力容器事故原因进行了广泛地研究,并提出了相应的防护措施,但是对于海洋平台这一特殊环境下的压力容器研究相对较少.为确保海洋平台,尤其是一些老龄平台的可靠运行,对压力容器的风险评估显得较为重要.考虑到引起海洋平台压力容器失效的因素众多且具有模糊不确定性和多层次性的特点,运用模糊数学理论建立海洋平台压力容器安全评价模型,确定各指标的权重,应用模糊综合评价法对海洋平台压力容器进行风险评估,对于平台容器的安全管理工作具有实际的指导意义.

1　多层次模糊综合评价理论

模糊综合评价是在模糊环境下,考虑多个因素的影响,利用模糊线性变换原理和最大隶属度原则对某一事物作出综合决策的方法[2].在解决实际问题时往往考虑的评价指标较多,各评价指标之间还有不同的类型和层次,需要建立多层次模糊评价模型,具体分为以下几个步骤[3G9].

1．1建立评价指标体系

设评价指标集为U.第一层为准则层,指标集为U＝{u1,u2,ƻ,us};第二层为子准则层,指标集为U＝{ui1,ui2,ƻ,uim},i＝1,2,ƻ,s.以此类推,问题越复杂,指标层次数越多.

1．2建立评价集

设评价集为V＝{v1,v2,ƻ,vn},其中v1,v2, ƻ,vn表示评价等级.

1．3确定因素权重集

权重集是因素ui(i＝1,2,ƻ,s)在总评价中影响程度大小的度量所组成的集合.设权重集为A＝{a1,a2,ƻ,an},满足

在模糊综合评判中,因素权重集的确定是否恰当直接影响综合评价的结果.为了减少主观因素的影响,采用层次分析法确定因素权重.

层次分析法(AHP,analytic hierarchy process)是一种定量和定性相结合的决策方法,它把复杂的问题分解成各个组成因素,通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对重要性,然后综合判断决定诸因素相对重要性的总顺序.首先确定因素之间的相对重要性,形成判断矩阵;然后通过计算判断矩阵的特征值和特征向量求得权重,通过一致性检验后,再进行统计计算.

1．4建立单因素评价矩阵

对单因素ui(i＝1,2,ƻ,s)作单因素评价,从因素ui确定该事物对评语vj(j＝1,2,ƻ,n)的隶属度rij,从而得到单因素评价矩阵为

它是评语集V上的模糊子集,即给出一个模糊值映射为

其中:f(ui)＝ri＝(ri1,ri2,ƻ,rin)为关于因素ui的评语模糊向量;rij为关于因素ui具有评语vj的程度.

1．5模糊综合评价

(1)一级综合评价设ui中各因素对V的权重分配为Ai＝{ai1,ai2,ƻ,aim},Ri为单因素评价矩阵,则可以得到一级评判向量

(2)多级综合评价将每一个ui看作一个因素,记K＝{u1,u2,ƻ,us},这样K又构成一个因素集,其单因素评判矩阵由一级评判向量组成,即

每个ui作为U的一部分,反映着U的某种属性,设它们的权重分配为

于是得到二级评判向量二级综合评判过程如图1所示.

如果子因素集Ui仍然含有较多的因素,可将Ui再划分,于是有三级或更多级模型.

一般根据最大隶属度原则,选择模糊综合评价集B＝(b1,b2,ƻ,bm)中最大的bj对应的等级vj作为综合评判结果.

图1　二级模糊综合评价过程Fig．1　Process of second level fuzzycomprehensive evaluation

2　多层次模糊综合评价法应用实例

以渤海某导管架海洋平台群上的所有压力容器为例,运用多层次模糊综合评价法进行风险评估.平台于1998年建成投产,设计服役年限30年,由A区和B区两组平台组成,在A区建有采油生产平台和生活公用平台各一座,B区建有采油生产平台、生活公用平台和原油储罐平台共三座.全面调查分析了平台上所有分离器、脱水器、换热器、锅炉、储罐等压力容器的工况,采用AHP确定各因素权重,专家打分法确定隶属度,运用二级模糊综合评判模型对此海洋平台上的压力容器风险进行评估.

2．1建立海洋平台压力容器风险评价指标体系

通过对国内外海洋平台压力容器事故资料的统计分析并结合众多学者的研究[10G17],发现腐蚀、设计因素、环境载荷、误操作和外部破坏是引起海洋平台压力容器失效的主要诱因,由它们导致的事故占95%以上.鉴于此,研究将这五大类作为评价模型的一级指标,并选取其中23个主要风险因素作为二级指标,其评价指标体系如图2所示.

2．2建立评价集

安全状况评价指标即评价集分为五级,V＝{安全,较安全,一般,较危险,危险}.

2．3确定因素权重集

运用AHP确定了海洋平台压力容器风险因素权重.

首先采用“1~9标度法”表示因素间的相对重要程度,构造判断矩阵.标度及含义如表1所列.

图2　海洋平台压力容器风险评价指标体系Fig．2　Risk evaluation index system of pressure container in offshore platform

表1　“1~9标度法”标度及含义Table 1　Scale and meaning of“1~9 scale law”

然后计算n阶判断矩阵的最大特征值λmax和特征向量w＝(w1,w2,ƻ,wn),并判断随机一致性指标C．R.其中:

一致性指标R．I可通过查表得到[7].

当C．R＜0．1时,认为判断矩阵一致性良好,说明权重分配合理,用最大特征值λmax对应的特征向量w＝(w1,w2,ƻ,wn)作为权重向量A＝(a1,a2, ƻ,as);否则需要调整判断矩阵,直到具有良好的一致性为止.

以腐蚀U1、设计因素U2、环境载荷U3、误操作U4和外部破坏U5为例,计算它们的权重.首先根据现场资料和专家意见构造两两因素判断矩阵如下:

再计算出最大特征值λmax＝5．078 2,对应的特征向量w＝(0．22,0．12,0．20,0．36,0．10),其随机一致性比率C．R＝0．017 5＜0．1,说明判断矩阵一致性良好.采用同样的方法计算其余各因素权重向量并判断一致性,结果如表2所列.

表2　权重向量与一致性验证Table 2　Weight vector and consistency verification

2．4建立单因素评价矩阵

组织20位经验丰富的行业专家和现场工程技术人员对23个单因素按照标准进行打分.例如,对于单因素“内腐蚀U11”,20位专家中有6位,即30%认为安全;有8位,即40%认为较安全;有3位,即15%认为一般;有2位,即10%认为较危险;有一位,即5%认为危险.则单因素“内腐蚀U11”的隶属度为(0．30,0．40,0．15,0．10,0．05).所有评价结果见表3.

根据表3建立单因素评价矩阵:

2．5进行模糊综合评价

(1)一级综合评价计算一级评价结果

(2)二级综合评价计算二级评价结果B＝W×R

＝(0．264 9,0．393 5,0．223 7,0．097 9,0．018 4),根据最大隶属度原则有bmax＝0．393 5,属于v2级,则该海洋平台压力容器安全状况为较安全,与现场专家判断结果一致.

3　结论

引起海洋平台压力容器失效的因素众多且具有模糊性和层次性,传统的安全评价方法很难做到准确评估.多层次模糊综合评价法用模糊语言描述引起平台容器失效因素的特性,采用AHP和专家打分法确定风险因素权重和隶属度,并运用多级综合评价模型对压力容器风险进行评估,使得安全评价达到主观与客观上相对统一.这一方法计算模型简单易懂,结果符合工程实际,可为海洋平台压力容器风险管理工作提供参考.

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Research on Fuzzy Comprehensive Evaluation of
Pressure Container in the Offshore Platform

Jiang Feng,Cao Kang,Zheng Yunhu
(College of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

As the elements which cause the failure of pressure container in offshore platform is fuzzy,unG certain and multilayer,the platform container risk is evaluated by the method of multilayer fuzzy compreG hensive evaluation．First,this article summarizes the theoretical method of multilayer fuzzy comprehensive evaluation．Second,taking one offshore platform as example,the risk element weight and risk membership grade are determined by building the risk evaluation index system of pressure container in offshore platG form,and taking methods of AHPand expert scoring．Last,the pressure container of this offshore platform is evaluated by adopting second level fuzzy comprehensive evaluation model,which determines that the risk grade is safer,and verifies the feasibility of this method．

Pressure container in offshore platform;Fuzzy comprehensive evaluation method;Multilayer analytical method;Risk evaluation

TQ050．7

A

1004G0366(2016)02G0083G05

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．018．

2015G01G27;

2015G05G18．

国家质检公益项目“基于风险管理的油气集输压力容器安全评定关键技术研究”(201310152)．

姜峰(1969G),女,湖南宁乡人,教授,硕士生导师,研究方向为承压设备等．EGmail:921238461＠qq．com．