基于模糊层次分析法的超期服役压力容器安全评估
2021-11-12李杜伟
李杜伟，胡 栋
(泰安市特种设备检验研究院，山东 泰安 271000)
1 前 言
压力容器是工业生产的重要设备，随着制造业的发展，越来越多压力容器已处于或面临超期服役状态[1]，从设计的角度出发，这类容器的安全性能可能无法得到可靠保障，安全隐患较大，但由于生产工艺、节约资源的需要，无法及时更换。
为保障超期服役压力容器的使用安全，根据《中华人民共和国特种设备安全法》及TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，除应进行检验外，必要时还应进行安全评估[2-3]，但标准、规范并未提供科学的安全评估方法[4]。本文基于模糊层次分析法，确立评价因素并建立评价矩阵，形成较为科学的安全评估模型，为超期服役压力容器安全评估提供参考。
2 模糊层次分析法理论
层次分析法是美国匹兹堡大学运筹学家T.L.Satty提出的一种基于定性和定量结合的多目标决策分析方法[5]，该方法将复杂问题分解为递阶层次，并有效的分析各递阶层次间的非序列关系，具有较高的实用性和简洁性。
相对权重是层次分析过程中的重要参数，对层次分析结果影响较大，为解决权重确定问题，通过将层次分析法与模糊理论融合，提出了模糊层次分析法，模糊层次分析法通常包括以下步骤[6]：
1. 建立层次分析结构模型；
2. 建立单因素评价矩阵；
3. 建立判断矩阵；
4. 权重计算；
5. 一致性检验及调整；
6. 综合评价。
3 超期服役压力容器模糊层次分析评价
3.1 建立层次分析结构模型
根据管理及损伤模式两个维度分析，建立影响超期服役压力容器分级评价的模糊因素集U：
U=[u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8,u9]
其中，u1为安全生产责任制管理情况，u2为设备操作规程管理情况，u3为设备的自检和维护情况，u4为应急措施管理情况，u5为档案管理情况，u6为腐蚀减薄情况，u7为环境开裂情况，u8为材质劣化情况，u9为机械损伤情况。根据评价等级属性，建立评价集V：
V=[V1,V2,V3]
3.2 建立单因素评价矩阵
确定因素集U对评价集V的隶属度值，建立评价向量Hi=[hivj(x)],hivj(x)的取值范围为(0，1)。隶属度函数采用直觉法确定，如式(1)～(3)所示。
(1)
(3)
将因素集中元素对应评价值带入隶属函数，建立评价矩阵H：
(4)
3.3 建立判断矩阵
对因素集中各因素进行比较，建立判断矩阵B：
(5)
3.4 计算权重
根据因素集中各元素的相对重要程度，结合表2的赋值原则确定标度并对判别矩阵进行赋值。
表2 标度及含义
续表2
利用方根法计算判断矩阵B=(bij)9×9的最大特征根λmax，方法如下：
计算判断矩阵各行元素乘积Mi：
(6)
(7)
正规化处理：
(8)
计算最大特征根λmax：
(9)
3.5 一致性检验
一致性检验合格的依据为随机一致性比例CR<0.1，随机一致性比例可由式(10)求得：
CR=CI/RI
(10)
其中CI为一致性指标，RI为平均随机一致性指标，CI可由式(11)求得：
(11)
RI可通过查表3得到。
表3 平均随机一致性指标Table 3 Average random consensus index
3.6 综合评价
综合评价结果可用式(12)求得：
A=W·H
(12)
由于评价结果具有模糊性，采用量化方法对综合评价结果进行处理，得到量化值S：
(13)
(14)
(15)
4 算例分析
为验证模糊层次分析法在超期服役压力容器安全评估中的准确性和实用性，以某化工厂液氨球罐为例进行分析，根据历次检验报告记录的情况，得到单因素评价矩阵为：
判断矩阵B的标度值如表4所示；利用式(6)～式(9)求得各值如表5所示。
表4 标度值Table 4 Scale value
表5 判别矩阵要素值Table 5 Discriminant matrix element value
λmax=9.763
根据表3，9阶矩阵的平均随机一致性指标为：
RI=1.45
CR=CI/RI=0.066<0.1
因此判断矩阵满足一致性要求。
A=W·H=(0.281 0.334 0.386)
根据表1，表明该容器的综合安全评估状况为2级，安全评估状况一般。
表1 超期服役压力容器安全评估分级
5 结 论
1.通过某液氨球罐的算例结果，基于层次分析法的超期服役压力容器安全评估解决了评估权重的
主观性问题，通过对不同层次的加权得到较为可信的超期服役压力容器整体安全评估状况；
2.由于压力容器的介质、使用参数不同，不同类型的标度值应根据实际情况确定；
3.模糊层次分析法在超期服役压力容器安全评估的应用具有可行性，该方法可拓展到其他类特种设备的安全评估中。
