承压设备介质多危害性评价方法

周新杰，王建林，陈艺文，郭永奇，邱科鹏

(北京化工大学 信息科学与技术学院， 北京 100029)

1 引言

承压设备[1]广泛应用于石油化工、生物医药等领域，其承载化学介质(即承压设备介质)具有易燃、易爆、有毒或腐蚀等多种危害性。承压设备介质的危害程度等级能够为介质储运过程中承压设备类别的选择提供依据，减少承压设备事故的发生。与此同时，承压设备介质的危害性分值与权重评价分别反映了各危害性的危害程度及其危害影响作用的大小，两者共同为承压设备介质的危害程度分级提供数据基础。因此，合理有效的承压设备介质危害性评价对保障承压设备的安全可靠运行具有重要意义[2-4]。

承压设备技术规范《固定式压力容器安全技术监察规程》[5]与《移动式压力容器安全技术监察规程》[6]依据GBZ 230—2010《职业性接触毒物危害程度分级》[7]进行承压设备介质的危害性评价，以介质的10类健康危害(急性毒性吸入、急性毒性经口、急性毒性经皮、扩散性、蓄积性、致癌性、生殖毒性、致敏性、刺激与腐蚀性、实际危害与预后)为基础，将健康危害依据危害程度分为轻微、轻度、中度、高度、极度，并利用转换分值法赋予相应分值(0分、1分、2分、3分、4分)；同时直接给出了每类健康危害对应的权重系数。

依据国际《化学品分类及标记全球协调制度GHS》[8]与国标GB 30000.1《化学品分类和标签规范 第1部分：通则》[9]可知，化学介质具有多种类危害性(即多危害性)，包括健康、物理和环境危害。GBZ 230—2010给出了承压设备介质8类健康危害的分值与权重，但未充分考虑介质的物理和环境危害，影响了其在实际使用中的指导性和合理性。与此同时，目前承压设备介质多危害性评价方法的相关研究还存在空缺。因此，综合考虑承压设备介质的健康、物理和环境危害，给出合理的分值与权重评价十分重要。

GBZ 230—2010中仅给出了承压设备介质健康危害的分值评价策略为转换分值法，并未给出介质危害性权重的评价方法，在扩充物理和环境危害的情况下导致介质多危害性权重难以直接获取。现有的权重评价方法包括主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法根据专家对指标重要程度的主观认识按照经验分析直接给出权重系数，层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)[10]是一种定量分析定性问题的主观赋权方法，由于具有简洁明确，高效实用的优点，层次分析法在管理决策、安全评价等领域得到了广泛应用[11-12]。采用层次分析法实现承压设备介质的多危害性权重评价符合社会对各危害性重要程度的认知，但也具有客观数据少、定性分析多的缺点。客观赋权法根据评价指标的差异获取权重系数，熵权法(entropy weight，EW)[13]作为一种常用的客观赋权方法，不受主观决策影响，具有较强的客观性[14-15]。然而，熵权法获得的指标权重可能与指标的重要程度相悖，需要结合实际问题重新评估。因此，利用层次分析法和熵权法将承压设备介质多危害性的主观权重和客观权重结合起来，有助于实现合理的介质多危害性权重评价。

本研究提出了一种承压设备介质多危害性评价方法。该方法依据介质的多危害性数据，利用承压设备介质多危害性分值评价策略获取多危害性分值，基于层次分析和熵权法(analytic hierarchy process-entropy weight，AHP-EW)构建承压设备介质多危害性权重评价策略获取多危害性权重，实现对承压设备介质的多危害性评价。

2 承压设备介质多危害性分值与权重评价

依据GB 30000.1和GBZ 230—2010标准，结合承压设备介质储运过程中的安全要求，在承压设备介质健康危害的基础上，新增了1类环境危害(环境危害性)和3类物理危害(易燃易爆性、氧化性、加压性)进行承压设备介质多危害性评价。

2.1 承压设备介质多危害性分值评价

根据承压设备介质的多种危害特性，构建承压设备介质危害特性数据库，依据GBZ 230—2010和GB 30000.2—29标准，采用转换分值法将承压设备介质健康、物理和环境危害性数据转换为危害性分值N，其中N∈Rp×q，p为数据库中承压设备介质种类个数，q为承压设备介质多危害性种类个数。

承压设备介质多危害性分值评价流程如图1所示。

图1 承压设备介质多危害性分值评价流程框图

2.2 承压设备介质多危害性权重评价方法

基于AHP-EW构建了一种承压设备介质多危害性权重评价策略，获得新增的4类承压设备介质危害性权重，联合GBZ 230—2010中已给出的10类承压设备介质健康危害权重，实现承压设备介质多危害性权重评价。

2.2.1基于AHP的承压设备介质多危害性主观权重评价

以GBZ 230—2010中给出的急性毒性吸入权重为基准，构建承压设备介质多危害性层次分析模型，模型的准则层为急性毒性吸入、易燃易爆性、氧化性、加压性和环境危害性，模型的目标层为承压设备介质多危害性，使基于AHP获取的主观权重与GBZ 230—2010中给出的权重相适应，如图2所示。

图2 承压设备介质多危害性层次分析模型框图

根据层次分析模型发布调查问卷，请化学和特种设备领域的专家将同层次的危害性进行重要性比对，并根据1～9标度法获得层次判断矩阵J∈Rl×l，其第n行m列的元素anm为危害性n和m的重要性标度，l为同层次危害性种类个数，且满足以下条件[10]：

anm>0

amn>0

ann=1

ankakm=anm

(1)

则承压设备介质危害性主观权重可以由式(2)获得。

Jv=λmaxv

(2)

式中：v为矩阵J的最大特征根λmax对应的特征向量，即危害性的主观权重。

为确保重要性程度一致，利用平均随机一致性指标RI、一致性指标CI和一致性比例CR，采用式(3)和式(4)对获得的危害性主观权重进行一致性检验[16-17]。

(3)

(4)

当一致性比例比率CR<0.1时，说明层次判断矩阵J满足一致性检验。以GBZ 230—2010中给出的急性毒性吸入权重为基准，将获取的指标权重同比放大，获得承压设备介质多危害性主观权重W1∈R1×l。

根据层次分析模型发布调查问卷，请化学和特种设备领域的专家进行主观评价，获得专家主观权重矩阵为S∈Re×l，其中e为专家人数；第n行m列的元素snm表示第n个专家给出的第m个危害性的主观权重。并按照表1对专家主观权重矩阵进行加权。专家权威性评估矩阵为A∈Re×k，其中e为专家个数，k为评估项个数；第n行m列的元素anm表示第n个专家的第m项能力评分值。专家权威性权重系数矩阵C∈R1×e中第n个专家的权威性权重系数cn为：

(5)

进而由式(6)获得承压设备介质多危害性主观权重W2∈R1×l：

W2=CS

(6)

结合承压设备领域专家的专业知识和意见，融合承压设备介质多危害性主观权重W1和W2，则基于AHP的承压设备介质多危害性主观权重为：

(7)

表1 专家权威性评分表Table 1 Authoritative evaluation form of expert

2.2.2基于EW的承压设备介质多危害性客观权重评价

EW通过承压设备介质多危害性计算信息熵，信息熵越小，说明无序度越低，包含的信息量越多，则危害性的权重越大。

(8)

每一列数据的信息熵Ej[13]为：

(9)

(10)

则熵权法获得的权重为：

(11)

以GBZ 230—2010中已给出的急性毒性吸入权重为基准，经同比放大得到承压设备介质多危害性客观权重W4∈R1×l。

2.2.3基于AHP-EW的承压设备介质多危害性权重评价

(12)

联合GBZ 230—2010中已给出的10类健康危害，获得最终的承压设备介质多危害性权重W∈R1×q。

3 承压设备介质多危害性评价方法流程

本文所提出的承压设备介质多危害性评价方法流程如图3所示。

图3 承压设备介质多危害性评价方法流程框图

承压设备介质多危害性评价方法包括以下步骤：

1) 依据承压设备介质的多种危害性特征，构建承压设备介质多危害特性数据库，并依据GBZ 230—2010中的转换分值法，将承压设备介质多危害性数据转换为危害性分值；

2) 根据层次分析模型发布危害性重要性比对的调查问卷，分析处理后获取承压设备介质多危害性主观权重W1；

3) 根据层次分析模型发布危害性权重主观评价的调查问卷，分析处理后获取承压设备介质多危害性主观权重W2；

4) 利用EW在承压设备介质多危害性分值的基础上，获得承压设备介质多危害性客观权重W4；

4 承压设备介质多危害性评价应用

4.1 承压设备介质多危害性评价对象

参考《固定式压力容器安全技术监察规程》和《移动式压力容器安全技术监察规程》对承压设备承载化学介质的说明，选取的承压设备介质(包括气体和液体)来源于2015年发布的危险化学品目录[18]，共1 770种。

4.2 承压设备介质多危害性分值评价结果

基础承压设备介质的多危害性数据，通过转换分值法实现1 770种承压设备介质的多危害性分值评价，部分如表2所示。

表2 部分承压设备介质多危害性分值Table 2 Part of the pressure equipment medium multiple hazards score

4.3 承压设备介质多危害性权重评价结果

4.3.1承压设备介质多危害性主观权重评价结果

利用图2所示的层次分析模型发布调查问卷，调查对象为承压设备和危险化学介质领域的专家，对准则层的5类危害性两两进行重要性比对，最终获取65份有效调查问卷，构建层次判断矩阵元素如表3所示。通过式(2)计算承压设备介质多危害性主观权重系数，可知易燃易爆性权重系数为1.229，氧化性权重系数为0.749，加压性权重系数为0.685，急性毒性吸入权重系数为1.398，环境危害性权重系数为0.940。通过式(3)计算一致性比例CR=0.0018<0.1，符合一致性检验。以GBZ 230—2010中给出的急性毒性吸入权重为基准，将获取的危害性主观权重同比放大，获得承压设备介质多危害性主观权重W1。已知GBZ230—2010中急性毒性吸入权重系数为5，则经同比放大后可得易燃易爆性权重系数为4.395，氧化性权重系数为2.680，加压性权重系数为2.450，急性毒性吸入权重系数为5.000，环境危害性权重系数为3.363。

利用图2的层次分析模型发布调查问卷，以GBZ230—2010中已给出的健康危害权重为依据设置多危害性权重范围为1～5，共收回有效调查问卷65份。经调查问卷分析，表4为部分专家主观权重系数，表5为部分专家权威性评估矩阵元素。通过式(5)计算表6中部分专家权威性系数，进而通过式(6)计算主观权重W2，得到易燃易爆性权重系数为4.437，氧化性权重系数为3.665，加压性权重系数为3.489，急性毒性吸入权重系数为5.000，环境危害性权重系数为4.089。

表3 承压设备介质多危害性判断矩阵元素Table 3 Multiple hazards hierarchy judgment matrix of pressure equipment medium

可以看出，获得的急性毒性吸入权重系数与GBZ 230—2010中相吻合，说明专家给出的主观权重系数具有较强的可信度。由式(7)获得基于AHP的承压设备介质多危害性主观权重，易燃易爆性权重系数为4.416，氧化性权重系数为3.173，加压性权重系数为2.970，急性毒性吸入权重系数为5.000，环境危害性权重系数为3.726。

表4 部分专家主观权重系数Table 4 Part of expert subjective weight coefficient matrix

表5 部分专家权威性评估矩阵元素Table 5 Part of the expert authoritative evaluation matrix

表6 部分专家权威性系数Table 6 Part of the expert authority weight coefficient

4.3.2承压设备介质多危害性客观权重评价结果

通过式(8)标准化承压设备介质的多危害性分值，再利用式(9)计算信息熵，并基于式(10)获取介质的客观权重系数，易燃易爆性权重系数为0.095，氧化性权重系数为0.023，加压性权重系数为0.050，急性毒性吸入权重系数为0.078，环境危害性权重系数为0.062。将客观权重系数以GBZ 230—2010中给出的急性毒性吸入权重系数为基准值同比放大，得到基于熵权法的承压设备介质多危害性客观权重系数，易燃易爆性权重系数为6.126，氧化性权重系数为1.490，加压性权重系数为3.216，急性毒性吸入权重系数为5.000，环境危害性权重系数为4.007。

4.3.3介质多危害性权重评价结果

由式(12)获得新增的承压设备介质多危害性权重系数，易燃易爆性权重系数为4.986，氧化性权重系数为2.612，加压性权重系数为3.052，急性毒性吸入权重系数为5.000，环境危害性权重系数为3.820。因GBZ 230—2010中给出的健康危害权重系数均为整数，将新增的承压设备介质多危害性权重系数取整，联合GBZ 230—2010中已给出的10类健康危害权重，最终得到如表7所示的承压设备介质多危害性权重系数。

表7 基于AHP-EW的承压设备介质多危害性权重系数Table 7 Multiple hazardous weighting coefficient of pressure equipment medium based on AHP-EW

5 结论

1) 依据GB 30000.1及GBZ 230—2010标准，结合实际工业需求分析了承压设备介质的多种危害性，在健康危害的基础上增加了1类环境危害(环境危害性)和3类物理危害(易燃易爆性、氧化性、加压性)，为承压设备介质多危害性评价奠定基础。

2) 本研究构建的基于转换分值法的多危害性分值评价策略和基于层次分析-熵权法(AHP-EW)的多危害性权重评价策略，能够合理有效地获取1 770种承压设备介质的多危害性分值与权重系数，具有简洁明确、客观性强的优点，克服了承压设备介质多危害性评价相关标准及研究的不足。