基于层次分析法的压力容器安全风险评价研究

马波

（中国石油天然气股份有限公司大庆炼化分公司，黑龙江 大庆 163000）

压力容器是一种危险性比较高的特种设备，一旦发生爆炸，往往会给人们生命、财产带来损失。因此，加强压力容器安全管理显得尤为重要。目前，压力容器安全风险管理研究主要有：陈振研究了复杂环境下FPSO压力容器关键结构安全分析，采用Fluent 数值模拟方法对压力结构安全评价，结果表明，关键结构应力值与压力容器安全成正相关。

龚嶷采用数值模拟方法研究了储氢气瓶安全评价，结果表明，储氢气瓶在氢气充放过程中应该加强温度管控。周忠强研究了覆土卧式容器的屈曲安全评价，结果表明，切割角度对压力容器安全有显著影响。柳军研究了压力容器缺陷量化综合安全评价，结果表明，影响压力容器缺陷指标有缺陷、材质、内部环境、容器断裂失效、活塞、液压控制、材料质量、腐蚀等。张琳研究了反应堆压力容器缺陷指标评价，结果表明，反应堆压力容器中评价标准、缺陷特征、缺陷断裂韧性、缺陷残余应力以及缺陷承压冲击都会影响反应堆压力容器安全。刘桂艳采用层次分析法研究了高校实验室压力容器安全评价，结果表明，安全管理系统在高校压力容器安全评价中发挥重要作用。目前压力容器安全评价多采用层次分析法、模糊综合评价法以及灰度模型进行评价。评价压力容器多为常规压力容器。近年来，随着新能源的不断发展，氢能在新能源中所占比重不断增加，氢气存储关系着人们的生命安全。本文就氢气压力容器安全采用模糊综合评价法进行评价。

1 氢气压力容器安全评价体系构建

氢气压力容器安全影响因素主要有氢气压力容器使用环境、氢气压力容器安全管理、氢气压力容器监测管理、氢气压力容器缺陷、氢气压力容器材质。氢气压力容器使用环境包括指标有环境温度、环境湿度、环境压力、环境腐蚀性。氢气压力容器安全管理包括指标有安全管理制度、安全管理措施、安全管理配套。氢气压力容器监测管理包括人员培训、人员作业、监测技术先进性、检测技术有效性。氢气压力容器缺陷包括压力容器断裂缺陷、压力容器疲劳缺陷。氢气压力容器材质包括材料加工性能、材料设计合理、材料质量。图1 为氢气压力容器安全评价体系。

图1 氢气压力容器安全评价体系

2 模糊综合评价法

2.1 层次分析法

氢气压力容器安全评价指标具有层次结构，采用层次分析法进行相应指标权重计算。层次分析法计算步骤：（1）构建判断矩阵；（2）对构建判断矩阵进行一致性检验；（3）计算权重并排序。

（1）构建判断矩阵。常见构建判断矩阵方法是采用1 ～9 标度法和三角法进行比较，其中1 ～9 标度法因操作简单易实现被广泛应用到判断矩阵构建中，本文采用1 ～9 标度法进行判断矩阵构建。表1 为1 ～9 标度法详细说明。

表1 1 ～9 标度法详细说明

（2）判断矩阵一致性检验。计算方法为：

式中：λ表示构建判断矩阵最大特征根，n 表示构建判断矩阵阶数；RIn表示常数与n 之间满足：RI1=0.00，RI2=0.00，RI3=0.58，RI4=0.90, RI5=1.12，RI6=1.24，RI7=1.32，RI8=1.41，RI9=1.45, RI10=1.49。当CI ＜0.1 说明构建判断矩阵满足要求，否则重新调整判断矩阵。

（3）计算权重并排序。在判断矩阵一致性检验中得到权重并将其按照从大到小排序。

2.2 模糊综合评价模型

采用模糊综合评价法对氢气压力容器安全评价。按照模糊综合评价流程进行评价。

（1）构建指标体系，根据构建的氢气压力容器安全评价指标体系可知共有一级指标5 个，可用符号K={k1,k2,k3,k4,k5}表示，每个一级指标中都有相应的二级指标，可用符号kij表示，i 表示第i 个一级指标，j 表示第i 个一级指标中包括二级指标j 个。

（2）评语集构建。为评价氢气压力容器安全等级按照极高风险、高风险、较高风险、一般风险、低风险划分。对应数值为：极高风险、高风险、较高风险、一般风险、低 风 险={0.80-1.00,0.60-0.8 0,0.4 0-0.6 0,0.2 0-0.40,0.00-0.20}。

（3）隶属度矩阵。聘请专家20 人对氢气压力容器安全评价。得到隶属度矩阵：

式中：Rkn表示因素氢气压力容器安全评价总共因素，rkn表示第k 个因素在第m 判断元素的程度，Eij表示专家对第i 个因素第j 个判断数值。

以聚苯乙烯泡沫板第1次试验为例，计算K值.热流系数f1=0.492 W/K，f2=5.483 W/K，δ=0.045 m，A=3.24 m2，其余参数取值见表1、表3.

对H 指标进行加权平均值，由此得到综合判断结果。

3 氢气压力容器安全评价权重计算

（1）一级指标判断矩阵。按照层次分析法得到一级指标判断矩阵见表2。

表2 一级指标判断矩阵

按照层次分析法计算步骤得到：特征向量w={0.209,0.193,0.162,0.253,0.183}， 最大 特 征根5.056， 一 致 性 检 验 为0.0113 ＜0.1 说 明 构 建判断矩阵满足要求。由此得到使用环境、安全管理、监督管理、容器缺陷、容器材质权重分别为：0.209,0.193,0.162,0.253,0.183。

（2）二级指标氢气压力容器使用环境判断矩阵。见表3 所示。

表3 二级指标氢气压力容器使用环境判断矩阵

按照层次分析法计算步骤得到：特征向量w={0.184,0.171,0.420,0.225},最大特征根4.283，一致性检验0.084 ＜0.1，说明构建判断矩阵满足要求。由此得到环境温度、环境湿度、环境压力、环境腐蚀性权重分别为：0.184,0.171,0.420,0.225。

由于篇幅有限，其余指标权重计算不再列举。表4为氢气压力容器安全评价复合权重。

表4 氢气压力容器安全评价复合权重

表4 中复合权重计算为：一级指标权重与二级指标权重乘积。

4 氢气压力容器安全评价风险模糊综合分析

为评价氢气压力容器安全风险等级，聘请专家20 名进行风险打分，得到表5 所示二级指标隶属度。

表5 氢气压力容器安全评价风险二级指标隶属度

以氢气压力容器使用环境为例，得到综合评价结果为：H={0.79732,0.72082,0.78674,0.73335,0.75991,0.759628}，评价结果分值为：0.76。

其余指标计算不再列举，得到：

氢气压力容器安全管理分值为：0.58。

氢气压力容器监测管理分值为：0.48。

氢气压力容器缺陷分值为：0.89。

氢气压力容器材质分值为：0.79。

由此得到氢气压力容器安全评价风险总分值为0.74。从二级指标中可见，氢气压力容器缺陷属于极高风险，氢气压力容器安全管理属于较高风险，氢气压力容器监测管理属于较高风险，氢气压力容器材质属于高风险。

5 结语

采用层次分析法与模糊综合评价法研究了氢气压力容器安全评价风险等级。结果表明，氢气压力容器安全评价风险总分值为0.74 属于高风险。其中氢气压力容器缺陷属于极高风险。建议在氢气压力容器管理中加强压力容器缺陷监管。