固定式压力容器风险模糊层次综合评价研究

第 4 2 卷第 5期 2 0 1 3年 9月 石油化工设备 PE TRO- CHEMI CAI EQUI PMENT V01 42 No 5 Se p t 2 01 3 文章 编号 ：1 0 0 0 7 4 6 6 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 7 4 0 5 固定式压 力容器风险模糊层次综合评价研究 张锦伟 ，姚安林 ，康乐 ( 西南石油大学 ，四川 I成都 ，叶 冲 6 1 O5 O O) 摘 要 ：针 对 目前 国 内缺乏 压力 容 器失效数据 库 的特 点 ， 提 出采 用模 糊综 合评 价 的方 法对 压 力容 器 失效 可能性进 行计 算 ， 从 而进行 压 力容 器的风 险评 价 。从腐蚀 、 设 计 、 制 造 、 安 装 、 运 行 、 维护与检 修 6个方面分析导致压力容器失效的风险因素 ， 并采用层次分析法确定各风险因素权重， 计算压力容 器失效 可能性 ， 对压 力容 器失 效顶事件 的综合评 价 向量进 行 了点值 化 处理 。根 据 Mu h l b a u e r 评 价 方法 ， 确定 了压 力容 器 泄 漏影 响 系数 ， 进 而 计 算 压 力 容 器 的风 险值 。借 鉴 AP I 5 8 1 - 2 0 0 0 R i s k b a s e d I n s p e c t i o n T e c h n o l o g y ) 风险等级划分原则， 考虑现场实际情况， 提 出了固定式压力容 器风险 等级 的划分 区间。 以某输 气站 场 固定式 压 力容 器 为例 ， 采 用上述 风 险评 价 方法确 定其 风险等 级 ， 验 证 了 该 方 法 的 适 用 性 。 关键 词 ：固定式压力容器；风险评价；模糊层次综合评价；层次分析 中 图分类号 ：TQ 0 5 0 7 文献标 志 码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 3 0 5 0 1 9 Re s e a r c h o n Fu z z y Hi e r a r c h y Co mp r e h e n s i v e As s e s s me n t o f S t a t i o n a r y Pr e s s u r e Ve s s e l Ri s k ZHANG J i n we i ，YAO An l i n，KANG Le，YE Ch o ng ( S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y，Ch e n g d u 6 1 0 5 0 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Du e t o t h e a b s e n c e o f d o me s t i c p r e s s u r e v e s s e 1 f a i l u r e d a t a b a s e ， t h e c a l c u l a t i o n o f pr e s s u r e v e s s e l f a i l u r e p os s i bi l i t y i s pr o po s e d ba s e d o n t h e m e t h od o f f u z z y c ompr e he n s i v e a s s e s s m e nt Fr o m t he v i e w of c or r o s i on， d e s i gn， ma nu f a c t u r e ， i n s t a l l a t i o n，op e r a t i on， a nd ma i nt e na n c e i ns pe c t i on f i r s t l y。r i s k f a c t o r s o f pr e s s ur e v e s s e l f a i l ur e a r e a na l y z e d The we i gh t s o f r i s k f a c t or s a r e c a l c ul a t e d b a s e d o n t h e me t h od o f a n a l yt i c h i e r a r c hy pr o c e s s ， a nd f a i l u r e p os s i bi l i t y o f p r e s s u r e v e s s e l i s a l s o c a l c ul a t e d The c ompr e he n s i v e a s s e s s me nt v e c t o r of t o p e v e n t o f p r e s s u r e v e s s e l f a i l ur e i s c o nv e r t e d i n t o a s po t Th e l e a k i nf l u e n c e f a c t o r of pr e s s u r e v e s s e l i s a l s o o b t a i n e d c omp l i a nc e t o t he me t h od of M uhl b a ue rt h e n t he r i s k v a l ue o f pr e s s ur e v e s s e l i S c a l c u l a t e d Ri s k r a n ks a r e s e g r e ga t e d a c c o r di n g t o t he pr i n c i p l e of API 5 81 - 2 0 0 0 Ri s k - b as e d I n s pe c t i o n Te c h n o l o gy，s i m u l t a n e o us l y，c o ns i d e r i ng t he r e a l i t i e s o f pr e s s u r e v e s s e 1 The s e gr e ga t i o n i n t e r v a l s of r i s k r a nk s a bo ut pr e s s u r e v e s s e l i s pr o po s e dFo r t he l a s t pa r t ，s t a t i on a r y pr e s s u r e v e s s e l a t ga s t r a ns mi s s i o n s t a t i o n i s t a k e n f o r e x a m p l e，a c c or d i n g t o t he m e t ho d o f r i s k a s s e s s me nt i n t r o duc e d，t he r i s k r a n k o f whi c h i S r e l a t i v e 1 O WTh e r e s ul t i S c on s i s t e nt wi t h t he de t e r mi na t i o n o f e x pe r t s ，S O，t h e p r a c t i c a l o f t h i s me t h od i S v a l i d a t e d Ke y wo r d s ： s t a t i o n a r y p r e s s u r e v e s s e l ；r i s k a s s e s s me n t ；f u z z y h i e r a r c h y c o mp r e h e n s i v e a s s e s s me n t ；a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 5 0 8 基金项 目：国家科技支撑计划项 目( 2 0 1 1 B A K0 6 B 0 1 1 l 一 0 1 ) 作者简介 ：张锦伟 ( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 四川 德阳人 ， 硕士研究生 ， 主要从事油气长输管道风险评价与完整性评价研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 张锦伟 ， 等 ： 固定式压力容器风 险模糊层 次综 合评价研究 固定 式压 力容 器广泛 应用 于石 油化 工领 域 ， 由于各 种 原 因导 致 的压 力 容 器 事 故 时 有 发 生 。 1 9 9 8 0 3 0 5 ， 西安 液化石 油气 站 2个 4 0 0 m。球罐 发 生特 大 爆 炸 事 故 ， 该 事 故 与 法 兰 泄 漏 和 一 只 紧 固螺栓 的疲劳断裂有关 。1 9 9 7 - 0 6 2 7 ， 北京东方化 工 厂罐 区发 生特 大火 灾爆炸 事故 ， 死 亡 2 0余 人 ， 事故起 因为违 章操作 。为了防止此类事 故 的再次 发 生 ， 对压力容 器进行 全生命 周期 的风 险评 价 十 分重要 。传统 的压 力容器 设计 满足 强度 、 刚度及 稳定性 的要 求 ， 而没 有考虑 到压力 容器 全寿 命过 程及动态服役环境 中的各种风 险 因素 。一些学 者 对此进行 了有益 的研究 ， 陈学东 等人提 出以风 险 与寿命为基 准 的承压 设备 设计 与制 造_ 1 ， 张 鹏介 绍了风险技 术在 压力 容器 与管 道上 的应 用 ， 国 家质检总局 特种设 备安 全监 察局 于 2 0 0 6年 发 布 了 R B I 工作试点 的通知 。近 几年 ， 对石化 装 置进 行风险评价 的方法主要有采用基于风 险检测 的方 法( R B I ) 对 压力容器 进行安 全评估_ 3 “ 、 基于 蒙特 卡罗法的压力容器可靠性风险分析等 。 由于国内缺乏压力容器失效数据库， 上述方法 均 以 国外 同类 装 置 的失 效 概 率 为基 本 出发 点 ， 因 而 利用上述方法计算得到的压力容器风险与实际情况 并 不很符 合 。 因 此 ， 笔 者认 为对 于 压 力 容器 的失 效 可能性 ， 可采用模糊综合评价的方法来进行计算 ， 进 而计算出压力容器的风险值 。 1 压 力容器 失效风 险因素 笔者从压力容器腐蚀 、 设计、 制造 、 安装 、 运行、 维 护与检 修 6个方 面来 分析 引起 压力 容器 失效 的风 险因素( 图 1 ) ， 各事件及符号说明见表 1 。 图 1 压力容器失效风 险因素图 表 1 压 力容器 失效风 险因素表 符号 风险 因素 符号 风险 因素 符号 风险因素 符号 风险因素 X1 湿 C O2 腐蚀 环境 X1 3 报警仪表接 口布局不合理 X2 5 检测人员素质低 X3 7 地基处理不合理 X 2 湿 Hz S腐 蚀环境 X1 4 检测仪表接 口布局不合理 X 2 6 卷板错边 量超标 X3 8 安装过程存在误操作 X3 内涂层破坏 X1 5 工艺管道接 口布局不合理 X2 7 封头与筒 体存在 匹配偏差 X3 9 误操作阀门 X4 无 内涂层 X1 6 报警装置设计不合理 X2 8 钢板未严 格按图样要求加工 X4 0 超负荷运行 X5 防腐层选型不合理 X1 7 爆破片选型不合理 X2 9 附属结构预制存在尺寸偏差 X4 I 缺乏完善的事故 工况应 急程序 X6 防腐层施工程序不合理 X1 8 安全阀选型不合理 X3 0 附属结构 与本体存 在匹配偏差 X4 2 缺乏完善的检查规程 X7 安装过程引起的防腐层破损 X1 9 风荷载不清楚 X3 1 焊接设备性 能不稳定 X4 3 缺乏完善的操作规程 X8 防腐层修补质量存在缺陷 X2 0 雪荷载不清楚 X3 2 焊接工艺不合理 X4 4 员工缺乏业务 培训 X9 防腐层未经严格检查 X2 I 环境温度不清楚 X 3 3 焊接返修 方案不合理 X4 5 缺乏完善的维 护检修规程 Xl 0 设计年 限内服役 X2 2 钢板负偏差超标 X3 4 焊缝检验程序不合 理 X4 6 检修方案不合理 X1 1 超期服役 X2 3 钢板表面损伤过度 X3 5 焊工素质低 X4 7 维护方案不合理 X1 2 人孔布局不合理 X2 4 检测设备落后 X 3 6 安装方案 不合理 X4 8 维护检修人员素质低 2 压 力容器风险模糊综合评价 1 1 模糊综合评价简介 模糊综合评价 ， 即依据各个评价 因素对被评价 对象的隶属度 ， 利用评价因素模糊关系合成机理 ， 进 行综合性评判 的一种方法嗍。多数情况下， 各 评价 因素在总评价中的地位不完全相 同， 因此不能平等 对待 ， 文中采用加权平均的方法。 2 1 1 建立单 因素集合 己 厂 根据 图 1确定压力容器失效风 险因素评 价集 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 3年第 4 2卷 u， 如 u 腐蚀 B 、 设计 B 。 、 制造 B 。 、 安装 B 、 运行 B 、 维护 与检修 B ) 。 2 1 2 确 定评价 因素权重 向量 A 由于 压力 容 器失 效 风 险 因素之 间重 要性 不 同 ， 故 文 中 采 用 层 次 分 析 法 来 确 定 风 险 因 素 的 权 重 一 。首先利 用 9标度 法对两 两 因素进 行 比较 ， 构 造判断矩阵 ， 然后计算判断矩阵的最大特征根 ， 最 后进 行一 致 性 检 验 ， 随机 一 致 性 比率 C R需 满 足 CR O。 1。 以腐蚀 B 、 设 计 B 、 制造 B 。 、 安 装 B 、 运行 B 、 维护与检修 B 为例 ， 计算它们 的权 重。首先根据 现场资料及 专家意见构 造腐蚀 B 、 设计 B 、 制造 B 。 、 安装 B 、 运行 B 、 维护与检修 B 两两因素的判 断矩 阵 ， 见 表 2 。 表 2评价因素判断矩阵 采用文献 7 ， 8 介绍 的权重计算方法 ， 可算 出 B 到 B 。的权重 向量 A一 0 1 6 ， 0 0 4 ， 0 1 0 ， 0 0 6 ， 0 3 8 ， 0 2 5 ) ， 其 随 机 一 致 性 比率 C R一 0 0 1 9 6 0 1 ， 判 断矩 阵满足一 致性要 求 。采用 同样 的方法 可 以计算出其余各因素权重 ， 见表 3 。 2 1 3 确定隶属度矩 阵 采用 Ka r wo ws k i 和 Mi t a l 推荐 的模糊 隶属度 函数_ 9 ， 结合现场实际情况以及相关专家、 工程技术 表 3各风 险因素权重表 风险因素 权重 风险因素 权重 风险因素 权 重 风险因素 权重 腐蚀 B 1 o 1 6 维护与检修 B6 0 2 5 安全附件 C 5 0 3 0 焊接 C l o 0 4 6 设计 B2 0 0 4 内腐蚀 Cl 0 5 4 使 用环境 C 6 0 1 6 介质腐蚀性 D1 0 3 3 制造 B3 0 1 0 腐防层 C 2 0 3 0 材料 C 7 0 1 0 内涂层 D2 0 6 7 安装 B 4 O O 6 服役时间 C 3 0 1 6 本体制造 C 8 0 2 7 钢板质量 D3 0 3 3 运行 B 5 0 3 8 接管布局 C4 0 5 4 附属结构制造 C 。0 1 6 钢板验收 D4 0 6 7 人员的建议对其进行改进 ， 建立隶属度矩 阵 R 川 。 将失效可能性用 O 1 0 0分表示 ， 划分为 1 0个区间。 分数值越大， 表示失效可能性越小 。2 6阶隶属度 矩 阵的取 值见 表 4 表 8 。 2 1 4 计 算单 因素评价 向量 B ， 单 因素评 价 向量 B ， 按 下式计 算 ： B 一A R ( 1 ) 2 1 5 计算顶事件 综合评价 向量 B 算出单因素评价向量 B 后 ， 将其作为上一层的 隶属 度矩 阵 R ， 再 利用 B 一AI R 逐 层 向上计 算 ， 最后计算出压力容器顶事件的综合评价 向量 B。 2 2 综合评价向量单值化 模糊 综合 评价 的 结果 是 一 个综 合评 价 向量 B， 而不是一个点值， 需要进一步处理。给各等级赋以 表 4 2阶隶属 度矩 阵 R ： 。 取值 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 张锦伟 ， 等 ： 固定 式压力 容器风险模糊层次综合评价研究 表 7 5阶隶属度矩 阵 R 。 。 取值 等级 1 o 9 1 o o 9 0 7 o 5 o 3 o 1 o o 0 o 0 o o o 2 0 5 o 7 0 9 1 0 0 9 o 7 0 5 o 3 o 1 0 o o o 3 o 1 o 3 0 5 o 7 0 9 1 o o 9 o 7 o 5 0 3 o 1 4 o 0 o o o 1 o 3 o 5 o 7 o 9 1 o o 9 0 7 o 5 5 o o 0 o o 0 o o o 1 o 3 o 5 o 7 o 9 1 o o 9 o 9 1 o o 9 0 7 o 5 0 3 o 5 o 7 o 9 1 o o 9 0 7 o 3 0 5 o 7 0 9 1 0 o 9 o 0 o 1 o 3 o 5 0 7 o 9 o 0 o o 0 1 o 3 0 5 0 7 0 o 0 o o 0 0 0 o 1 0 3 分值 ， 然后用 B中对应 的隶属度将 分值 加权 平均 就可 以得到一 个数 量点值 ， 即失效 可能性 指标 总 和。笔者借鉴 Mu h l b a u e r 评 价方法 ， 将腐蚀 、 设 计 、 制造 、 安装 、 运行 、 维 护和检修 6项指标各 赋 以 1 0 0分 ， 总共 6 0 0分 ， 共 分 1 0个等 级 ， 即 一6 0 X ( 忌 一1 ) ， 忌 =1 ， ， 1 1 。则 综合评 价 向量单 值化 计 算式为 ： 11 b ( k ) C c ：气 一 ( 2 ) 6 ( 忌 ) = 1 2 3风险值计算 借鉴 Mu h l b a u e r风险评 价指标体 系的计算 方 法 ， 压力容器失效风险可按下式计算 ： 风险分值一 ( 3 由 2 1和 2 2节 介 绍 的计 算方 法 ， 可 以得 到 压 力容器失效可能性指标总和。泄漏影响系数按照文 献E l o 所述方法计算 。 2 4风险等级划分 借 鉴 AP I 5 8 1 -2 0 0 0 R i s k b a s e d I n s p e c t i o n Te c h n o l o g y ) 中风险等级划分原则 】 ， 并结合 T S G R7 0 0 1 -2 0 0 4 压 力容 器定 期 检验 规 则 中对 压 力容 器 安全 状况 分 级 情 况口 ， 将 风 险 等 级 分 为 高 风 险 、 较高风险、 中等风险、 较低风险以及低风险共 5级 ， 设风险值为 R， 取值范围为E R i ， R ， 风险等级划 分及其意义见表 9 。 表 9 风险等级划分及其意义 3 实例计算 在收集某输气站场一 台固定式压力容器 的相关 资 料 后 ， 利 用 文 中介 绍 的 方 法对 该 压 力 容 器 进 行 风 险评价 。首先计算单 因素评价 向量 ， 而后得 到顶事 件的综合评价向量 ， 再进行单值化处理 ， 最后可 以确 定其其风险等级 。 3 1 计算单因素评价向量 B 以压力容器失效风险 因素 中的介 质腐蚀性 D 为例， 计算其评价 向量 B 。 ， 。介质腐蚀性 因素 D 有 两 个风 险 因素 ， 分 别为 湿 C O 腐 蚀环 境 X ， 湿 H。 S 腐蚀环境 X。 ) 。结合本输气站输送介质成分分析 ， 得知 H。 S含量相对较高。并考 虑到专家和工作人 员 的意 见 ， 将 X 和 X 的权 重 定 为 ( 0 3 ， 0 7 ) 。X 和 Xz的隶属度矩阵按表 4取值。再利用式( 1 ) 计算 可得 B D ： ( 0 2 7 ， 0 3 O ， 0 2 7 ， 0 2 l ， 0 2 2 ， 0 3 ， 0 3 8 ， 0 4 9 ， 0 6 3 ， 0 7 0 ， O 6 3 ) 。同理， 可以计算 内涂 层 D 的评 价 向量 B D 一 ( 0 9 ， 1 0 ， 0 9 ， 0 7 ， 0 5 ， 0 3， 0 1， 0。 0， 0， 0) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 石油化工设备 2 O l 3年第 4 2卷 3 2 计算压力容器失效综合评价 向量 B 作 为上 一层 内腐蚀 C 风 险 因素 的隶 属 度矩阵， 权重向量按表 3取值 ， 由式 ( 1 ) 可以计算 内 腐蚀 1 的评 价 向量 B 一( 0 6 9 ， 0 7 7 ， 0 6 9 ， 0 5 4 ， 0 4 0， 0 3 0， 0 1 9， 0 1 6， 0 2 0， 0 23， 0 2 1) 。 同理 ， 可以算得其它风险因素的评价向量 。 最后可以算得压力容器失效综合评价 向量 B一 ( 02 7， 0 3 6， 041， 0 44， 049， 0 5 2，0 5 3， 05 3， 0 5 2， 0 4 7， 0 3 8) 。 3 3 综合评价向量单值化 利用式( 2 ) ， 将压力容器失效综合评价向量 B单 值化为 2 6 6 8 6 ， 即压力容器失效可能性指标总和为 2 6 6 8 6分 。 3 4确定风险等级 泄漏影响系数按文献E l O fl 算 ， 为 2分。由表 9 计算 出的该压力容器风险等级区间划分见表 1 O 。 表 1 O 压力容器风 险等级 区间划分 由式( 3 ) 计算可 以得到该压力容器风 险分值为 2 6 6 8 6 2 1 3 3 4 3分 。根据表 1 o可知 ， 该压力容 器的风险等级为较低 ， 与现场专家判断结果一致。 4 结语 采用模糊层次综合评价的方法计算固定式压力 容器失效可能性指标总和 ， 克服 了目前 国内因缺乏 压力容器失效数据库而无法进行压力容器失效可能 性计算的困难 。实例计算表明， 文 中提出的固定式 压力容器风 险模糊层 次综合评 价方法考虑 因素全 面， 评价结果符合工程实际。 参考文献 ： E 1 陈学东 ， 王冰 ， 艾志斌 ， 等 以风 险与寿命为 基准 的承压 设备设计 与制造 J 压力容器 ， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 1 0 ) ： 1 - 5 ( CHEN Xu e d o n g，W ANG B i n g， AI Z h i b i n， e t a 1 De s i g n a n d M a n u f a c t u r e o f Pr e s s u r e b e a r i n g E q u i p me n t B a s e d o n R i s k a n d L i f e J P r e s s u r e Ve s s e l T e c h n o l o g Y，2 0 0 7 ，2 4 ( i 0 ) ： 1 - 5 ) 2 张鹏( 译 ) 风险技术在压力容器与管道上的应 用 J 油 气储运 ， 1 9 9 6 ， 1 5 ( 5 ) ： 5 4 5 9 ( Z H ANG Pe n g(t r a n s l a t i o n) A P e r s p e c t i v e o il t h e Va l u e a n d I n t e r - r e 1 a t i 0 n s h i p s o f Ri s k b a s e d Te c h n o l o g i e s f o r P r e s s u r e Ve s s e l s a n d P i p i n g J Oi l& G a s S t o r a g e a n d Tr a n s p o r t a t i o n，1 9 9 6，1 5 ( 5 ) ：5 4 5 9 ) 3 汪文锋 基于 R B I 方法 的在用 压力容器 安全 评估 J 石 油 和 化 工 设 备 ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 1 3 一 l 5 ( W ANG W e n f e n g Sa f e t y Eva l ua t i o n o f Pr e s s ur e i n S e r v i c e B a s e d o n R B I J P e t r o& C h e mi c a l E q u i p me nt ，20 07( 3)：1 3 - l 5 ) 4 任世科 ， 刘雪梅 ， 侯杰 基 于风险 的检测 ( R B I ) 技术 在兰 州石化公 司重 油催 化裂 化装 置 的应 用 J 腐 蚀 与 防 护 ， 2 0 0 6， 2 7 ( 1 1 ) ： 3 0 3 3 ( RE N S h i k e ，I AU Xu e me i ，HOU J i e Ap p l i c a t i o n o f Ri s k b a s e d I n s p e c t i o n ( RBI )t o Ca t a l y t i c Cr a c k i n g Un i t i n L a n z h o u P e t r o c h e mi c a l C o mp a n y J C o r r o s i o n& P r o t e c t i o n ，2 0 0 6，2 7 ( 1 ) ：3 0 3 3 ) 5 王金龙 基于蒙 特卡 罗法的 压力容器 可靠性 风险 分析 J 潍坊学 院学报 ， 2 0 0 8 ， 7 ( 4 ) ： 5 - 8 ( W ANG J i n l o n g An a l y s i s o f Re l i a b i l i t y Ri s k f o r P r e S S u r e Ve s s e l s B a s e d o n Mo n t e - C a r l o Me t h o d j J o u r n a l o f We i f a n g Un i v e r s i t y， 2 0 0 8，7 ( 4 ) ：5 - 8 ) 6 陈杨 ， 王为 民， 陈伟聪 ， 等 基 于故障树 与模糊理 论的埋 地管道风险评 价 J 油气储运 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 7 ) ： 1 3 1 7 ， 5 ( CH EN Ya n gW ANG W e i mi n，CHEN W e i c o ng，e t a 1 Ri s k As s e s s me nt o f t he Bur i e d Pi pe l i ne Ba s e d on t h e F a u l t Tr e e a n d F u z z y Th e o r y J Oi l G a s S t o r a g e a n d Tr a n s p o r t a t i o n，2 0 1 1，3 0( 7 ) ： i 3 - 1 7， 5 ) E T 张华林 ， 刘 刚 层次 分 析法 在石 油安 全评 价 中 的应 用 J 天然气工业 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 4 ) ： 1 6 3 1 6 5 ， 2 7 ( ZHANG Hu a l i n ， LI U Ga n g Th e Ap p l i