基于AHP-熵權法的液氨儲罐安全評價＊

聶鈺明 李屹東 劉群芳 何琦 溫小飛

（1.浙江海洋大學船舶與海運學院，浙江舟山 316022；2.舟山市特種設備檢測研究院，浙江舟山 316021；3.浙江國際海運職業技術學院，浙江舟山 316021）

0 引言

氨是一種具有良好的熱力學性質的自然制冷工質，因而被廣范應用于化工行業。氨制冷系統具有較強的制冷效果，但同時也存在著一定的安全隱患，如易燃易爆等特點，一旦發生事故，極易造成人員傷亡和財產損失［1］。由于液氨特殊的物理化學性質，國內外發生了多起安全事故。據不完全統計［2-3］，截至2021 年底，我國化工系統發生了約60 起重大泄漏事故。其中，吉林省某公司發生的液氨泄漏爆炸事故，造成121 人死亡、76 人受傷，經濟損失嚴重。因此，液氨的儲存及設備的安全使用不容忽視。在生產過程中，應采取各種安全有效的措施，避免發生事故，保障人民生命財產安全。

目前氨制冷系統的安全評價體系尚未完善，現有的評價方法大多以管路為檢測對象，缺乏對液氨儲罐自身的安全評價分析。對此，加強液氨儲罐安全研究，對液氨儲罐進行合理的安全評價是非常有必要的［4］。國內外安全評價方法種類繁多，目前對儲罐的安全評價主要包括安全檢查表法、DOW、FTA、蒙德法、模糊綜合評價法、AHP、熵權法等［5］，但采用單一方法均存在局限性，因此本文采用AHP-熵權法相結合的方法確定各因素權重，構建模糊綜合評價模型，對液氨儲罐安全等級進行評價。

1 評價體系

以某大型冷庫液氨儲罐為例，運用改進AHP-熵權法，開展液氨儲罐安全等級評價，因工程項目特殊性，忽略管理、環境、人員等其他因素影響，只考慮液氨儲罐設備本身的特性，建立液氨儲罐安全評價指標體系如表1 所示。

表1 某大型冷庫液氨儲罐安全評價指標體系

該評價體系以液氨儲罐安全評價指標體系為目標層A，準則層包括罐體腐蝕因素B1和罐體焊接質量B2。

罐體腐蝕因素B1可分解為材料抗腐蝕性能C1、殘余應力C2、應力集中C3、外部涂層變薄C4、涂層脫落C5、涂層老化C6、涂層粘結力C7。罐體焊接質量B2可分解為焊接未焊透C8、焊接未熔合C9、焊縫夾雜C10、焊縫有氣孔C11。

2 評價方法

2.1 層次分析法

層次分析法在進行指標重要性比較時采用1—9 標度構造判斷矩陣，但以此構建的判斷矩陣容易受到評價者主觀因素的影響，不能反映人們評價思維的模糊性，若缺乏經驗或判斷錯誤將造成決策的偏差，即評價結果知與客觀事實存在較大差異。評價者需要對決策問題的本質、元素組成及其聯系等深入了解。針對上述不足，本文采用一種修改標度值的改進AHP 構建評價指標體系，如表2 所示，該方法梯度下降更容易接受，不僅保留了層次分析法的優點，還可以減少主觀偏差。

表2 改進AHP 標度對比

AHP 一般按照4 個步驟計算評價指標權重［6-7］。

（1）建立層次結構模型。通過分析研究對象，根據各影響因素的屬性及分類建立指標的層次關系。

（2）構造判斷矩陣A=（aij）n×n。根據標度方法由aij構造判斷矩陣A：

式中，ai表示元素ai和aj兩兩比較所得評價值，有以下性質：

（3）計算重要性排序。根據判斷矩陣A計算其最大特征根max所對應的特征向量，具體方法如下：

（4）一致性檢驗。計算一致性指標CI：

通過檢驗一致性比率來檢驗一致性，具體計算方法如下：

式中，CR為一致性比率，若CR值小于0.1，則認為結果可靠；RI為平均一致性指標，具體值見表3。

表3 一致性指標

2.2 熵權法

熵權法是一種用于對象、多指標的綜合評價方法，其優點之處在于它幾乎不受主觀因素的影響，且能獲得較好的客觀指標權重［8］。為避免主觀因素的影響，考慮利用熵權法確定評價對象的客觀權重。具體步驟如下：

（1）原始數據的標準化處理。m個評價指標、n個評價對象構成的初始數據矩陣為：

首先對矩陣X標準化處理，標準化后的矩陣為：

式中，yij表示第j個評價對象在第i個評價指標上的標準值。指標評價：評價指標可分為正向指標yij和逆向指標y'ij。

正向指標：

逆向指標：

（2）熵與熵權的定義。在含m個評價指標、n個評價對象的評價問題中，第i個指標的熵定義為：

在（n，m）評價問題中，第i個指標的熵權定義為：

（3）綜合權重的計算。對上述改進AHP 所得的主觀權重與熵權法得到的客觀權重進行耦合，計算公式如下：

式中，由專家進行賦值，取=0.55。

3 算例分析

現以某企業大型冷庫氨制冷系統為例，選取容積為8.18 m3、凈重3 070 kg、主體材料為Q245R 的液氨儲罐為評價對象。該罐體實物如圖1 所示，液氨儲罐資料顯示，該罐已超出使用年限，已報廢停止使用。采用上文所建立的評價指標體系，運用AHP-熵權法對該液氨儲罐安全等級進行評價。

圖1 液氨儲罐設備

3.1 權重計算

基于上文所提出的改進標度AHP，將準則層和指標層兩兩因素進行比較，構造出各層對應的判斷矩陣。根據AHP 的求解機理，結合式（3）—式（5），采用Matlab 編寫程序可計算出層次單排序權重及一致性比率（CR）檢驗結果，計算結果如表4—表6所示。 結果表明，CR的值均小于0.1，一致性檢驗滿足要求。

表4 準則層判斷矩陣

表5 罐體腐蝕判斷矩陣

表6 焊接質量判斷矩陣

基于各評審專家的打分，根據AHP-熵權法計算綜合權重，由式（8）計算各評價指標的綜合權重，見表7。

表7 各評價指標權重

3.2 安全評價

（1）建立評語集。設U={u1，u2，…，um}被評價對象的m個影響因素，V={v1，v2，…，vn}為被評價對象的安全等級。根據TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》［9］相關規定，將儲罐安全等級劃分為很安全、較安全、一般安全，較不安全，不安全，即Ⅰ—Ⅴ這5個等級，V={很安全，較安全，一般安全，較不安全，不安全}。表8 是經過統計處理后得到的隸屬度。

表8 液氨儲罐評價指標隸屬度

（2）準則層各因素模糊綜合評價。由表6 確定各因素權重集W1和W2，根據表7 確定其罐體腐蝕因素模糊評價矩陣R1，焊接質量因素模糊評價矩陣R2。

依照模糊算子運算可得罐體腐蝕及焊接質量模糊綜合評價：

（3）液氨儲罐安全等級模糊綜合評價。由準則層因素評價結果可得液氨儲罐安全等級模糊綜合評價矩陣：

可得液氨儲罐安全等級模糊綜合評價：

對液氨儲罐安全評價的5 個等級的隸屬度依次為0、0.188 1、0.193 4、0.245 5、0.374 1。

3.3 結果分析與建議

通過上述計算，根據模糊綜合評價和最大隸屬度原則，該液氨儲罐的安全等級為Ⅴ級，即不安全，與實際情況相符?？梢钥闯鲈u價指標體系中11 個因素對液氨儲罐安全性的影響程度大小，各評價指標權重分布如表9，可以直觀地看出，對液氨儲罐安全性影響較大的指標分別為罐體的主體材料抗腐蝕性能以及焊接工藝中是否焊透熔合。

表9 氨儲罐評價指標權重分布

綜上計算與分析，液氨儲罐的安全等級在運行過程中受到多種因素的影響，針對液氨儲罐的安全管理提出以下建議：

（1）在制造液氨儲罐前須根據設計參數、運行工況選取合適的鋼材材質。

（2）焊接拼接罐體過程中須按規定的程序進行，確保焊接材料無縫焊透熔合。

（3）定期進行安全檢查與維護，防止涂層腐蝕或脫落，從而延長儲罐使用壽命。

4 結論

本文提出了一種基于改進AHP-熵權法相結合的液氨儲罐安全評價方法，運用模糊綜合評價方法對液氨儲罐的安全等級進行評價，既彌補了單一方法缺乏可靠性的缺點，又增強了層次結構模型的針對性。AHP-熵權法得到的綜合權重作為判別依據可更直觀地反映評價指標重要程度的概念，對研究液氨儲罐的安全評價具有一定的工程參考價值。該評價方法對于輔助主觀評價結果的綜合分析具有一定優勢，同樣適用于分析復雜、多維度的安全評價體系。本文所述的液氨儲罐安全評價方法適用范圍廣，有較強的可操作性和實用性，也可以應用于評價其他模塊，如氨制冷系統壓力管道檢驗。