基于AHP-模糊综合评价的蒸汽管网风险评估方法及应用

顾志恩 贺 轼 姜海一 刘娟波 高立敏

（1.浙江浙能镇海发电有限责任公司 宁波 315200）

（2.国家市场监管技术创新中心（炼油与化工装备风险防控），中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（3.杭州培慕科技有限公司 杭州 310000）

在石油化工和热力发电行业中，通常将蒸汽以管网形式输送给工业园区和城镇居民供热，这是实现能源利用率最大化的重要方式[1-2]。蒸汽管网在高温、较大压力下运行，一般穿过城市主干道和人流密集区，一旦发生事故，将对企业生产运行、周边居民和相关道路设施产生重大影响。对供热蒸汽管网进行风险评估，明确各管道的风险水平，对其长周期安全运行和高效管理具有重要意义。

国内当前没有针对供热蒸汽管网风险评估的相关标准[3-4]。可供参考的是GB/T 26610系列标准《承压设备系统基于风险的检验实施导则》，该标准针对石油化工装置的承压设备（包括管道），GB/T 26610.4—2022《承压设备系统基于风险的检验实施导则 第4部分：失效可能性定量分析方法》[5]规定失效可能性评估方法，GB/T 26610.5—2022《承压设备系统基于风险的检验实施导则 第5部分：失效后果定量分析方法》[6]规定失效后果评估方法。该方法在风险评估计算中核心考虑设备腐蚀减薄、应力腐蚀开裂和泄漏燃烧爆炸等因素。而蒸汽介质纯净，腐蚀减薄、应力腐蚀开裂和泄漏燃烧爆炸的影响较小，对其失效影响较大的是运行过程中的水击破坏、道路边车流撞击破坏、管道并行布置、沉井积水和泄漏疏水等潜在风险类型。

上述潜在风险类型对失效可能性多个因素都有影响，具体影响程度难以定量评价。对此类问题，层次分析-模糊综合评价是一种有效的解决方法[7-8]。模糊综合评价采用模糊数学理论，对受到多种因素制约的对象进行总体评价，能较好地解决模糊、难以量化的问题。在模糊综合评价方法中，将与综合评价相关问题分解成目标、准则、方案等层次，采用层次分析法（AHP）确立权重来量化每个因素对结果的影响程度，具有结果客观且明晰的优点[9]。考虑到蒸汽管网风险评估中各因素之间的层次性、关联性，本文基于层次分析-模糊综合评价确定潜在风险类型对失效可能性的影响，进而修订GB/T 26610.4—2022中失效可能性的计算方法，以提高对蒸汽管网风险评估的适用性和准确性。

1 潜在风险类型分析

蒸汽管网运行温度和压力一般为150～300 ℃、0.5～4 MPa，介质为蒸汽，材质一般选用碳钢。蒸汽管网运行过程中潜在风险类型主要有冲刷腐蚀泄漏、水击破坏、车流撞击破坏、管道并行布置、沉井积水、泄漏疏水、定期检验情况等[10-11]，这些潜在风险类型对失效可能性有较大影响，其中冲刷腐蚀的影响已在前述标准GB/T 26610.4—2022中予以考虑。

腐蚀失效分为内部腐蚀和外部腐蚀，由于蒸汽管网介质为蒸汽，腐蚀一般较弱，外部腐蚀主要是架空管道保温层破损脱落导致的大气腐蚀，埋地管道的土壤微生物腐蚀；内部腐蚀主要是蒸汽介质不纯净时，混有CO2、硫化物等酸性气体导致。蒸汽管道中形成的冷凝水会对内壁产生冲刷腐蚀，尤其在弯头、三通和变径处可能导致严重的冲刷腐蚀减薄，造成管道的泄漏。水击破坏是由于输送距离过长或保温效果较差导致蒸汽冷凝，疏水系统没有及时将冷凝水排出，冷凝水在管内不断聚集而水位升高，出现水堵的段塞流状态，产生压差波动而剧烈振动，造成管道、阀门、弯管及补偿器等关键部件气蚀和开裂。撞击破坏方面，蒸汽管网一般会穿越城镇道路、化工园区等，周边通常有大量车流，尤其是化工园区的危化品车，可能对管道撞击并导致严重变形。并行布置方面，在化工园区中，蒸汽管网与易燃易爆、有毒有害的化工管廊并行布置，并行布置的管道一旦出现异常，将对蒸汽管网造成重大影响。泄漏疏水方面，疏水位置处产生高温高压环境，一旦有人员在不知情的情况下进入该区域将发生烫伤。沉井积水方面，沉井布置的管道在积水后埋地管道保温夹层进水，管道失温而形成管内冷凝水，会降低传热效率并加速腐蚀。定期检验情况方面，按照《中华人民共和国特种设备安全法》，高温蒸汽管道作为特种设备应该进行定期检验，但由于供热端的保供压力，一些蒸汽管网不能及时停车检验，因未得到及时检修而存在的风险。

2 蒸汽管网风险评估方法

GB/T 26610.4—2022[5]中对失效可能性按照式（1）计算。

式中：

F——失效可能性；

FG——同类设备平均失效概率；

FE——设备修正系数；

FM——管理系统评价系数；

FL——超标缺陷影响系数。

本文中考虑蒸汽管网潜在风险类型的影响，在失效可能性计算中耦合潜在风险类型影响因子FP，对失效可能性采用式（2）计算。

FP数值采用层次分析-模糊综合评价法确定[9，12]，图1是FP确定的流程图，相关步骤说明如下。

图1 层次分析-模糊综合评价确定潜在风险类型影响因子FP的流程图

1）收集蒸汽管网风险评估基础数据。主要包括设计建造、材质介质、工艺参数、运行维护、检验历史等数据。

2）确定评价因素集合X和评价目标集合Y。其中X为各潜在风险类型的集合，X={水击破坏，车流撞击破坏，管道并行布置，沉井积水，泄漏疏水，定期检验}，评价目标集合Y为潜在风险类型对失效可能性的影响程度，Y={影响小，影响中等，影响较大，影响大}。

3）采用层次分析法确定各因素对评价结果影响的权重。首先构建层次结构模型以及指标层各特征参数对应的区间边界。准则层为影响因素X，目标层为目标集合Y。区间层的边界值可以按照企业实际情况确定，本文中参照所调研企业的情况确定的数值见表1。

表1 各潜在风险类型特征参数及对应的边界区间

进一步构建判断比较矩阵A，aij为矩阵A的元素，表示第i个潜在风险类型相对于第j个潜在风险类型的重要程度。关于aij数值的确定，在层次分析法中一般通过比较各因素之间的重要程度来确定，具有很强的主观性[13]。本文中比较矩阵元素aij的确定，以各潜在风险类型特征参数的具体数值结合表1中的区间等级，采用如下准则确定：区间等级相同的aij数值为1，相差一个区间等级的aij数值为3或1/3，相差2个区间等级的aij数值为5或1/5，相差3个区间等级的aij数值为7或1/7。具体确定准则见表2。

表2 比较判断矩阵中各元素数值的确定准则

4）对构建的比较矩阵进行一致性检验[12]。如果计算的一致性比例小于0.1，则通过一致性检验，否则需要重新构造比较矩阵。对一致性检验通过的比较矩阵，其最大特征值对应的归一化向量C，即为各潜在风险类型对失效可能性影响程度的权重。

5）确定模糊综合评判矩阵R。关于综合评判矩阵对应隶属函数的确定，考虑到各潜在风险类型特征参数与影响程度之间呈正相关或负相关关系，从而采用如下偏大型或偏小型半梯形分布隶属函数[14-15]。其中对特征参数数值越大、失效可能性影响越大的采用偏大型半梯形分布隶属函数，见式（3）。

而对特征参数数值越大、失效可能性影响越小的采用偏小型半梯形分布隶属函数，见式（4）。

式中：

ri1，ri2，ri3，ri4—— 评价因素集合X对评价目标集合Y的隶属度；

x—— 各潜在风险类型特征参数数值；

a，b，c—— 表1中各参数的边界值。

其中对水击破坏，由于难以提取特定的特征参数，研究结果表明，水击失效的影响程度与气液两相的流型密切相关[10]。流型为单相流时，隶属函数值为0；流型为分散流或过渡流时，隶属函数值为0.5；流型为段塞流时，隶属函数值为1。

6）进行模糊综合评判。进一步地对各潜在风险类型进行模糊综合评判，见式（5）。

式中：

CT——各因素影响权重的行向量；

R——模糊关系矩阵；

“。”——模糊关系算子。

“。”的运算规则见式（6）：

式中：

dij——模糊综合评判矩阵的元素；

cij——权重向量的元素；

rij——模糊关系矩阵的元素；

∨——取大运算符；

∧——取小运算符。

根据模糊数学最大隶属原则，最终确定各潜在风险类型对失效可能性的综合影响程度。

7）确定潜在风险类型影响因子FP。考虑到GB/T 26610.4—2022中对失效可能性的分级，相邻等级之间差1个数量级。因此对上述模糊综合评判的结果，在不同的影响程度之间也相差1个数量级。根据模糊综合评判确定的潜在风险类型对失效可能性的影响程度，FP的数值见表3。FP确定后，即按照式（2）计算失效可能性的大小。再以GB/T 26610.5—2022的方法计算失效后果，最终确定蒸汽管网风险大小和风险等级。

表3 潜在风险类型影响程度与潜在风险类型影响因子FP的关系

3 方法的应用及结果分析

现以3个设备为例说明上述潜在风险类型影响因子的计算过程，然后对某热力发电企业蒸汽管网进行风险评估的应用。表4是上述3个设备的潜在风险类型特征参数数值以及按照表1确定的区间等级。

表4 各设备潜在损伤类型特征参数值以及对应的区间等级

对表4中的3个设备的数据，按照表2中比较矩阵元素的确定方法，形成的比较矩阵见式（7）。

求取上述矩阵的特征值，并进行一致性检验，结果见表5。根据层次分析法，均通过一致性检验[12]。

计算上述3个比较矩阵最大特征根对应的归一化向量C1、C2和C3见式（8）。

按照式（3）和式（4）的隶属函数计算的模糊关系矩阵R1、R2和R3见式（9）。

对3个设备进行模糊综合评判的结果分别见式（10）～式（12）。

按照模糊数学最大隶属原则，可知3个设备潜在风险类型对失效可能性的影响程度分别为：影响大、影响较大和影响中等。因此，按照表3确定的潜在风险类型影响因子Fp数值分别为1 000、100和10。

某热力发电企业蒸汽管网共由45条管线构成，总长度为97 km，采用GB/T 26610中方法以及本文提出的方法，对该蒸汽管网进行风险评估，结果分别如图2和图3所示。

图2 采用GB/T 26610方法对某企业蒸汽管网的风险评估结果

图3 采用本文提出的方法对某企业蒸汽管网的风险评估结果

结果显示，采用GB/T 26610方法评估的所有蒸汽管网失效可能性等级都为1级，全部为低风险或中风险，其中18条管道风险评估结果为低风险，27条为中风险。相应地，采用本文提出的方法对该企业蒸汽管网风险评估的结果中，17条是低风险，23条是中风险，新出现了5条中高风险管道。这5条管道由于撞击破坏、沉井积水和并行布置等潜在风险因素的影响，其失效可能性由修正前对应的1级（没有考虑潜在风险类型的影响）升高到了修正后的3级或者4级，从而变为中高风险管道。对此，与风险评估的企业沟通确认，本文提出的方法对应的评估结果更好地反映了蒸汽管网本身的特点，风险评估结果与实际更吻合。

4 结论

本文提出一种基于层次分析-模糊综合评价的风险评估方法，修正当前GB/T 26610.4—2022中失效可能性评估方法，以适用蒸汽管网风险评估。其中层次分析法中比较矩阵元素按照潜在损伤类型特征参数对应的区间确定，避免了传统层次分析法中比较矩阵元素确定时的主观随机性。对某企业蒸汽管网风险评估结果表明，修正前的方法计算结果更保守，风险结果等级更低。本文提出的方法对应的评估结果更好地反映了蒸汽管网本身的特点，风险评估结果与实际更吻合，提高了供热蒸汽管网风险评估的准确度与管理效率。