基于多级模糊综合评价的输气站阀门失效风险分析

马玉宝，覃新容，韦书龙，杨 珂

中国石油西南管道南宁输油气分公司 （广西 南宁 530000）

阀门是输气站场最常用的装备之一，担负着截断、截流、调压、排污、放空等作用。实际应用中，会出现阀门卡死、泄漏、内漏等事件从而导致阀门失效，影响安全生产运行。据某输油气管道公司缺陷隐患台帐显示，2017年该公司所辖输气站累计发生阀门失效事件29起，其中阀门内漏16次，阀门外漏7次，传动装置损坏3次，误操作3次，严重影响安全生产运行。综合分析阀门失效因素，找出阀门主要失效模式和失效机理，有针对性地制定风险消减措施，可大大降低阀门失效概率，提高阀门可靠性，保障安全生产运行[1-2]。目前，已有学者做过阀门维修策略方面的研究[3-6]。

故障树法是一种简明、直观、灵活的可靠性分析方法[7-8]，常用于风险定量分析。模糊综合评价法是以模糊数学为基础，基于评价因素模糊合成机理，依据各个风险评价因素对被评价对象的隶属度，将模糊因素定量化，进而综合评价的方法[9-10]。层次分析法是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法[11]。通常将3种方法中的2种或3种结合使用，可使风险分析更符合实际[12-14]，但将这3种方法相结合应用于输气站阀门风险分析的案例较少。

以阀门失效为顶事件建立故障树，采用模糊综合评价法从故障树基本事件开始，逐级向上进行多级模糊综合评价，全方位考虑引起阀门失效的基本因素。在确定各因素权重时，采用层次分析法，使其更符合客观实际，提高了模糊综合评价结果的准确性。

1 建立故障树

综合分析阀门失效因素，以阀门失效作为顶事件，阀门卡死、阀门泄漏、阀门内漏为次顶事件建立故障树，分析可能引起阀门失效的因素作为构成故障树的基本事件，分析中间事件和基本事件的关系，运用逻辑与门和或门的关系符号将各类事件连接起来，形成阀门失效故障树分析图，如图1所示。阀门失效事件符号说明见表1。

图1 阀门失效故障树

表1 阀门失效事件符号说明

2 多级模糊综合评价模型

2.1 确定因素集

分析阀门失效故障树，以可能导致顶事件发生的基本事件为元素建立模糊综合评价的因素集合U={u1，u2，u3，u4，…，un}，其中，un代表影响被评价对象的因素。

2.2 建立备择集

备择集表示风险分析者对阀门失效风险的评价标语的集合，可根据具体评价对象而定。风险程度等级划分越细，则评价的结果越稳定，相应计算量就越大。综合考虑，将阀门失效风险程度分为5个等级，用集合V=[v1，v2，v3，v4，v5]表示，并且赋值为V=[1，2，3，4，5]。分值越大，则表示发生可能性越大。每一个等级可对应一个模糊子集[15]。阀门失效风险分值与失效等级对应关系见表2。

表2 阀门失效风险等级划分表

2.3 确定评价因素权重

层次分析法应用于确定模糊综合评价中因素权重，可使评价结果更加合理[16-17]。利用“9度法”分别将U中的任意两个因素进行对比，建立因素集U的成对因素判断表。用uij表示ui相对于uj的重要程度的标度，用数字1至9来代替，条件需满足uij＞0，uij=1/uji。采用层次分析中的特征根法求取评价因素的相对权重，计算权重向量的近似值，并进行归一化，得到评价因素的权重向量。对成对判断矩阵作一致性检验，检查公式为：

其中：C1为判断矩阵一致性指标；R1为判断矩阵的平均随机一致性指标。由大量实验得出，取值由矩阵的阶数n决定，见表3。当一致性检验判别式CR小于0.1，则认为成对判断矩阵通过一致性检验，否则，需要对判断矩阵作适当调整[18-19]。

表3 平均随机一致性指标值

2.4 建立单因素模糊评价矩阵和模糊综合评价集

成立阀门失效评价小组，从因素集U中的任一个因素ui开始，以评价小组每位成员赞同ui的评价比重作为因素ui相对于备择集V的隶属度[20]。因素集U中每一个因素相对于备择集V的隶属度，以各因素的隶属度评价集为行，即可形成单因素模糊评价矩阵A。

结合单因素模糊评价矩阵A和各因素权重向量W，利用加权平均模型M(·,+)，求取评价指标的模糊综合评价集B=WA=（b1,b2,b3…bi）。

2.5 阀门失效风险分析

若评价指标为中间事件，以同级评价指标的模糊综合评价集B为行，可构成上一级评价指标的模糊综合评价矩阵。继续重复上述步聚，直至求出顶事件的模糊综合评价向量，并进行归一化。采用加权平均的方法，即可得出顶事件的风险值。

3 实例应用

实际应用中，因驱动装置损坏等原因导致阀门卡死失效事件较为常见，因此以阀门失效故障树中阀门故障M5为例具体说明基于层次分析法和多级模糊综合评价的阀门风险分析。从故障树分析图可知，因素集U包含了X3～X5三个因素。

3.1 确定评价因素权重

采用“9度法”将X3～X5三个因素建立成对判断矩阵，见表4。

表4 阀门故障因素成对判断表

采用特征根法求出各因素的权重W。利用数学软件计算判断矩阵的最大特征根得3.018 3，一致性指标C1为0.009 2，经查表3得平均随机一致性指标R1为0.58，一致性检验判别式CR为0.015 8。由于CR小于0.1，一致性检验通过，即认为判定权系数分配合理。评价对象阀门故障M5的权重集，经归一化后可得W1=(0.136 5,0.238 5,0.625 0)。

3.2 建立单因素模糊评价矩阵和模糊综合评价集

由20名经验丰富的设备管理人员组成评价小组，分别对X3～X5三个因素的风险等级进行判定，求出各因素相对于评价集的隶属度，建立单因素模糊评价矩阵。

由单因素模糊评价矩阵A1和各因素权重向量Wi求取评价对象阀门故障的综合评价集。

3.3 阀门失效风险分析

重复评价对象阀门故障的综合评价集B1的确定过程可得出评价对象误操作的综合评价集B2。

对误操作和阀门故障建立成对判断矩阵，见表5，采用层次分析法求出归一化后的权重向量W2。

W2=（0.166 7，0.833 3）

表5 阀门卡死因素成对判断表

以B1和B2为行，得到评价对象阀门卡死的模糊评价矩阵，进而求得M1的综合评价集B3。

重复上述程序，可依次得到阀门泄漏M2和阀门内漏M3的综合评价集。以每个综合评价集为行，得到顶事件阀门失效T的综合评价矩阵A0。

将M1～M3建立成对判断表，见表6。采用层次分析法求得三个因素的归一化权重向量W0，W0=(0.660 8,0.131 1,0.208 1)。

表6 阀门失效因素成对判断表

最终得出归一化的管道失效的模糊综合评价集B0。

采用加权平均算法得出阀门失效风险的整体评分V。

由表2可知阀门失效可能性介于较小和中等之间。结合评价过程和评价结果，应重点从制定阀门周期性维护保养计划并按期执行以及制定操作规程防止误操作等方面，制定风险消减措施。

4 结束语

在建立以输气站阀门失效为顶事件的故障树模型的基础上，利用多级模糊综合评价法对阀门进行失效风险分析，阀门失效风险整体评分值为2.912 7，失效可能性介于较小和中等之间，符合实际管理现状，验证了该评价方法的可行性和有效性。结合评价过程和评价结果，从制定并严格落实阀门周期性维护保养计划、制定操作规程、加强监护防止误操作等方面制定风险消减措施。通过对阀门失效风险分析，有针对性地制定风险控制措施，可有效提高阀门的可靠性，延长阀门使用寿命。