基于AHP-熵权法的液氨储罐安全评价＊

聂钰明 李屹东 刘群芳 何琦 温小飞

（1.浙江海洋大学船舶与海运学院，浙江舟山 316022；2.舟山市特种设备检测研究院，浙江舟山 316021；3.浙江国际海运职业技术学院，浙江舟山 316021）

0 引言

氨是一种具有良好的热力学性质的自然制冷工质，因而被广范应用于化工行业。氨制冷系统具有较强的制冷效果，但同时也存在着一定的安全隐患，如易燃易爆等特点，一旦发生事故，极易造成人员伤亡和财产损失［1］。由于液氨特殊的物理化学性质，国内外发生了多起安全事故。据不完全统计［2-3］，截至2021 年底，我国化工系统发生了约60 起重大泄漏事故。其中，吉林省某公司发生的液氨泄漏爆炸事故，造成121 人死亡、76 人受伤，经济损失严重。因此，液氨的储存及设备的安全使用不容忽视。在生产过程中，应采取各种安全有效的措施，避免发生事故，保障人民生命财产安全。

目前氨制冷系统的安全评价体系尚未完善，现有的评价方法大多以管路为检测对象，缺乏对液氨储罐自身的安全评价分析。对此，加强液氨储罐安全研究，对液氨储罐进行合理的安全评价是非常有必要的［4］。国内外安全评价方法种类繁多，目前对储罐的安全评价主要包括安全检查表法、DOW、FTA、蒙德法、模糊综合评价法、AHP、熵权法等［5］，但采用单一方法均存在局限性，因此本文采用AHP-熵权法相结合的方法确定各因素权重，构建模糊综合评价模型，对液氨储罐安全等级进行评价。

1 评价体系

以某大型冷库液氨储罐为例，运用改进AHP-熵权法，开展液氨储罐安全等级评价，因工程项目特殊性，忽略管理、环境、人员等其他因素影响，只考虑液氨储罐设备本身的特性，建立液氨储罐安全评价指标体系如表1 所示。

表1 某大型冷库液氨储罐安全评价指标体系

该评价体系以液氨储罐安全评价指标体系为目标层A，准则层包括罐体腐蚀因素B1和罐体焊接质量B2。

罐体腐蚀因素B1可分解为材料抗腐蚀性能C1、残余应力C2、应力集中C3、外部涂层变薄C4、涂层脱落C5、涂层老化C6、涂层粘结力C7。罐体焊接质量B2可分解为焊接未焊透C8、焊接未熔合C9、焊缝夹杂C10、焊缝有气孔C11。

2 评价方法

2.1 层次分析法

层次分析法在进行指标重要性比较时采用1—9 标度构造判断矩阵，但以此构建的判断矩阵容易受到评价者主观因素的影响，不能反映人们评价思维的模糊性，若缺乏经验或判断错误将造成决策的偏差，即评价结果知与客观事实存在较大差异。评价者需要对决策问题的本质、元素组成及其联系等深入了解。针对上述不足，本文采用一种修改标度值的改进AHP 构建评价指标体系，如表2 所示，该方法梯度下降更容易接受，不仅保留了层次分析法的优点，还可以减少主观偏差。

表2 改进AHP 标度对比

AHP 一般按照4 个步骤计算评价指标权重［6-7］。

（1）建立层次结构模型。通过分析研究对象，根据各影响因素的属性及分类建立指标的层次关系。

（2）构造判断矩阵A=（aij）n×n。根据标度方法由aij构造判断矩阵A：

式中，ai表示元素ai和aj两两比较所得评价值，有以下性质：

（3）计算重要性排序。根据判断矩阵A计算其最大特征根max所对应的特征向量，具体方法如下：

（4）一致性检验。计算一致性指标CI：

通过检验一致性比率来检验一致性，具体计算方法如下：

式中，CR为一致性比率，若CR值小于0.1，则认为结果可靠；RI为平均一致性指标，具体值见表3。

表3 一致性指标

2.2 熵权法

熵权法是一种用于对象、多指标的综合评价方法，其优点之处在于它几乎不受主观因素的影响，且能获得较好的客观指标权重［8］。为避免主观因素的影响，考虑利用熵权法确定评价对象的客观权重。具体步骤如下：

（1）原始数据的标准化处理。m个评价指标、n个评价对象构成的初始数据矩阵为：

首先对矩阵X标准化处理，标准化后的矩阵为：

式中，yij表示第j个评价对象在第i个评价指标上的标准值。指标评价：评价指标可分为正向指标yij和逆向指标y'ij。

正向指标：

逆向指标：

（2）熵与熵权的定义。在含m个评价指标、n个评价对象的评价问题中，第i个指标的熵定义为：

在（n，m）评价问题中，第i个指标的熵权定义为：

（3）综合权重的计算。对上述改进AHP 所得的主观权重与熵权法得到的客观权重进行耦合，计算公式如下：

式中，由专家进行赋值，取=0.55。

3 算例分析

现以某企业大型冷库氨制冷系统为例，选取容积为8.18 m3、净重3 070 kg、主体材料为Q245R 的液氨储罐为评价对象。该罐体实物如图1 所示，液氨储罐资料显示，该罐已超出使用年限，已报废停止使用。采用上文所建立的评价指标体系，运用AHP-熵权法对该液氨储罐安全等级进行评价。

图1 液氨储罐设备

3.1 权重计算

基于上文所提出的改进标度AHP，将准则层和指标层两两因素进行比较，构造出各层对应的判断矩阵。根据AHP 的求解机理，结合式（3）—式（5），采用Matlab 编写程序可计算出层次单排序权重及一致性比率（CR）检验结果，计算结果如表4—表6所示。 结果表明，CR的值均小于0.1，一致性检验满足要求。

表4 准则层判断矩阵

表5 罐体腐蚀判断矩阵

表6 焊接质量判断矩阵

基于各评审专家的打分，根据AHP-熵权法计算综合权重，由式（8）计算各评价指标的综合权重，见表7。

表7 各评价指标权重

3.2 安全评价

（1）建立评语集。设U={u1，u2，…，um}被评价对象的m个影响因素，V={v1，v2，…，vn}为被评价对象的安全等级。根据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》［9］相关规定，将储罐安全等级划分为很安全、较安全、一般安全，较不安全，不安全，即Ⅰ—Ⅴ这5个等级，V={很安全，较安全，一般安全，较不安全，不安全}。表8 是经过统计处理后得到的隶属度。

表8 液氨储罐评价指标隶属度

（2）准则层各因素模糊综合评价。由表6 确定各因素权重集W1和W2，根据表7 确定其罐体腐蚀因素模糊评价矩阵R1，焊接质量因素模糊评价矩阵R2。

依照模糊算子运算可得罐体腐蚀及焊接质量模糊综合评价：

（3）液氨储罐安全等级模糊综合评价。由准则层因素评价结果可得液氨储罐安全等级模糊综合评价矩阵：

可得液氨储罐安全等级模糊综合评价：

对液氨储罐安全评价的5 个等级的隶属度依次为0、0.188 1、0.193 4、0.245 5、0.374 1。

3.3 结果分析与建议

通过上述计算，根据模糊综合评价和最大隶属度原则，该液氨储罐的安全等级为Ⅴ级，即不安全，与实际情况相符。可以看出评价指标体系中11 个因素对液氨储罐安全性的影响程度大小，各评价指标权重分布如表9，可以直观地看出，对液氨储罐安全性影响较大的指标分别为罐体的主体材料抗腐蚀性能以及焊接工艺中是否焊透熔合。

表9 氨储罐评价指标权重分布

综上计算与分析，液氨储罐的安全等级在运行过程中受到多种因素的影响，针对液氨储罐的安全管理提出以下建议：

（1）在制造液氨储罐前须根据设计参数、运行工况选取合适的钢材材质。

（2）焊接拼接罐体过程中须按规定的程序进行，确保焊接材料无缝焊透熔合。

（3）定期进行安全检查与维护，防止涂层腐蚀或脱落，从而延长储罐使用寿命。

4 结论

本文提出了一种基于改进AHP-熵权法相结合的液氨储罐安全评价方法，运用模糊综合评价方法对液氨储罐的安全等级进行评价，既弥补了单一方法缺乏可靠性的缺点，又增强了层次结构模型的针对性。AHP-熵权法得到的综合权重作为判别依据可更直观地反映评价指标重要程度的概念，对研究液氨储罐的安全评价具有一定的工程参考价值。该评价方法对于辅助主观评价结果的综合分析具有一定优势，同样适用于分析复杂、多维度的安全评价体系。本文所述的液氨储罐安全评价方法适用范围广，有较强的可操作性和实用性，也可以应用于评价其他模块，如氨制冷系统压力管道检验。