本發(fā)明涉及一種換熱器風險評估的方法。特別是涉及一種基于對影響換熱器基本事件制定打分規(guī)則，量化評價指標的應用模糊綜合評價法對換熱器進行風險評估的方法。

背景技術：

換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的設備之一，不僅作為保證特定工藝流程正常運轉而廣泛使用的設備，也是開發(fā)和利用工業(yè)二次能源，實現(xiàn)余熱回收的重要設備。目前，國內對換熱器監(jiān)測采用的方法很多，但大多都不是太完善，如傳熱效率是通過介質的溫差來人工判斷，腐蝕情況主要是通過待換熱器設備出現(xiàn)嚴重泄漏后對其介質產(chǎn)生了明顯的影響才發(fā)現(xiàn)，而這將可能導致大面積介質污染。國內有許多單位仍采用人工手動控制和故障檢查，操作人員必須每隔1-2個小時到現(xiàn)場手動調節(jié)各個控制閥口，監(jiān)測換熱器正常運行，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，對指導生產(chǎn)操作達不到快速響應的水平。處于高溫、高濕、有毒等環(huán)境下的換熱器，工作人員往往難以進行人為手動檢查，而對于換熱器最易出現(xiàn)的腐蝕部位，如換熱管、管板、換熱管與管板連接處、U型管彎管處，更是難以用肉眼判斷出來，往往只有發(fā)生重大問題了才能為工作人員所發(fā)現(xiàn)。使用風險評估方法對換熱器進行綜合評價可以使換熱器由事后維修向預防維修轉變，但目前硬件性的換熱器風險評估方法和檢驗檢測手段針對殼體的比較成熟，針對換熱器管束的評價不夠全面。

從系統(tǒng)工程的角度，可以將影響換熱器(主要針對管束)運行的各個影響因素如投用時間、換熱管數(shù)量(根數(shù))、結垢狀況、腐蝕狀況、腐蝕性等級、開裂敏感性、歷史泄漏次數(shù)等作為評價指標，從而采用模糊評價法對換熱器風險進行評估，給出定性的評價結果并進行風險排序。但是，現(xiàn)有的技術中尚無相關描述。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種能夠給出定性的評價結果并進行風險排序，建立換熱器檢維修關注度矩陣的應用模糊綜合評價法對換熱器進行風險評估的方法。

本發(fā)明所采用的技術方案是：一種應用模糊綜合評價法對換熱器進行風險評估的方法，包括如下步驟：

1)確定評價對象，將換熱器評價對象分為失效可能性和失效后果，根據(jù)評價對象建立評價因素；

2)由專家對各基本事件根據(jù)制定的打分規(guī)則進行打分，得到引起換熱器失效可能性的基本事件因素集和造成失效后果的基本事件因素集，通過matlab仿真軟件建立綜合評判矩陣R；

3)建立換熱器風險模糊綜合評價的評價集，得到綜合評價結果向量，分別確定換熱器失效可能性和失效后果的等級；

4)根據(jù)步驟3)中計算出的引起換熱器失效可能性的等級和造成失效后果件的等級，確定各換熱器的風險等級；

5)建立換熱器檢維修關注度矩陣圖。

步驟1)所述的評價因素包括有，引起換熱器失效可能性的基本事件為：投用時間、換熱管數(shù)量(根數(shù))、結垢狀況、腐蝕狀況、腐蝕性等級、開裂敏感性、歷史泄漏次數(shù)；造成失效后果嚴重程度的基本事件為：設備對裝置的關鍵程度、失效后果影響程度、檢修難易程度及檢修時間。

步驟2)包括：

(1)將引起換熱器失效可能性的7個基本事件和造成失效后果的3個基本事件分別各劃分為5個等級，分別用1、2、3、4、5級來表示，其中安全級別從1到5依次降低，等級規(guī)則的確定，是由專家對各基本事件，通過查閱相關資料，采納專業(yè)人士和工程師的意見確定的5個等級；

(2)將引起換熱器失效可能性的每個基本事件用X_i表示，其中i＝1、2…7；將造成失效后果的每個基本事件用Y_i表示，其中i＝1、2、3；

(3)采用柯西分布作為5個等級的隸屬度函數(shù)進行分析；

當a＝0時，隸屬度函數(shù)為即是1級的隸屬度函數(shù)；

當a＝1時，隸屬度函數(shù)為即是2級的隸屬度函數(shù)；

當a＝2時，隸屬度函數(shù)為即是3級的隸屬度函數(shù)；

當a＝3時，隸屬度函數(shù)為即是4級的隸屬度函數(shù)；

當a＝4時，隸屬度函數(shù)為即是5級的隸屬度函數(shù)；

以柯西分布為隸屬度函數(shù)，確定模糊評價并進行歸一化處理后得到的隸屬度矩陣R_i為：

不同基本事件對應的隸屬度矩陣不同，但如果任意兩個基本事件影響決策對象取值的趨勢一致時，即引起換熱器失效可能性的7個基本事件都是從1到5分級且都是可靠性逐漸降低時，則相應的等級評判矩陣取成相同，這時隸屬度矩陣就是綜合評判矩陣R

即R_i＝R其中i＝1,2,3,4,5,6,7。

步驟3)包括：

(1)分別將引起換熱器失效可能性的7個基本事件和造成失效后果的3個基本事件的5個等級進行模糊化處理，剔除人為打分過程中的主觀因素，應用加權平均M(·,⊕)模糊合成算子將C_m與綜合評判矩陣R組合，獲得B_m＝C_m·R(m＝1,2,…,5)，C_m為綜合評判矩陣R的第m行元素，得出引起換熱器失效可能性和造成失效后果的各基本事件的1-5等級的模糊綜合評價集：記為B₁,B₂,…B₅，其中，所述的B₁,B₂,…B₅對應于所述的1-5等級，

B₁：{0.3602 0.2905 0.1763 0.1067 0.0664}

B₂：{0.2348 0.3027 0.2321 0.1443 0.0862}

B₃：{0.1365 0.2224 0.2821 0.2224 0.1365}

B₄：{0.0862 0.1443 0.2321 0.3027 0.2348}

B₅：{0.0664 0.1067 0.1763 0.2905 0.3602}；

(2)采用層次分析法確定引起換熱器失效可能性的7個基本事件的權重系數(shù)S和造成失效后果的3個基本事件權重系數(shù)H，其中：

(3)利用加權平均M(·,⊕)模糊合成算子將引起換熱器失效可能性的7個基本事件的權重系數(shù)S與7個基本事件X組合得到失效可能性模糊綜合評價結果向量E＝S^T·X^T，其中每個基本事件X＝[X₁,X₂,X₃,X₄,X₅,X₆,X₇]是對應1-5等級的模糊綜合評價集B₁,B₂,…B₅；同理得到造成失效后果的模糊綜合評價結果向量K＝H^T·Y^T，其中造成失效后果的每個基本事件Y＝[Y₁,Y₂,Y₃]取值對應1-5等級的模糊綜合評價集B₁,B₂,…B₅。

步驟5)包括：根據(jù)步驟3)中的失效可能性模糊綜合評價結果向量E＝S^T·X^T得到失效可能性結果等級，以及專家對引起換熱器失效后果的第3個基本事件即檢修難易程度及時間Y₃的打分，進行換熱器檢維修關注度(ATTENTION)評價：

ATTENTION＝LOF×MAR，其中換熱器的失效可能性(likelihood of failure)和檢修難易程度(maintenance and repair，MAR)分別被劃分為5個等級，采用5×5關注度矩陣圖表示換熱器的檢維修關注程度。

所述的5×5關注度矩陣圖依據(jù)API581繪制，將換熱器分為高關注度，中高關注度，中關注度和低關注度。

本發(fā)明的一種應用模糊綜合評價法對換熱器進行風險評估的方法，經(jīng)過在實際的換熱器系統(tǒng)管理中的應用表明，設計合理，實用性強，為換熱器系統(tǒng)管理提供了很好的方法和手段。通過對換熱器進行風險評價方法，可對換熱器設備檢修與維護提供參考，同時為換熱器的改造與設計提供借鑒思想。本發(fā)明的顯著優(yōu)點有：

(1)本發(fā)明的方法同時將引起換熱器失效可能性和失效后果的10個基本事件作為換熱器風險評價的指標因素，同時利用大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合理論研究，對各基本事件制定了打分規(guī)則，確保評價的全面性和準確性；

(2)針對換熱器最易出現(xiàn)的腐蝕部位，如換熱管、管板、換熱管與管板連接處、U型管彎管處進行風險評價，定性給出評價結果并對風險進行排序；

(3)建立換熱器檢維修關注度矩陣，將換熱器分為高關注度，中高關注度，中關注度和低關注度，對換熱器進行不同程度的關注，節(jié)約了人力資源和檢修成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種應用模糊綜合評價法對換熱器進行風險評估的方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明建立的失效后果等級的5×5關注度矩陣圖；

圖3是本發(fā)明建立的檢修難易程度等級的5×5關注度矩陣圖。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發(fā)明的一種應用模糊綜合評價法對換熱器進行風險評估的方法做出詳細說明。

本發(fā)明是根據(jù)煉化企業(yè)換熱器管理實際，利用大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合理論研究，針對影響換熱器的各因素制定了打分規(guī)則，利用模糊綜合評價法對換熱器(主要針對管束)進行風險評估，給出定性的評價結果并進行風險排序；建立換熱器檢維修關注度矩陣，將換熱器分為高關注度，中高關注度，中關注度和低關注度，對換熱器進行不同程度的關注，節(jié)約了人力資源和檢修成本。經(jīng)過在實際生產(chǎn)中的應用，表明該方法設計合理、可操作性強，為換熱器風險評估提供了很好的方法和手段。

如圖1所示，本發(fā)明的一種應用模糊綜合評價法對換熱器進行風險評估的方法，包括如下步驟：

1)確定評價對象，將換熱器評價對象分為失效可能性和失效后果，根據(jù)評價對象建立評價因素；所述的評價因素包括有，引起換熱器失效可能性的基本事件為：投用時間、換熱管數(shù)量(根數(shù))、結垢狀況、腐蝕狀況、腐蝕性等級、開裂敏感性、歷史泄漏次數(shù)；造成失效后果嚴重程度的基本事件為：設備對裝置的關鍵程度、失效后果影響程度、檢修難易程度及檢修時間。如表1所示。

表1換熱器風險評價體系框架

2)由專家對各基本事件根據(jù)制定的打分規(guī)則進行打分，得到引起換熱器失效可能性的基本事件因素集和造成失效后果的基本事件因素集，通過matlab仿真軟件建立綜合評判矩陣R；包括：

(1)將引起換熱器失效可能性的7個基本事件和造成失效后果的3個基本事件分別各劃分為5個等級，分別用1、2、3、4、5級來表示，其中安全級別從1到5依次降低，等級規(guī)則的確定，是由專家對各基本事件，通過查閱相關資料，采納專業(yè)人士和工程師的意見確定的5個等級；

(2)將引起換熱器失效可能性的每個基本事件用X_i表示，其中i＝1、2…7，這里i取的是7，代表第7個基本事件，如X₁＝3就代表失效可能性中第一個基本事件打分為3級；同理將造成失效后果的每個基本事件用Y_i表示，其中i＝1、2、3，這里i取的是3，代表第3個基本事件，如Y₁＝5就代表失效后果第一個基本事件打分為5級；等級確定如表2和表3。

表2失效可能性基本事件等級劃分規(guī)則

表3失效后果基本事件等級劃分規(guī)則

(3)采用柯西分布作為5個等級的隸屬度函數(shù)進行分析；

當a＝0時，隸屬度函數(shù)為即是1級的隸屬度函數(shù)；

當a＝1時，隸屬度函數(shù)為即是2級的隸屬度函數(shù)；

當a＝2時，隸屬度函數(shù)為即是3級的隸屬度函數(shù)；

當a＝3時，隸屬度函數(shù)為即是4級的隸屬度函數(shù)；

當a＝4時，隸屬度函數(shù)為即是5級的隸屬度函數(shù)；

以柯西分布為隸屬度函數(shù)，確定模糊評價并進行歸一化處理后得到的隸屬度矩陣R_i為：

一般情況，不同基本事件對應的隸屬度矩陣不同，但如果任意兩個基本事件影響決策對象取值的趨勢一致時，即引起換熱器失效可能性的7個基本事件都是從1到5分級且都是可靠性逐漸降低時，則相應的等級評判矩陣取成相同，這時隸屬度矩陣就是綜合評判矩陣R

即R_i＝R(i＝1,2,3,4,5,6,7)。

3)建立換熱器風險模糊綜合評價的評價集，得到綜合評價結果向量，分別確定換熱器失效可能性和失效后果的等級；包括：

(1)分別將引起換熱器失效可能性的7個基本事件和造成失效后果的3個基本事件的5個等級進行模糊化處理，剔除人為打分過程中的主觀因素，應用加權平均M(·,⊕)模糊合成算子將C_m與綜合評判矩陣R組合，獲得B_m＝C_m·R(m＝1,2,…,5)，C_m為綜合評判矩陣R的第m行元素，得出引起換熱器失效可能性和造成失效后果的各基本事件的1-5等級的模糊綜合評價集：記為B₁,B₂,…B₅，其中，所述的B₁,B₂,…B₅對應于所述的1-5等級，

B₁：{0.3602 0.2905 0.1763 0.1067 0.0664}

B₂：{0.2348 0.3027 0.2321 0.1443 0.0862}

B₃：{0.1365 0.2224 0.2821 0.2224 0.1365}

B₄：{0.0862 0.1443 0.2321 0.3027 0.2348}

B₅：{0.0664 0.1067 0.1763 0.2905 0.3602}；

(2)采用層次分析法確定引起換熱器失效可能性的7個基本事件的權重系數(shù)S和造成失效后果的3個基本事件權重系數(shù)H；

(3)利用加權平均M(·,⊕)模糊合成算子將引起換熱器失效可能性的7個基本事件的權重系數(shù)S與7個基本事件X組合得到失效可能性模糊綜合評價結果向量E＝S^T·X^T，其中每個基本事件X＝[X₁,X₂,X₃,X₄,X₅,X₆,X₇]是對應1-5等級的模糊綜合評價集B₁,B₂,…B₅，如第一個基本事件專家打三分，則X₁＝B₃；同理得到造成失效后果的模糊綜合評價結果向量K＝H^T·Y^T，其中造成失效后果的每個基本事件Y＝[Y₁,Y₂,Y₃]取值對應1-5等級的模糊綜合評價集B₁,B₂,…B₅。

4)根據(jù)步驟3)中計算出的引起換熱器失效可能性的等級和造成失效后果件的等級，確定各換熱器的風險等級；

5)建立換熱器檢維修關注度矩陣圖；包括：根據(jù)步驟3)中的失效可能性模糊綜合評價結果向量E＝S^T·X^T得到失效可能性結果等級，以及專家對引起換熱器失效后果的第3個基本事件即檢修難易程度及時間Y₃的打分，進行換熱器檢維修關注度(ATTENTION)評價：

ATTENTION＝LOF×MAR，其中換熱器的失效可能性(likelihood of failure)和檢修難易程度(maintenance and repair，MAR)分別被劃分為5個等級，采用5×5關注度矩陣圖表示換熱器的檢維修關注程度。5×5關注度矩陣圖依據(jù)API581繪制，將換熱器分為高關注度，中高關注度，中關注度和低關注度。

下面給出本發(fā)明一種應用模糊綜合評價法對換熱器進行風險評估的方法的具體實例：

結合圖1以某石油化工企業(yè)其中一臺換熱器E-101A為例。

(1)換熱器失效可能性分析

確定引起E-101A換熱器失效可能性的基本事件：投用時間、換熱管數(shù)量(根數(shù))、結垢狀況、腐蝕狀況、腐蝕性等級、開裂敏感性、歷史泄漏次數(shù)。

應用層析分析法得到失效可能性基本事件的權重。

經(jīng)過一致性檢驗后，可得到引起換熱器失效可能性的7個基本事件(投用時間、換熱管數(shù)量(根數(shù))、結垢狀況、腐蝕狀況、腐蝕性等級、開裂敏感性、歷史泄漏次數(shù))的權重系數(shù)S：

根據(jù)模糊評價的定義，對每個失效可能性基本事件進行等級劃分。失效可能性基本事件共7個，通過查閱相關資料，采納專業(yè)人士和工程師的意見，將每個基本事件劃分為5個等級，分別用1、2、3、4、5級來表示，其中從1到5安全級別依次降低。各失效可能性基本事件的等級劃分情況，見表2。

根據(jù)換熱器E-101A臺賬和表2的等級劃分標準，換熱器E-101A失效可能性基本事件的具體級別如下所示：

以柯西分布為隸屬度函數(shù)，進行一級模糊評價時的隸屬度矩陣R_i為：

一般情況，不同基本事件對應的隸屬度矩陣不同，但如果兩個基本事件影響決策對象取值的趨勢一致時，即兩個基本事件的等級同序時(7個因素都是從1到5分級且都是可靠性逐漸降低)，則相應的等級評判矩陣可取成相同，

即R_i＝R(i＝1,2,3,4,5,6,7)。

模糊綜合評價級為：

B_m＝C_m·R(m＝1,2,…,5)，C_m為R的第m行元素。因此，由失效可能性基本事件的劃分等級，可以得出1-5級的模糊綜合評價集：

B₁：{0.3602 0.2905 0.1763 0.1067 0.0664}

B₂：{0.2348 0.3027 0.2321 0.1443 0.0862}

B₃：{0.1365 0.2224 0.2821 0.2224 0.1365}

B₄：{0.0862 0.1443 0.2321 0.3027 0.2348}

B₅：{0.0664 0.1067 0.1763 0.2905 0.3602}

以換熱器E-101A為例，該換熱器投用時間被定為3級、換熱管數(shù)量(根數(shù))被定為5級、結垢狀況被定為1級、腐蝕狀況被定為1級、腐蝕性等級被定為1級、開裂敏感性被定為2、歷史泄漏次數(shù)被定為1級，則有：

X₁＝B₃＝{0.1365 0.2224 0.2821 0.2224 0.1365}

X₂＝B₅＝{0.0664 0.1067 0.1763 0.2905 0.3602}

X₃＝B₁＝{0.3602 0.2905 0.1763 0.1067 0.0664}

X₄＝B₁＝{0.3602 0.2905 0.1763 0.1067 0.0664}

X₅＝B₁＝{0.3602 0.2905 0.1763 0.1067 0.0664}

X₆＝B₂＝{0.2348 0.3027 0.2321 0.1443 0.0862}

X₇＝B₁＝{0.3602 0.2905 0.1763 0.1067 0.0664}

失效可能性模糊綜合評價集為：

E＝S^T·X^T

針對換熱器E-101A可獲得模糊綜合評價結果:

E＝{0.4305 0.3011 0.1434 0.0728 0.0512}

按照最大隸屬度原則，5個隸屬度中的最大值0.4305，對應的失效等級為1級，因而確定該換熱器的失效可能性低。

(2)換熱器失效后果分析

確定換熱器失效后果的嚴重程度是對其進行完整的風險評價比不可少的一個環(huán)節(jié)。換熱器失效后果的嚴重程度受到多種因素的影響，影響因素的全面性是分析結果高可信度的充分條件。通過查閱相關資料并綜合專家意見，將影響換熱器失效后果嚴重程度的因素確定為：設備對裝置的關鍵程度、失效后果影響程度、檢修難易程度及時間。

應用層析分析法得到失效后果因素權重。參照換熱器失效可能性中層次分析法計算步驟，可得到造成失效后果的3個基本事件的權重系數(shù)H：

失效后果嚴重程度的三個因素進行等級劃分，每個因素分為5個等級，其中1到5級的安全性級別依次降低，見表3。由于各因素及其所處狀態(tài)的模糊性，較難劃分出因素的具體級別，因此，可將各因素看成是等級集上的模糊子集，各因素的每一等級對該因素的隸屬度同樣依據(jù)柯西產(chǎn)生。根據(jù)換熱器E-101A臺賬和表3的等級劃分標準，換熱器E-101A失效后果基本事件的具體級別如下所示：

參照換熱器失效可能性中確定模糊評判矩陣計算步驟，進行換熱器失效后果因素模糊評價時隸屬度矩陣R_i為：

參照換熱器失效可能性基本事件模糊綜合評價集計算步驟，可以得出換熱器失效后果因素1-5級的模糊綜合評價集：

B₁：{0.3602 0.2905 0.1763 0.1067 0.0664}

B₂：{0.2348 0.3027 0.2321 0.1443 0.0862}

B₃：{0.1365 0.2224 0.2821 0.2224 0.1365}

B₄：{0.0862 0.1443 0.2321 0.3027 0.2348}

B₅：{0.0664 0.1067 0.1763 0.2905 0.3602}

同樣以換熱器E-101A為例，該換熱器“設備對裝置的關鍵程度”因素被評為3級，“失效后果影響程度”因素被評為4級，“檢修難易程度及時間”因素被評為2級。則有：

Y₁＝B₃＝{0.1365 0.2224 0.2821 0.2224 0.1365}

Y₂＝B₄＝{0.0862 0.1443 0.2321 0.3027 0.2348}

Y₃＝B₂＝{0.2348 0.3027 0.2321 0.1443 0.0862}

失效后果模糊綜合評價集為：

K＝H^T·Y^T

針對換熱器E-101A可獲得模糊綜合評價結果:

K＝{0.1237 0.1924 0.2487 0.2539 0.1814}，

按照最大隸屬度原則，5個隸屬度中的最大值0.2539，對應的失效等級為4級，因而確定該換熱器的失效后果較嚴重。

(3)換熱器的風險(RISK)評價

在完成失效可能性(likelihood of failure)和失效后果(consequence of failure)的計算后，可進行換熱器風險值得計算：

RISK＝LOF×COF

換熱器的失效可能性和失效后果分別被劃分為5個等級，采用API 581推薦的5×5風險矩陣圖表示風險，如圖2所示。

依據(jù)前文計算得到的結果等級，將換熱器的失效可能性和失效后果的等級放入風險矩陣中，判定其風險等級，換熱器E-101A的失效可能性為1級，失效后果為D(4)級，因而其風險等級為中風險。

(4)換熱器的檢修關注度評價

在完成換熱器風險評價后，可進行換熱器檢維修關注度(ATTENTION)評價：

ATTENTION＝LOF×MAR

換熱器的失效可能性(likelihood of failure)和檢修難易程度(maintenance and repair，MAR)分別被劃分為5個等級，采用5×5關注度矩陣圖表示換熱器的檢維修關注程度，如圖3所示。

依據(jù)前文計算得到的結果等級，將換熱器的失效可能性和檢修難易程度等級放入關注度矩陣中，判定其關注度等級，可換熱器E-101A的失效可能性為1級，專家對檢修難易程度及時間打分為3分，即檢修難以程度等級為3級，因而其檢維修關注度等級為中關注度。

由上可知，本發(fā)明用模糊綜合評價法能夠綜合多種評價指標，結合制定的打分規(guī)則，確定換熱器失效可能性和失效后果，綜合評估出換熱器風險。同時，還能夠對換熱器的檢修關注度進行評價，為換熱器的檢維修提供參考依據(jù)。