一种应用模糊综合评价法对换热器进行风险评估的方法与流程

本发明涉及一种换热器风险评估的方法。特别是涉及一种基于对影响换热器基本事件制定打分规则，量化评价指标的应用模糊综合评价法对换热器进行风险评估的方法。

背景技术：

换热器是工业生产中最常用的设备之一，不仅作为保证特定工艺流程正常运转而广泛使用的设备，也是开发和利用工业二次能源，实现余热回收的重要设备。目前，国内对换热器监测采用的方法很多，但大多都不是太完善，如传热效率是通过介质的温差来人工判断，腐蚀情况主要是通过待换热器设备出现严重泄漏后对其介质产生了明显的影响才发现，而这将可能导致大面积介质污染。国内有许多单位仍采用人工手动控制和故障检查，操作人员必须每隔1-2个小时到现场手动调节各个控制阀口，监测换热器正常运行，无法实现实时监测，对指导生产操作达不到快速响应的水平。处于高温、高湿、有毒等环境下的换热器，工作人员往往难以进行人为手动检查，而对于换热器最易出现的腐蚀部位，如换热管、管板、换热管与管板连接处、U型管弯管处，更是难以用肉眼判断出来，往往只有发生重大问题了才能为工作人员所发现。使用风险评估方法对换热器进行综合评价可以使换热器由事后维修向预防维修转变，但目前硬件性的换热器风险评估方法和检验检测手段针对壳体的比较成熟，针对换热器管束的评价不够全面。

从系统工程的角度，可以将影响换热器(主要针对管束)运行的各个影响因素如投用时间、换热管数量(根数)、结垢状况、腐蚀状况、腐蚀性等级、开裂敏感性、历史泄漏次数等作为评价指标，从而采用模糊评价法对换热器风险进行评估，给出定性的评价结果并进行风险排序。但是，现有的技术中尚无相关描述。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够给出定性的评价结果并进行风险排序，建立换热器检维修关注度矩阵的应用模糊综合评价法对换热器进行风险评估的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种应用模糊综合评价法对换热器进行风险评估的方法，包括如下步骤：

1)确定评价对象，将换热器评价对象分为失效可能性和失效后果，根据评价对象建立评价因素；

2)由专家对各基本事件根据制定的打分规则进行打分，得到引起换热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，通过matlab仿真软件建立综合评判矩阵R；

3)建立换热器风险模糊综合评价的评价集，得到综合评价结果向量，分别确定换热器失效可能性和失效后果的等级；

4)根据步骤3)中计算出的引起换热器失效可能性的等级和造成失效后果件的等级，确定各换热器的风险等级；

5)建立换热器检维修关注度矩阵图。

步骤1)所述的评价因素包括有，引起换热器失效可能性的基本事件为：投用时间、换热管数量(根数)、结垢状况、腐蚀状况、腐蚀性等级、开裂敏感性、历史泄漏次数；造成失效后果严重程度的基本事件为：设备对装置的关键程度、失效后果影响程度、检修难易程度及检修时间。

步骤2)包括：

(1)将引起换热器失效可能性的7个基本事件和造成失效后果的3个基本事件分别各划分为5个等级，分别用1、2、3、4、5级来表示，其中安全级别从1到5依次降低，等级规则的确定，是由专家对各基本事件，通过查阅相关资料，采纳专业人士和工程师的意见确定的5个等级；

(2)将引起换热器失效可能性的每个基本事件用X_i表示，其中i＝1、2…7；将造成失效后果的每个基本事件用Y_i表示，其中i＝1、2、3；

(3)采用柯西分布作为5个等级的隶属度函数进行分析；

当a＝0时，隶属度函数为即是1级的隶属度函数；

当a＝1时，隶属度函数为即是2级的隶属度函数；

当a＝2时，隶属度函数为即是3级的隶属度函数；

当a＝3时，隶属度函数为即是4级的隶属度函数；

当a＝4时，隶属度函数为即是5级的隶属度函数；

以柯西分布为隶属度函数，确定模糊评价并进行归一化处理后得到的隶属度矩阵R_i为：

不同基本事件对应的隶属度矩阵不同，但如果任意两个基本事件影响决策对象取值的趋势一致时，即引起换热器失效可能性的7个基本事件都是从1到5分级且都是可靠性逐渐降低时，则相应的等级评判矩阵取成相同，这时隶属度矩阵就是综合评判矩阵R

即R_i＝R其中i＝1,2,3,4,5,6,7。

步骤3)包括：

(1)分别将引起换热器失效可能性的7个基本事件和造成失效后果的3个基本事件的5个等级进行模糊化处理，剔除人为打分过程中的主观因素，应用加权平均M(·,⊕)模糊合成算子将C_m与综合评判矩阵R组合，获得B_m＝C_m·R(m＝1,2,…,5)，C_m为综合评判矩阵R的第m行元素，得出引起换热器失效可能性和造成失效后果的各基本事件的1-5等级的模糊综合评价集：记为B₁,B₂,…B₅，其中，所述的B₁,B₂,…B₅对应于所述的1-5等级，

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)采用层次分析法确定引起换热器失效可能性的7个基本事件的权重系数S和造成失效后果的3个基本事件权重系数H，其中：

(3)利用加权平均M(·,⊕)模糊合成算子将引起换热器失效可能性的7个基本事件的权重系数S与7个基本事件X组合得到失效可能性模糊综合评价结果向量E＝S^T·X^T，其中每个基本事件X＝[X₁,X₂,X₃,X₄,X₅,X₆,X₇]是对应1-5等级的模糊综合评价集B₁,B₂,…B₅；同理得到造成失效后果的模糊综合评价结果向量K＝H^T·Y^T，其中造成失效后果的每个基本事件Y＝[Y₁,Y₂,Y₃]取值对应1-5等级的模糊综合评价集B₁,B₂,…B₅。

步骤5)包括：根据步骤3)中的失效可能性模糊综合评价结果向量E＝S^T·X^T得到失效可能性结果等级，以及专家对引起换热器失效后果的第3个基本事件即检修难易程度及时间Y₃的打分，进行换热器检维修关注度(ATTENTION)评价：

ATTENTION＝LOF×MAR，其中换热器的失效可能性(likelihood of failure)和检修难易程度(maintenance and repair，MAR)分别被划分为5个等级，采用5×5关注度矩阵图表示换热器的检维修关注程度。

所述的5×5关注度矩阵图依据API581绘制，将换热器分为高关注度，中高关注度，中关注度和低关注度。

本发明的一种应用模糊综合评价法对换热器进行风险评估的方法，经过在实际的换热器系统管理中的应用表明，设计合理，实用性强，为换热器系统管理提供了很好的方法和手段。通过对换热器进行风险评价方法，可对换热器设备检修与维护提供参考，同时为换热器的改造与设计提供借鉴思想。本发明的显著优点有：

(1)本发明的方法同时将引起换热器失效可能性和失效后果的10个基本事件作为换热器风险评价的指标因素，同时利用大量的监测数据，结合理论研究，对各基本事件制定了打分规则，确保评价的全面性和准确性；

(2)针对换热器最易出现的腐蚀部位，如换热管、管板、换热管与管板连接处、U型管弯管处进行风险评价，定性给出评价结果并对风险进行排序；

(3)建立换热器检维修关注度矩阵，将换热器分为高关注度，中高关注度，中关注度和低关注度，对换热器进行不同程度的关注，节约了人力资源和检修成本。

附图说明

图1是本发明一种应用模糊综合评价法对换热器进行风险评估的方法的流程图；

图2是本发明建立的失效后果等级的5×5关注度矩阵图；

图3是本发明建立的检修难易程度等级的5×5关注度矩阵图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种应用模糊综合评价法对换热器进行风险评估的方法做出详细说明。

本发明是根据炼化企业换热器管理实际，利用大量的监测数据，结合理论研究，针对影响换热器的各因素制定了打分规则，利用模糊综合评价法对换热器(主要针对管束)进行风险评估，给出定性的评价结果并进行风险排序；建立换热器检维修关注度矩阵，将换热器分为高关注度，中高关注度，中关注度和低关注度，对换热器进行不同程度的关注，节约了人力资源和检修成本。经过在实际生产中的应用，表明该方法设计合理、可操作性强，为换热器风险评估提供了很好的方法和手段。

如图1所示，本发明的一种应用模糊综合评价法对换热器进行风险评估的方法，包括如下步骤：

1)确定评价对象，将换热器评价对象分为失效可能性和失效后果，根据评价对象建立评价因素；所述的评价因素包括有，引起换热器失效可能性的基本事件为：投用时间、换热管数量(根数)、结垢状况、腐蚀状况、腐蚀性等级、开裂敏感性、历史泄漏次数；造成失效后果严重程度的基本事件为：设备对装置的关键程度、失效后果影响程度、检修难易程度及检修时间。如表1所示。

表1换热器风险评价体系框架

2)由专家对各基本事件根据制定的打分规则进行打分，得到引起换热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，通过matlab仿真软件建立综合评判矩阵R；包括：

(1)将引起换热器失效可能性的7个基本事件和造成失效后果的3个基本事件分别各划分为5个等级，分别用1、2、3、4、5级来表示，其中安全级别从1到5依次降低，等级规则的确定，是由专家对各基本事件，通过查阅相关资料，采纳专业人士和工程师的意见确定的5个等级；

(2)将引起换热器失效可能性的每个基本事件用X_i表示，其中i＝1、2…7，这里i取的是7，代表第7个基本事件，如X₁＝3就代表失效可能性中第一个基本事件打分为3级；同理将造成失效后果的每个基本事件用Y_i表示，其中i＝1、2、3，这里i取的是3，代表第3个基本事件，如Y₁＝5就代表失效后果第一个基本事件打分为5级；等级确定如表2和表3。

表2失效可能性基本事件等级划分规则

表3失效后果基本事件等级划分规则

(3)采用柯西分布作为5个等级的隶属度函数进行分析；

当a＝0时，隶属度函数为即是1级的隶属度函数；

当a＝1时，隶属度函数为即是2级的隶属度函数；

当a＝2时，隶属度函数为即是3级的隶属度函数；

当a＝3时，隶属度函数为即是4级的隶属度函数；

当a＝4时，隶属度函数为即是5级的隶属度函数；

以柯西分布为隶属度函数，确定模糊评价并进行归一化处理后得到的隶属度矩阵R_i为：

一般情况，不同基本事件对应的隶属度矩阵不同，但如果任意两个基本事件影响决策对象取值的趋势一致时，即引起换热器失效可能性的7个基本事件都是从1到5分级且都是可靠性逐渐降低时，则相应的等级评判矩阵取成相同，这时隶属度矩阵就是综合评判矩阵R

即R_i＝R(i＝1,2,3,4,5,6,7)。

3)建立换热器风险模糊综合评价的评价集，得到综合评价结果向量，分别确定换热器失效可能性和失效后果的等级；包括：

(1)分别将引起换热器失效可能性的7个基本事件和造成失效后果的3个基本事件的5个等级进行模糊化处理，剔除人为打分过程中的主观因素，应用加权平均M(·,⊕)模糊合成算子将C_m与综合评判矩阵R组合，获得B_m＝C_m·R(m＝1,2,…,5)，C_m为综合评判矩阵R的第m行元素，得出引起换热器失效可能性和造成失效后果的各基本事件的1-5等级的模糊综合评价集：记为B₁,B₂,…B₅，其中，所述的B₁,B₂,…B₅对应于所述的1-5等级，

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)采用层次分析法确定引起换热器失效可能性的7个基本事件的权重系数S和造成失效后果的3个基本事件权重系数H；

(3)利用加权平均M(·,⊕)模糊合成算子将引起换热器失效可能性的7个基本事件的权重系数S与7个基本事件X组合得到失效可能性模糊综合评价结果向量E＝S^T·X^T，其中每个基本事件X＝[X₁,X₂,X₃,X₄,X₅,X₆,X₇]是对应1-5等级的模糊综合评价集B₁,B₂,…B₅，如第一个基本事件专家打三分，则X₁＝B₃；同理得到造成失效后果的模糊综合评价结果向量K＝H^T·Y^T，其中造成失效后果的每个基本事件Y＝[Y₁,Y₂,Y₃]取值对应1-5等级的模糊综合评价集B₁,B₂,…B₅。

4)根据步骤3)中计算出的引起换热器失效可能性的等级和造成失效后果件的等级，确定各换热器的风险等级；

5)建立换热器检维修关注度矩阵图；包括：根据步骤3)中的失效可能性模糊综合评价结果向量E＝S^T·X^T得到失效可能性结果等级，以及专家对引起换热器失效后果的第3个基本事件即检修难易程度及时间Y₃的打分，进行换热器检维修关注度(ATTENTION)评价：

ATTENTION＝LOF×MAR，其中换热器的失效可能性(likelihood of failure)和检修难易程度(maintenance and repair，MAR)分别被划分为5个等级，采用5×5关注度矩阵图表示换热器的检维修关注程度。5×5关注度矩阵图依据API581绘制，将换热器分为高关注度，中高关注度，中关注度和低关注度。

下面给出本发明一种应用模糊综合评价法对换热器进行风险评估的方法的具体实例：

结合图1以某石油化工企业其中一台换热器E-101A为例。

(1)换热器失效可能性分析

确定引起E-101A换热器失效可能性的基本事件：投用时间、换热管数量(根数)、结垢状况、腐蚀状况、腐蚀性等级、开裂敏感性、历史泄漏次数。

应用层析分析法得到失效可能性基本事件的权重。

经过一致性检验后，可得到引起换热器失效可能性的7个基本事件(投用时间、换热管数量(根数)、结垢状况、腐蚀状况、腐蚀性等级、开裂敏感性、历史泄漏次数)的权重系数S：

根据模糊评价的定义，对每个失效可能性基本事件进行等级划分。失效可能性基本事件共7个，通过查阅相关资料，采纳专业人士和工程师的意见，将每个基本事件划分为5个等级，分别用1、2、3、4、5级来表示，其中从1到5安全级别依次降低。各失效可能性基本事件的等级划分情况，见表2。

根据换热器E-101A台账和表2的等级划分标准，换热器E-101A失效可能性基本事件的具体级别如下所示：

以柯西分布为隶属度函数，进行一级模糊评价时的隶属度矩阵R_i为：

一般情况，不同基本事件对应的隶属度矩阵不同，但如果两个基本事件影响决策对象取值的趋势一致时，即两个基本事件的等级同序时(7个因素都是从1到5分级且都是可靠性逐渐降低)，则相应的等级评判矩阵可取成相同，

即R_i＝R(i＝1,2,3,4,5,6,7)。

模糊综合评价级为：

B_m＝C_m·R(m＝1,2,…,5)，C_m为R的第m行元素。因此，由失效可能性基本事件的划分等级，可以得出1-5级的模糊综合评价集：

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}

以换热器E-101A为例，该换热器投用时间被定为3级、换热管数量(根数)被定为5级、结垢状况被定为1级、腐蚀状况被定为1级、腐蚀性等级被定为1级、开裂敏感性被定为2、历史泄漏次数被定为1级，则有：

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}

失效可能性模糊综合评价集为：

E＝S^T·X^T

针对换热器E-101A可获得模糊综合评价结果:

E＝{0.4305 0.3011 0.1434 0.0728 0.0512}

按照最大隶属度原则，5个隶属度中的最大值0.4305，对应的失效等级为1级，因而确定该换热器的失效可能性低。

(2)换热器失效后果分析

确定换热器失效后果的严重程度是对其进行完整的风险评价比不可少的一个环节。换热器失效后果的严重程度受到多种因素的影响，影响因素的全面性是分析结果高可信度的充分条件。通过查阅相关资料并综合专家意见，将影响换热器失效后果严重程度的因素确定为：设备对装置的关键程度、失效后果影响程度、检修难易程度及时间。

应用层析分析法得到失效后果因素权重。参照换热器失效可能性中层次分析法计算步骤，可得到造成失效后果的3个基本事件的权重系数H：

失效后果严重程度的三个因素进行等级划分，每个因素分为5个等级，其中1到5级的安全性级别依次降低，见表3。由于各因素及其所处状态的模糊性，较难划分出因素的具体级别，因此，可将各因素看成是等级集上的模糊子集，各因素的每一等级对该因素的隶属度同样依据柯西产生。根据换热器E-101A台账和表3的等级划分标准，换热器E-101A失效后果基本事件的具体级别如下所示：

参照换热器失效可能性中确定模糊评判矩阵计算步骤，进行换热器失效后果因素模糊评价时隶属度矩阵R_i为：

参照换热器失效可能性基本事件模糊综合评价集计算步骤，可以得出换热器失效后果因素1-5级的模糊综合评价集：

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}

同样以换热器E-101A为例，该换热器“设备对装置的关键程度”因素被评为3级，“失效后果影响程度”因素被评为4级，“检修难易程度及时间”因素被评为2级。则有：

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}

失效后果模糊综合评价集为：

K＝H^T·Y^T

针对换热器E-101A可获得模糊综合评价结果:

K＝{0.1237 0.1924 0.2487 0.2539 0.1814}，

按照最大隶属度原则，5个隶属度中的最大值0.2539，对应的失效等级为4级，因而确定该换热器的失效后果较严重。

(3)换热器的风险(RISK)评价

在完成失效可能性(likelihood of failure)和失效后果(consequence of failure)的计算后，可进行换热器风险值得计算：

RISK＝LOF×COF

换热器的失效可能性和失效后果分别被划分为5个等级，采用API 581推荐的5×5风险矩阵图表示风险，如图2所示。

依据前文计算得到的结果等级，将换热器的失效可能性和失效后果的等级放入风险矩阵中，判定其风险等级，换热器E-101A的失效可能性为1级，失效后果为D(4)级，因而其风险等级为中风险。

(4)换热器的检修关注度评价

在完成换热器风险评价后，可进行换热器检维修关注度(ATTENTION)评价：

ATTENTION＝LOF×MAR

换热器的失效可能性(likelihood of failure)和检修难易程度(maintenance and repair，MAR)分别被划分为5个等级，采用5×5关注度矩阵图表示换热器的检维修关注程度，如图3所示。

依据前文计算得到的结果等级，将换热器的失效可能性和检修难易程度等级放入关注度矩阵中，判定其关注度等级，可换热器E-101A的失效可能性为1级，专家对检修难易程度及时间打分为3分，即检修难以程度等级为3级，因而其检维修关注度等级为中关注度。

由上可知，本发明用模糊综合评价法能够综合多种评价指标，结合制定的打分规则，确定换热器失效可能性和失效后果，综合评估出换热器风险。同时，还能够对换热器的检修关注度进行评价，为换热器的检维修提供参考依据。