CN114611943A - 一种纤维缠绕气瓶风险评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纤维缠绕气瓶风险评价方法，包括：步骤1、获取被评纤维缠绕气瓶的数据，编写全面检验报告；步骤2、计算关于气瓶的气瓶瓶体，固定装置，气瓶端塞，管路，腐蚀与老化的权重，并建立纤维缠绕气瓶腐蚀与老化评分细则；步骤3、根据步骤1得到的全面检验报告，按照移动式承压设备动态风险评估模型以及补充的腐蚀老化细则完成失效可能性以及失效后果打分；步骤4、根据步骤3的打分结果，计算失效可能性概率。步骤5、根据失效概率判断其失效可能性等级，失效后果得分判断其失效后果等级，综合分析纤维缠绕气瓶的风险矩阵，并确定其风险等级。

Description

一种纤维缠绕气瓶风险评价方法

技术领域

本发明属于移动承压设备动态风险评估领域，尤其涉及一种纤维缠绕气瓶风险评价方法。

背景技术

能源消费结构在完成由煤炭向石油的转换后,正朝着高效、清洁、低碳或无碳的天然气、核能、太阳能、风能、氢能等新能源方向发展，近年来，随着国家对氢能源的发展高度重视，具有轻质高强的纤维复合材料成为储氢气瓶缠绕层的首选材料，运用于Ⅲ、Ⅳ型气瓶的纤维复合材料缠绕层能够提供较高的承载能力，能够满足单位质量储氢密度要求。

相比于管道，长管拖车、罐车等大型气体运输车辆因其灵活性而广泛应用于短途、小批量的气体运输中。移动式压力容器的广泛应用也使得其安全事故增加，对于移动式压力容器，特别是纤维缠绕气瓶等移动式承压设备的风险评价评估迫在眉睫。因此建立一种纤维缠绕气瓶风险评价方法，对储氢类Ⅲ，Ⅳ型气瓶服役的定期检验，服役的可靠性评价具有重大意义。

发明内容

发明目的：为解决背景技术中的难题，本发明基于移动承压设备动态风险评价模型和针对纤维缠绕气瓶的特性，计算纤维缠绕气瓶评分单元评分权重，增加失效因素及所对应的评分细则，提出了新的失效可能性评价方法。可以实现对纤维缠绕气瓶合于使用评价，具体步骤如下：

步骤1、获取被评纤维缠绕气瓶的数据，编写全面检验报告；

步骤2、计算关于气瓶的气瓶瓶体、固定装置、气瓶端塞、管路、腐蚀与老化的权重，并建立纤维缠绕气瓶腐蚀与老化评分细则；

步骤3、根据步骤1得到的全面检验报告，按照移动式承压设备动态风险评估模型以及补充的腐蚀老化细则完成失效可能性以及失效后果打分；

步骤4、根据步骤3的打分结果，计算失效可能性概率。

步骤5、根据失效概率判断失效可能性等级，根据失效后果得分判断失效后果等级，综合分析纤维缠绕气瓶的风险矩阵，并确定风险等级。

步骤1包括：获取待评价气瓶的数据，包括气瓶设计文件、安装文件、使用文件，以及定期检测数据。所述全面检验报告包括：依据TSG R0005-2011检验规则，内容包括：气瓶年度检查结论，资料审查、宏观检查，服役环境调查，气瓶瓶体检测，气瓶管路检查，气瓶端塞检查，长管拖车等固定装置检查，安全保护装置检验。

步骤2包括：

步骤2.1、基于层次分析法(Analytical Hierarchy Process，简称“AHP”法)构造评价因素两两比较的判断矩阵J，采用1～9比例标度对各因素之间的相对重要程度进行赋值，赋值原则如下：

如果两个因素同等重要，则标度为1；

如果一个因素比另一个因素稍微重要，则标度为3；

如果一个因素比另一个因素明显重要，则标度为5；

如果一个因素比另一个因素强烈重要，则标度为7；

如果一个因素比另一个因素极端重要，则标度为9；

2、4、6、8表示上述相邻判断的中值；

如果因素u_i和因素u_j重要性之比为J_ij，则因素u_j和因素u_i重要性之比为

对于有n个因素的评价问题，得到如下两两比较的判断矩阵J：

得到判断矩阵后，计算判断矩阵J＝(J_ij)_n×n每一行元素的乘积M_i：

计算乘积M_i的五次方根

对向量

进行正规化：

所得W＝(W_i … W_n)^T即为最大特征根λ_max所对应的特征向量，同时也是因素集U＝[u_i]中各因素u_i的权重值。

基于层次分析法，对比气瓶瓶体S1、固定装置S2、气瓶端塞S3、管路S4、腐蚀与老化S5相对重要程度，建立失效可能性的一级因素判断矩阵J_S：

由层次分析法计算判断矩阵最大特征根向量λ_max所对应的特征向量W＝(0.48，0.21，0.12，0.12，0.07)^T，则关于气瓶失效可能性评价的五个一级因素：气瓶瓶体、固定装置、气瓶端塞、管路、腐蚀与老化的权重分别为0.48，0.21，0.12，0.12，0.07；

步骤2.2、考虑纤维缠绕层材料属性、成型工艺、腐蚀机理和老化特性，经过层次分析法和专家打分法构造判断矩阵权重，完善腐蚀与老化评分细则表，

评分细则表包括如下内容：

一级因素包括腐蚀破坏、老化；

腐蚀破坏包括三个二级因素：环境腐蚀，内腐蚀，应力腐蚀；

老化包括三个二级因素：材料与工艺，防老化设计，全面检验；

环境腐蚀包括两个三级因素：紫外线老化腐蚀，大气环境(湿热老化)腐蚀；

内腐蚀包括三个三级因素：介质腐蚀性，内防腐措施，内检测；

应力腐蚀包括两个三级因素：容器应力，缠绕层缺陷；

材料与工艺包括两个三级因素：纤维类型，缠绕工艺；

详见表1。

表1

步骤3包括：根据评分细则表和移动承压设备动态风险评估模型，完成对失效后果评分项和气瓶瓶体S1、固定装置S2、气瓶端塞S3，、管路S4、腐蚀与老化S5的打分。

步骤4包括：通过移动式承压设备动态风险评估模型得到失效后果评分和失效可能性评价单元得分，失效可能性评价单元得分包括气瓶瓶体S1，固定装置S2，气瓶端塞S3，管路S4，根据步骤2得到权重和步骤3得到腐蚀与老化S5的打分结果，计算失效可能性得分S：

S＝0.48S1+0.21S2+0.12S3+0.12S4+0.07S5 (5)

定义失效可能性概率为LoF：

LoF＝F_G×S×F_M (6)

F_G为气瓶总体失效概率，F_M为管理系数，这里为0.398。

F_G计算如下所示，表2为各部件通用失效频率。

表2

则F_G＝1.68×10^-4

步骤5包括：

步骤5.1、失效可能性等级划分如表3所示：

表3

步骤5.2、失效后果等级划分如表4所示：

根据事故后果严重程度从轻到重划分五个等级，依次为A—低后果等级，B—中等后果等级，C—中高后果等级，D—高等后果等级，E—超高后果等级，如表4所示：

表4

步骤5.3、依据风险矩阵进行风险等级划分，失效可能性分为5级：1～5，其中1表示失效可能性最小、5表示失效可能性最大。失效后果根据严重程度也分为5个级别：A～E，A表示不严重、E表示非常严重。将失效可能性和失效后果的5个级别组合即可得到5行5列的风险矩阵，见图3。在风险矩阵中，风险水平沿左下方到右上方对角线逐渐升高，分4个等级依次为：低风险、中风险、中高风险和高风险。风险矩阵如图3所示。

有益效果：

1、本发明方法针对纤维缠绕气瓶风险评价方法，基于移动承压设备动态风险评估模型，采用层次分析法确定因素集中各因素在评价气瓶风险评价系统中的比重。

2、本发明方法对失效可能性评价中，腐蚀与老化部分评分细则重新修订，考虑了纤维复合材料易受到环境老化等影响，按照层次分析法，确定了环境腐蚀，老化两个一级因素，以及对应的二级，三级因素。

3、本发明方法是一种适用工程实际的半定量风险评估方法，填补了纤维缠绕气瓶等移动式承压设备风险评价的空白，同时易于实际工程操作。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明实例提供基于层次分析方法关于纤维缠绕气瓶腐蚀与老化失效因素分析示意图。

图3为风险矩阵示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种纤维缠绕气瓶风险评价方法，采用修正模型进行失效可能性评分时，应针对所评价气瓶，结合当地的气瓶事故统计数据和设计、安装、使用、检验等方面的专家意见，在通用模型的基础上确定针对具体情况的修正模型，确定评分项和评分项的权重，并且进行归一化处理，保证气瓶瓶体S1，固定装置S2，气瓶端塞S3，管路S4，腐蚀与老化S5权重和为1，按照修正模型进行评分，分别确定气瓶瓶体得分S1，固定装置得分S2，气瓶端塞得分S3，管路得分S4，腐蚀与老化得分S5，按照下式计算失效可能性得分S：

S＝W₁S1+W₂S2+W₃S3+W₄S4+W₅S5 (1)

式中：

W₁：针对在用阶段的失效可能性评分修正模型中气瓶瓶体的修正系数；

W₂：针对在用阶段的失效可能性评分修正模型中固定装置的修正系数；

W₃：针对在用阶段的失效可能性评分修正模型中气瓶管路的修正系数；

W₄：针对在用阶段的失效可能性评分修正模型中气瓶端塞的修正系数；

W₅：针对在用阶段的失效可能性评分修正模型中气瓶腐蚀与老化的修正系数；

W₁+W₂+W₃+W₄+W₅＝1 (2)

按照AHP法进行修正系数的计算，即确定各评价单元的权重。构造评价问题因素两两比较的判断矩阵，将1～9的9个整数作为一个因素比较于另一个因素指标的相对重要度的标度，标度定义如下；

如果两个因素同等重要，则标度为1；

如果一个因素比另一个因素稍微重要，则标度为3；

如果一个因素比另一个因素明显重要，则标度为5；

如果一个因素比另一个因素强烈重要，则标度为7；

如果一个因素比另一个因素极端重要，则标度为9；

2、4、6、8表示上述相邻判断的中值；

对于有n个因素的评价问题来说，得到如下两两比较的判断矩阵J：

得到判断矩阵后，计算判断矩阵J＝(J_ij)_n×n每一行元素的乘积Mi：

计算乘积M_i的五次方根

对向量

进行正规化：

所得W＝(W_i … W_n)^T即为最大特征根λ_max所对应的特征向量，亦即因素集U＝[u_i]中各因素u_i的权重值。

为了校验特征向量的合理性，得出的判断矩阵应该具有一致性。检验判断矩阵的一致性的过程如下，计算判断矩阵的最大特征值λ_max。

定义一致性指标CI和平均随机一致性指RI：

平均随机一致性指标RI取值如表5

表5

n	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										RI	0	0	0.58	0.9	1.12	1.24	1.32	1.41	1.45

定义一致性比率CR＝CI/RI，一般认为CR＜0.1时，判断矩阵的一致性是可以接受的。

采用上述AHP模型，对纤维缠绕气瓶风险评价方法包含以下步骤：

步骤1、获取被评纤维缠绕气瓶的数据，编写全面检验报告；

步骤2、基于AHP分析法，对比气瓶瓶体，固定装置，气瓶端塞，管路，腐蚀与老化相对重要程度，建立失效可能性的一级因素(气瓶瓶体S1，固定装置S2，气瓶端塞S3，管路S4，腐蚀与老化S5)判断矩阵J_S：

由AHP法计算判断矩阵最大特征根向量λ_max所对应的特征向量，W＝(0.48，0.21，0.12，0.12，0.07)^T，则关于气瓶失效可能性评价的五个一级因素：气瓶瓶体，固定装置，气瓶端塞，管路，腐蚀与老化的权重分别为0.48，0.21，0.12，0.12，0.07，一致性比例CR＝-0.23，小于0.1，则矩阵的一致性可以接受，修正后的公式如下所不：

S＝0.48S1+0.21S2+0.12S3+0.12S4+0.07S5 (8)通过故障树分析法(FTA)和层次分析法(AHP)得到腐蚀与老化的评分S5中又包括腐蚀破坏、老化两种因素，根据层次分析法的要求，将与决策有关的指标分解为目标层、准则层、方案层等层次，分别表示为S5，B，C，确定三层AHP模型，如图2所示，。根据同一层次两两元素的“相对重要程度”，参照“1-9级标度法”，采用专家打分构造判断矩阵，通过计算得到各指标结果。

S5的判断矩阵：

权重计算结果：(0.67，0.33)

B1的判断矩阵

权重计算结果为(0.44，0.17，0.39)

B2的判断矩阵

权重计算结果为(0.58，0.28，0.20)

步骤3、根据步骤1得到的全面检验报告，按照移动承压设备动态风险评估模型以及补充的腐蚀老化细则完成打分；所述移动承压设备动态风险评估模型依据CN113127995A-一种移动承压设备动态风险失效可能性评价方法及CN113128045A-一种长管拖车失效后果工程评估方法陈列的失效可能性和失效后果评估方法，二者相结合，通过风险矩阵(图3)得到移动承压设备动态风险评估模型。

步骤4、计算其失效可能性概率LoF:

LoF＝F_G×S×F_M＝0.67×10^-4S (9)

其中

F_G为同类设备失效频率，S为失效可能性得分，F_M为管理系数，经过层次分析法确定F_G＝1.68×10^-4，FM＝0.398。

步骤5、确定其失效可能性等级和失效后果等级，如表3，4所示。根据风险矩阵(图3)确定其风险等级。

实施例1

某在用纤维缠绕气瓶需要进行风险评价，具体步骤如下：

步骤一、在风险评估开始阶段，需要对气瓶装置从设计，安装，使用做材料收集汇总，完成全面检验报告，为打分环节提供数据支撑。

步骤二、依据移动式承压设备动态风险评估模型打分细则评分和该气瓶分析结果打分，完成气瓶瓶体S1，固定装置S2，气瓶端塞S3，管路S4，失效可能性打分，腐蚀与老化S5参考表1，打分结果见表6，表7：

表6

表7

步骤三、将失效可能性和失效后果汇总结果见表8：

表8

根据权重分析，按照公式(8)计算失效可能性S得分：

S＝0.48S1+0.21S2+0.12S3+0.12S4+0.07S5＝32.06

步骤四、根据公式(9)计算其失效可能性概率LoF:

LoF＝F_G×S×F_M＝0.67×10^-4S＝0.00214，

步骤四、由表3，表4得，其失效概率等级为4级，失效后果等级为A级。

步骤五、由风险矩阵图3得，其风险等级为中等风险等级。

本发明提供了一种纤维缠绕气瓶风险评价方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种纤维缠绕气瓶风险评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取被评纤维缠绕气瓶的数据，编写全面检验报告；

步骤2、计算关于气瓶的气瓶瓶体、固定装置、气瓶端塞、管路、腐蚀与老化的权重，并建立纤维缠绕气瓶腐蚀与老化评分细则；

步骤3、根据步骤1得到的全面检验报告，按照移动式承压设备动态风险评估模型以及补充的腐蚀老化细则完成失效可能性以及失效后果打分；

步骤4、根据步骤3的打分结果，计算失效可能性概率；

步骤5、根据失效概率判断失效可能性等级，根据失效后果得分判断失效后果等级，综合分析纤维缠绕气瓶的风险矩阵，并确定风险等级。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：获取待评价气瓶的数据，包括气瓶设计文件、安装文件、使用文件，以及定期检测数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2包括：

步骤2.1、基于层次分析法构造评价因素两两比较的判断矩阵J，采用1～9比例标度对各因素之间的相对重要程度进行赋值，赋值原则如下：

如果两个因素同等重要，则标度为1；

如果一个因素比另一个因素稍微重要，则标度为3；

如果一个因素比另一个因素明显重要，则标度为5；

如果一个因素比另一个因素强烈重要，则标度为7；

如果一个因素比另一个因素极端重要，则标度为9；

2、4、6、8表示上述相邻判断的中值；

如果因素u_i和因素u_j重要性之比为J_ij，则因素u_j和因素u_i重要性之比为

对于有n个因素的评价问题，得到如下两两比较的判断矩阵J：

得到判断矩阵后，计算判断矩阵J＝(J_ij)_n×n每一行元素的乘积M_i：

计算乘积M_i的五次方根

对向量

进行正规化：

所得W＝(W_i … W_n)^T即为最大特征根λ_max所对应的特征向量，同时也是因素集U＝[u_i]中各因素u_i的权重值；

基于层次分析法，对比气瓶瓶体S1、固定装置S2、气瓶端塞S3、管路S4、腐蚀与老化S5相对重要程度，建立失效可能性的一级因素判断矩阵J_S：

由层次分析法计算判断矩阵最大特征根向量λ_max所对应的特征向量W＝(0.48，0.21，0.12，0.12，0.07)^T，则关于气瓶失效可能性评价的五个一级因素：气瓶瓶体、固定装置、气瓶端塞、管路、腐蚀与老化的权重分别为0.48，0.21，0.12，0.12，0.07；

步骤2.2、考虑纤维缠绕层材料属性、成型工艺、腐蚀机理和老化特性，经过层次分析法和专家打分法构造判断矩阵权重，完善腐蚀与老化评分细则表，评分细则表包括如下内容：

一级因素包括腐蚀破坏、老化；

腐蚀破坏包括三个二级因素：环境腐蚀，内腐蚀，应力腐蚀；

老化包括三个二级因素：材料与工艺，防老化设计，全面检验；

环境腐蚀包括两个三级因素：紫外线老化腐蚀，大气环境腐蚀；

内腐蚀包括三个三级因素：介质腐蚀性，内防腐措施，内检测；

应力腐蚀包括两个三级因素：容器应力，缠绕层缺陷；

材料与工艺包括两个三级因素：纤维类型，缠绕工艺。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3包括：根据评分细则表和移动承压设备动态风险评估模型，完成对失效后果评分项和气瓶瓶体S1、固定装置S2、气瓶端塞S3，、管路S4、腐蚀与老化S5的打分。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4包括：

过移动式承压设备动态风险评估模型得到失效后果评分和失效可能性评价单元得分，失效可能性评价单元得分包括气瓶瓶体S1，固定装置S2，气瓶端塞S3，管路S4，根据步骤2得到权重和步骤3得到腐蚀与老化S5的打分结果，计算失效可能性得分S：

S＝0.48S1+0.21S2+0.12S3+0.12S4+0.07S5 (5)

定义失效可能性概率为LoF：

LoF＝F_G×S×F_M (6)

F_G为气瓶总体失效概率，F_M为管理系数。

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