郭 凡 於孝春 袁東明

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

基于模糊FMEA的環(huán)己酮肟重排反應(yīng)器風(fēng)險(xiǎn)分析

郭 凡*於孝春 袁東明

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

生產(chǎn)己內(nèi)酰胺最重要的工藝過程就是環(huán)己酮肟液相貝克曼重排反應(yīng)過程，其中連續(xù)三級(jí)重排反應(yīng)器是主要設(shè)備之一。針對(duì)工藝環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響，采用故障模式與影響分析(FMEA)方法對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行失效分析，但是傳統(tǒng)的FMEA主觀性太大，精確度低。根據(jù)專家調(diào)查表，引入模糊綜合評(píng)判方法進(jìn)行建模分析，采用層次分析法(AHP)確定權(quán)重向量和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)FMEA進(jìn)行定量轉(zhuǎn)化，使重排反應(yīng)器的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更加合理。

重排反應(yīng)器 環(huán)己酮肟 故障模式與影響分析 模糊綜合評(píng)判 風(fēng)險(xiǎn)分析

近年來全世界的己內(nèi)酰胺需求量急速上升，我國(guó)也相繼建立多家廠房，己內(nèi)酰胺生產(chǎn)工藝龐大、設(shè)備復(fù)雜、易燃易爆物料繁多。己內(nèi)酰胺(CPL)作為重要的化工原料之一，主要用于生產(chǎn)工程塑料與聚酰胺纖維。當(dāng)前90%左右的廠家采用發(fā)煙硫酸或濃硫酸作為催化劑，在三級(jí)重排反應(yīng)器中進(jìn)行貝克曼重排反應(yīng)，使環(huán)己酮肟發(fā)生重排反應(yīng)生成粗己內(nèi)酰胺，再進(jìn)一步精制出產(chǎn)CPL。由于在高溫環(huán)境下，伴隨大量酸性物質(zhì)的存在，對(duì)環(huán)境污染大、副產(chǎn)品諸多及設(shè)備腐蝕嚴(yán)重等問題需要及時(shí)進(jìn)行安全分析，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，采取相應(yīng)檢修措施[1]。

1 重排反應(yīng)器故障模式及影響分析

傳統(tǒng)的FMEA風(fēng)險(xiǎn)分析屬于半定量分析法，通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)設(shè)備發(fā)生的故障模式、原因和影響，給予專家主觀的事故嚴(yán)重度(S)、故障發(fā)生頻度(O)和檢測(cè)難度(D)，并按照3個(gè)因素相乘得到風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)(RPN)[2，3]。依靠專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)打分，帶有嚴(yán)重的主觀性和模糊性，所以結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)方法更具有準(zhǔn)確性。根據(jù)環(huán)己酮肟重排工藝分析出可能發(fā)生的故障模式有：腐蝕、磨損及堵塞等，由于主要介紹多級(jí)模糊FMEA評(píng)價(jià)方法，應(yīng)用到每個(gè)故障模式都是一樣的分析過程，加上篇幅的限制這里只介紹腐蝕失效的模糊評(píng)價(jià)過程，具體的重排反應(yīng)器FMEA見表1。

2 模糊FMEA綜合評(píng)價(jià)

在重排反應(yīng)器FMEA分析的基礎(chǔ)上加入模糊綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)10位專家調(diào)查所得數(shù)據(jù)建立相應(yīng)模糊矩陣，在確定權(quán)重時(shí)采用層次分析法(AHP)，從而將嚴(yán)重度、故障發(fā)生頻度和檢測(cè)難度3個(gè)因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響進(jìn)行加權(quán)分析，建立FMEA風(fēng)險(xiǎn)模型，把定性分析轉(zhuǎn)化為定量分析[4，5]。最后進(jìn)行去模糊化(清晰化)分析，得到準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表1 重排反應(yīng)器FMEA

2.1確定因素集合

對(duì)照表1，環(huán)己酮肟重排反應(yīng)器的腐蝕失效(二級(jí)指標(biāo))為研究對(duì)象，選取嚴(yán)重度、故障發(fā)生頻度和檢測(cè)難度3個(gè)因素為確定因素，則因素集U={嚴(yán)重度U1，發(fā)生頻度U2，檢測(cè)度U3}；每個(gè)因素Ui(i=1，2，3)(一級(jí)指標(biāo))由基本因素ui所決定，則Ui的因素集為Ui={應(yīng)力腐蝕開裂u1，殘余應(yīng)力u2，熱處理不當(dāng)u3，選材不當(dāng)u4，飛溫u5}。

2.2確定評(píng)語集

每個(gè)因素Ui(i=1，2，3)可以用5個(gè)等級(jí)表示，對(duì)U1的模糊語言為“非常嚴(yán)重、較嚴(yán)重、一般、輕微、幾乎無影響”；對(duì)U2的等級(jí)模糊語言為“經(jīng)常發(fā)生、有時(shí)發(fā)生、偶爾發(fā)生、很少發(fā)生、極少發(fā)生”；對(duì)U3的等級(jí)為“無法檢測(cè)、檢測(cè)較低、中等、檢測(cè)較高、非常高”。依據(jù)以上5個(gè)等級(jí)，因素Ui(i=1，2，3)的評(píng)語集V依次為：V1={v11，v12，v13，v14，v15}；V2={v21，v22，v23，v24，v25}；V3={v31，v32，v33，v34，v35}。

2.3模糊評(píng)判矩陣

對(duì)于模糊評(píng)價(jià)矩陣的建立需要有專家的評(píng)論，論文根據(jù)以往記錄的10位專家(n=10)調(diào)查表2，分別統(tǒng)計(jì)出每個(gè)因素Ui(i=1，2，3，4，5)中專家評(píng)論的次數(shù)。

表2 專家對(duì)各因素評(píng)語(v1i，v2i ，v3i)調(diào)查表

根據(jù)表2可以統(tǒng)計(jì)出各因素Ui(i=1，2，3，4，5)中各種評(píng)語出現(xiàn)的次數(shù)記錄為nj，對(duì)u1的評(píng)語v1i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=4，n2=2，n3=2，n4=1，n5=1；v2i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=2，n2=2，n3=3，n4=2，n5=1；v3i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=1，n2=2，n3=3，n4=3，n5=1。對(duì)u2的評(píng)語v1i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=3，n2=4，n3=1，n4=1，n5=1；v2i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=1，n2=4，n3=3，n4=1，n5=1；v3i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=1，n2=5，n3=2，n4=1，n5=1。對(duì)u3的評(píng)語v1i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=2，n2=1，n3=4，n4=2，n5=1；v2i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=1，n2=2，n3=4，n4=2，n5=1；v3i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=1，n2=3，n3=2，n4=2，n5=2。對(duì)u4的評(píng)語v1i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=2，n2=3，n3=2，n4=2，n5=1；v2i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=0，n2=2，n3=2，n4=3，n5=3；v3i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=0，n2=3，n3=1，n4=3，n5=3。對(duì)u5的評(píng)語v1i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=3，n2=3，n3=2，n4=2，n5=0；v2i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=2，n2=4，n3=2，n4=2，n5=0；v3i(i=1，2，3，4，5)出現(xiàn)的次數(shù)依次為：n1=2，n2=4，n3=2，n4=1，n5=1。

根據(jù)公式Pj=nj/n，可以求得評(píng)語集V1對(duì)各因素ui(i=1,2,3,4,5)的評(píng)判向量依次為：

r1={0.4,0.2,0.2,0.1,0.1}

r2={0.3,0.4,0.1,0.1,0.1}

r3={0.2,0.1,0.4,0.2,0.1}

r4={0.2,0.3,0.2,0.2,0.1}

r5={0.3,0.3,0.2,0.2,0}

根據(jù)公式Pj=nj/n，可以求得評(píng)語集V2對(duì)各因素ui(i=1,2,3,4,5)的評(píng)判向量依次為：

r1={0.2,0.2,0.3,0.2,0.1}

r2={0.1,0.4,0.3,0.1,0.1}

r3={0.1,0.2,0.4,0.2,0.1}

r4={0,0.2,0.2,0.3,0.3}

r5={0.2,0.4,0.2,0.2,0}

根據(jù)公式Pj=nj/n，可以求得評(píng)語集V3對(duì)各因素ui(i=1,2,3,4,5)的評(píng)判向量依次為：

r1={0.1,0.2,0.3,0.3,0.1}

r2={0.1,0.5,0.2,0.1,0.1}

r3={0.1,0.3,0.2,0.2,0.2}

r4={0,0.3,0.1,0.3,0.3}

r5={0.2,0.4,0.2,0.1,0.1}

由此構(gòu)成的Vi對(duì)Ui的模糊評(píng)判矩陣依次為R1,R2,R3：

2.4確定每個(gè)因素權(quán)重

在建立權(quán)重時(shí)，筆者采用層次分析法(AHP)[6]，建立矩陣時(shí)以第一層的要素FH為評(píng)判準(zhǔn)則，對(duì)第二層的因素A1,A2，…，An進(jìn)行兩兩相互比較來確定矩陣的元素值，建立層次之后也就得到了第一、二層之間的隸屬關(guān)系[7]。筆者采用簡(jiǎn)捷的三標(biāo)度法[8]，三標(biāo)度使得專家對(duì)各個(gè)要素的重要度比較容易做出判斷，不會(huì)出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤。具體尺度見表3，然后對(duì)專家調(diào)查表建立一級(jí)指標(biāo)的相對(duì)重要度(表4)。

表3 三標(biāo)度矩陣

表4 反應(yīng)器腐蝕失效各因素三標(biāo)度矩陣表

由表4可以看出rmax=9，rmin=1，將三標(biāo)度轉(zhuǎn)化為九標(biāo)度時(shí)根據(jù)bm=9，可以計(jì)算得到各因素的權(quán)向量與最大特征值，分別見表5、6。

表5 反應(yīng)器腐蝕失效各因素九標(biāo)度矩陣表

表6 各因素的權(quán)向量與最大特征值

2.5一級(jí)模糊評(píng)判

B1=W1×R1T

=(0.3167 0.2737 0.1999 0.1607 0.0490)

B2=W2×R2T

=(0.1741 0.3278 0.2521 0.1904 0.0556)

B3=W3×R3T

=(0.1477 0.3504 0.2231 0.1658 0.1130)

進(jìn)行歸一化計(jì)算可得：

由一級(jí)模糊評(píng)判的結(jié)果可以看出對(duì)于FMEA中事故嚴(yán)重度因素來說，幾乎只有4%的專家認(rèn)為開裂不會(huì)發(fā)生重大事故，普遍認(rèn)為其具有一定的危害性。分別約有30%左右的專家認(rèn)為腐蝕會(huì)造成非常嚴(yán)重事故或者較重大事故，20%的專家認(rèn)為發(fā)生事故的嚴(yán)重度一般，16%認(rèn)為發(fā)生事故嚴(yán)重程度比較低?；谧畲箅`屬度的原則，以31%的嚴(yán)重程度認(rèn)為腐蝕失效造成嚴(yán)重的危害。對(duì)照傳統(tǒng)FMEA的嚴(yán)重度劃分表[8]是設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障，操作起來有困難。

對(duì)于故障發(fā)生頻率因素來說，幾乎所有專家認(rèn)為會(huì)發(fā)生故障，約33%的專家認(rèn)為發(fā)生的頻率比較高，17%的專家認(rèn)為發(fā)生腐蝕不可避免，約25%認(rèn)為發(fā)生頻率只是偶爾發(fā)生，根據(jù)最大隸屬度原則選擇最高值，以33%的幾率認(rèn)為反應(yīng)器腐蝕的故障模式經(jīng)常發(fā)生，對(duì)照傳統(tǒng)FMEA發(fā)生頻度等級(jí)劃分表其發(fā)生頻率為約1/3。

對(duì)于可探測(cè)度來說，35%的專家認(rèn)為腐蝕失效檢測(cè)難度大，23%專家認(rèn)為檢測(cè)難度一般，約有11%的專家認(rèn)為檢測(cè)很容易。根據(jù)最大隸屬度原則，認(rèn)為35%的幾率腐蝕失效一般比較難檢測(cè)出來，對(duì)照傳統(tǒng)FMEA檢測(cè)難易度等級(jí)表可以看出采用一定的措施才可以探測(cè)出問題所在。

2.6二級(jí)模糊綜合評(píng)判

由上面可得到的一級(jí)評(píng)判結(jié)果可以得到二級(jí)評(píng)價(jià)矩陣：

設(shè)對(duì)U1、U2、U3的權(quán)重分配為：W=(0.4,0.3,0.3)，從而可以得到反應(yīng)器發(fā)生腐蝕失效的二級(jí)評(píng)判結(jié)果為：B2=W×R=(0.2264,0.3126,0.2225,0.1712,0.0703)。

2.7模糊向量明確化

由于上述結(jié)果為模糊向量，需要加以明確其評(píng)判等級(jí)，將模糊向量解模糊即清晰化，一般有最大隸屬度和重心法[9，10]。最大隸屬度就是對(duì)評(píng)判向量b利用最大隸屬度法b0=max(b1，b2，…，bn)，得到評(píng)判結(jié)果b0。方法簡(jiǎn)單明了但是精確度不夠，考慮的影響因素也比較少。

重心法也就是加權(quán)平均法能夠考慮全面的二因素，該方法類似于求數(shù)學(xué)期望過程，加權(quán)系數(shù)μ(ui)、[μ(ui)]2(增加隸屬度較大元素)不同得到精確值也不相同。計(jì)算公式為：

對(duì)于反應(yīng)器模糊評(píng)價(jià)選用重心法來進(jìn)行清晰化處理，加權(quán)系數(shù)采用[μ(ui)]2，由于評(píng)語集Vi(i=1,2,3)是不同的，需要重新定義并對(duì)評(píng)語集的等級(jí)賦予數(shù)值(表7)。

重新定義的評(píng)語集，可以得到清晰化處理公式為：

表7 新定義評(píng)語集表

B0為評(píng)判的反應(yīng)器的安全等級(jí)，取值為1～5之間：

3 結(jié)論

3.1對(duì)于重排反應(yīng)器發(fā)生腐蝕的失效原因經(jīng)過FMEA危險(xiǎn)排序法得到結(jié)果多數(shù)為高風(fēng)險(xiǎn)值，發(fā)生的嚴(yán)重度、頻度及檢測(cè)度都有很大的不確定性和模糊性?；谀：C合評(píng)判的FMEA分析，從定量方法上嚴(yán)格證明了方法的準(zhǔn)確性。

3.2從計(jì)算結(jié)果B0=3.492可以看出等級(jí)在3～4之間，可見反應(yīng)器安全性處于接近較差，相比于反應(yīng)器的FMEA表1中所示的RPN順序表普遍都是高風(fēng)險(xiǎn)，模糊評(píng)價(jià)使得風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降低一個(gè)等級(jí)屬于偏于中等風(fēng)險(xiǎn)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)使得結(jié)果更具精確，確定反應(yīng)器為中高風(fēng)險(xiǎn)，需要制定合理的檢測(cè)與維護(hù)規(guī)程，對(duì)設(shè)備加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，避免操作中帶來過多殘余應(yīng)力，正確選擇耐腐蝕材料，也要做好如噴涂等防腐措施，一旦發(fā)生異常及時(shí)采取措施制止，以防發(fā)生火災(zāi)爆炸等嚴(yán)重事故。

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RiskAnalysisofCyclohexanoneOximeRearrangementReactorsBasedonFuzzyFMEA

GUO Fan, YU Xiao-chun, YUAN Dong-ming

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing211816,China)

Three-stage consecutive rearrangement reactor is the main device for cyclohexanone oxime’s Beckmann rearrangement reaction. Aiming at the environmental influence on the equipment, the method of failure mode and effect analysis (FMEA) was applied to the reactor failure analysis, but its low accuracy exists. The fuzzy comprehensive evaluation method was introduced to the modeling analysis, including the analytic hierarchy process (AHP) to determine both weight vector and risk level. The results show that this fuzzy FMEA quantitative analysis method can make the safety assessment of the rearrangement reactor more reasonable.

rearrangement reactor, cyclohexanone oxime, FMEA, fuzzy comprehensive evaluation, risk analysis

*郭 凡，女，1988年2月生，碩士研究生。江蘇省南京市，211816。

TQ052.5

A

0254-6094(2015)01-0006-06

2014-03-24)