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核電廠可靠性分析的標(biāo)準(zhǔn)研究

2021-10-09 08:11:16黃素文徐思敏陳日罡
自動(dòng)化儀表 2021年8期
關(guān)鍵詞:系統(tǒng)可靠性分析方法核電廠

黃素文,徐思敏,陳日罡

(中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840)

0 引言

可靠性是評(píng)價(jià)核電廠安全性的重要指標(biāo)。核電領(lǐng)域可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)是在核電發(fā)展歷程中對(duì)可靠性分析技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),是核電標(biāo)準(zhǔn)體系的重要組成部分??煽啃苑治龅陌l(fā)展離不開標(biāo)準(zhǔn)的支撐。核電設(shè)計(jì)和運(yùn)行人員以及有關(guān)管理人員只有通過統(tǒng)一的可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)才能進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和決策。另外,對(duì)于相同的數(shù)據(jù),如果選擇的可靠性分析方法不同,那么所得到的結(jié)果也會(huì)有很大的差別。這種差別可能是數(shù)量級(jí)的[1]。因此,需要應(yīng)用指南類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各可靠性分析方法的應(yīng)用、使用范圍、優(yōu)點(diǎn)和局限等內(nèi)容給出指導(dǎo)。我國(guó)可靠性分析應(yīng)用指南標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9225—1999[2]《核電廠安全系統(tǒng)可靠性分析一般原則》已超過20年,如今該版本已不能滿足日益發(fā)展的技術(shù)水平需求和可靠性分析方法的進(jìn)步。

1 國(guó)內(nèi)外核電領(lǐng)域可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)

目前,國(guó)內(nèi)核電系統(tǒng)和設(shè)備可靠性分析的工作和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂主要參考國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission,IEC)以及美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)制訂的標(biāo)準(zhǔn)。本文重點(diǎn)調(diào)研和分析了IEC和IEEE可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)體系。

1.1 IEC的可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)

IEC制訂的可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)體系,從可信性管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60300-1出發(fā),包括可信性相關(guān)的綱領(lǐng)性文件、應(yīng)用指南和工具標(biāo)準(zhǔn)。IEC可信性標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。IEC標(biāo)準(zhǔn)體系中,可靠性分析方法相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)為IEC 60300-3-1[3]《應(yīng)用指南:可信性分析技術(shù)方法指南》及其工具標(biāo)準(zhǔn)IEC 60812[4]《故障模式及其影響分析方法(FMEA)》、IEC 61025[5]《故障樹分析(FTA)》、IEC 61078[6]《可靠性方框圖方法》、IEC 61165[7]《馬爾可夫技術(shù)應(yīng)用》、IEC 62502[8]《事件樹分析(EAT)》、IEC 61882[9]《危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)應(yīng)用指南》等。

圖1 IEC可信性標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 IEEE的可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)

IEEE制訂的標(biāo)準(zhǔn)體系,從核電廠安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)IEEE 603出發(fā),也包括相關(guān)的綱領(lǐng)性文件、應(yīng)用指南和工具標(biāo)準(zhǔn)。

與可靠性相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)包括IEEE 577[10]《核電廠安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的可靠性分析要求》、IEEE 352[11]《核電廠安全系統(tǒng)可靠性分析一般原則》和IEEE 7-4.3.2[12]《核電廠安全系統(tǒng)中數(shù)字計(jì)算機(jī)的適用準(zhǔn)則》。IEEE 577是核電廠安全系統(tǒng)可靠性分析工作的總體要求,規(guī)定的是相關(guān)工作可接受的最低限度要求。IEEE 7-4.3.2規(guī)定了計(jì)算機(jī)用作核電廠安全系統(tǒng)設(shè)備時(shí)的一般原則。IEEE 352在核電廠安全系統(tǒng)及其他核設(shè)施的可靠性分析領(lǐng)域作為基礎(chǔ)指導(dǎo)文件,提供安全系統(tǒng)可靠性分析的基本原則和方法。該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)說明了可靠性分析的基本原則和方法,從定性分析、定量分析、數(shù)據(jù)采集、可靠性方法的應(yīng)用等多方面提出了指導(dǎo)方法和原則,對(duì)可靠性分析的開展和實(shí)施有重要的指導(dǎo)意義。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IEEE標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 IEC與IEEE可靠性分析應(yīng)用指南的對(duì)比分析

作為可靠性分析方法的應(yīng)用指南,IEC 60300-3-1和IEEE 352相比,給出了在可靠性分析方法的使用和選擇方面描述更簡(jiǎn)潔且更普適的原則,具體步驟需參考相應(yīng)的工具標(biāo)準(zhǔn)。IEC 60300-3-1包含了IEEE 352沒有提到的方法,比如Petri網(wǎng)格法、危害和可操作性(hazard and operability,HAZOP)研究法等。各方法所舉的例子沒有明顯的行業(yè)傾向,例如附錄A故障樹法中的擴(kuò)音器例子、事件樹法中的車輪胎故障例子等。

IEEE 352針對(duì)核電領(lǐng)域普遍應(yīng)用的可靠性分析方法給出了指導(dǎo),對(duì)核電領(lǐng)域可靠性分析需要考慮的特定因素進(jìn)行了詳細(xì)的解釋,比如定性分析和定量分析中對(duì)共因故障的考慮、核電廠安全系統(tǒng)可靠性數(shù)值指標(biāo)的確定等。各方法所舉的例子是針對(duì)核電系統(tǒng)或設(shè)備的,例如附錄中應(yīng)用各種可靠性分析方法對(duì)核電站事故停堆功能失效案例進(jìn)行了分析。

總之,IEEE 352在應(yīng)用領(lǐng)域、分析方法范圍、案例等方面更具有核電行業(yè)針對(duì)性。

1.4 我國(guó)可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)情況

國(guó)內(nèi)核電領(lǐng)域使用的可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。GB/T 9225—1999等效采用IEEE 352-1987,由全國(guó)核儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口,是我國(guó)核電領(lǐng)域儀控電安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)之一。該標(biāo)準(zhǔn)從上層系統(tǒng)級(jí)的可靠性分析到下層設(shè)備級(jí)的可靠性分析,都參考了GB/T 9225—1999中的定性和定量分析方法。國(guó)內(nèi)核電領(lǐng)域?qū)S玫目煽啃苑治龉ぞ邩?biāo)準(zhǔn)僅NB/T 20096—2012[13]《核電廠系統(tǒng)故障模式與影響分析》和NB/T 20558—2019[14]《核電廠故障樹分析導(dǎo)則》,由核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所歸口;NB/T 20096—2012非等效采用IEC 60812:2006,結(jié)合核電領(lǐng)域特點(diǎn)規(guī)定了核電廠系統(tǒng)FMEA和FMECA的一般方法、一般原則和實(shí)施步驟;NB/T 20558—2019主要參考GB 7829-87、GJB/Z 768A和NUREG-0492,規(guī)定了核電廠故障樹分析的一般程序和方法。另外,GB/T 37981—2019[15]《可信性分析技術(shù)可靠性框圖法和布爾代數(shù)法》等同采用IEC 61078:2006,GB/T 7826—2012[16]《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)失效模式和影響分析(FMEA)程序》等同采用IEC 60812:2006,GB/T 37080—2018[17]《可信性分析技術(shù)事件樹分析(ETA)》等同采用IEC 20502:2010,都由全國(guó)電工電子產(chǎn)品可靠性與維修性標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口,它們都不是針對(duì)核電領(lǐng)域的。

表1 國(guó)內(nèi)核電領(lǐng)域使用的可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)

由此可見,我國(guó)可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)在制修訂過程中主要參照國(guó)際國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的成熟經(jīng)驗(yàn);已建立核電領(lǐng)域可靠性分析的上層應(yīng)用指南,但標(biāo)齡很長(zhǎng);針對(duì)核電領(lǐng)域的可靠性分析工具標(biāo)準(zhǔn)并不完整。

2 IEEE 352標(biāo)準(zhǔn)分析

經(jīng)上述分析可知,GB/T 9225—1999亟需修訂,且更合適參照IEEE 352-2016進(jìn)行修訂。為了支撐GB/T 9225—1999的修訂,需對(duì)IEEE 352的發(fā)展歷程、升版內(nèi)容等進(jìn)行分析研究。

2.1 IEEE 352的發(fā)展歷程

1975年,IEEE 352首次發(fā)布。在這一時(shí)期,可靠性分析領(lǐng)域處于發(fā)展階段,剛剛形成流派,以北美和歐洲學(xué)者為代表??煽啃苑治鲱I(lǐng)域的研究主要處于理論研究階段,實(shí)用的機(jī)會(huì)并不多。所以在1975版中,很多術(shù)語(yǔ)、方法的描述和給出的建議包含了探討的成分和非經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的成分。

從20世紀(jì)90年代開始,可靠性評(píng)估從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嵱?。IEEE 352-1987版較1975版增加了馬爾可夫模型、蒙特卡羅方法及GO法。這些方法都是后來(lái)被廣泛應(yīng)用在可靠性分析工作中的實(shí)用方法。此版本中還增加了一些方法的算法和可靠性分析方法的應(yīng)用,對(duì)可靠性分析工作有重要的指導(dǎo)意義。

經(jīng)過30年的發(fā)展,2016年IEEE 352進(jìn)行了版本升級(jí)。此版本修訂了理論研究階段的成果,對(duì)可靠性分析方法中的術(shù)語(yǔ)、方法描述、理論依據(jù)和應(yīng)用建議都給出了更為精確的描述,優(yōu)化了定性可靠性分析方法的步驟,在定量可靠性分析的步驟中增加了結(jié)論性的評(píng)判。在2016版中,還融合了其他標(biāo)準(zhǔn)中的成功案例和方法,并給出了出處和理論依據(jù)。IEEE 352-2016現(xiàn)已生效,成為國(guó)際上該領(lǐng)域的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 IEEE 352-2016修訂內(nèi)容

IEEE 352-2016的修訂內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面。

2.2.1 適用范圍及概念

IEEE 352-2016通過修改標(biāo)準(zhǔn)名稱和范圍,更加明確了該標(biāo)準(zhǔn)中的可靠性和可用性分析方法可應(yīng)用于核電站和其他核設(shè)施的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備,而不是僅適用于安全系統(tǒng)。

修改共因故障的定義,并增加共模故障的定義,將共因故障與共模故障明確區(qū)分開。

1987版可靠性分析中的人因還是較新概念。2016版修改了這部分內(nèi)容,并補(bǔ)充了在可靠性分析中考慮人因時(shí)要參考的標(biāo)準(zhǔn),如IEEE Std 1082TM、NUREGCR-3010等。

2.2.2 定性分析相關(guān)內(nèi)容

IEEE 352-2016在定性分析步驟增加了“提出識(shí)別出的潛在問題的改進(jìn)”,并提出需要確定改進(jìn)的優(yōu)先順序。

另外,F(xiàn)MEA增加了故障模式的等級(jí)劃分工作,包括嚴(yán)酷度等級(jí)S、發(fā)生度等級(jí)O、可探測(cè)度等級(jí)D。S代表故障模式后果的嚴(yán)重程度,O代表故障模式的發(fā)生概率大小,D代表故障模式可探測(cè)的程度。給S、O、D分別設(shè)置評(píng)分制度,然后將每個(gè)故障模式對(duì)應(yīng)不同的分值。通過對(duì)S、O、D等級(jí)的使用,有助于分析者確定優(yōu)先處理哪些故障模式。在附錄B“說明性的例子”中,應(yīng)用了S、O、D等級(jí),首先給出了S、O、D等級(jí)量表,然后根據(jù)等級(jí)量表確定例子中各模式的S、O、D等級(jí),并給出了嚴(yán)酷度等級(jí)S與發(fā)生度等級(jí)O的乘積在故障模式處理優(yōu)先級(jí)中的應(yīng)用。

2.2.3 定量分析相關(guān)內(nèi)容

IEEE 352-2016刪除了定量分析中的GO法。

另外,在可靠性方法的應(yīng)用章節(jié)和附錄B中,補(bǔ)充了蒙特卡羅方法,給出了它的特點(diǎn)、用途及使用示例。蒙特卡羅法能用在對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行較重要的系統(tǒng)維修分析上,或者是使用非恒定故障率分布確定早期失效或部件磨損對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。在附錄B中,對(duì)具體實(shí)例應(yīng)用了蒙特卡羅法。假設(shè)故障時(shí)間為指數(shù)分布,分別使用了2種維修策略。先是采用部件故障后在周期結(jié)束前不維修的策略,計(jì)算得到的系統(tǒng)可靠性不滿足指標(biāo)要求。然后更換維修策略,在部件故障時(shí)馬上維修,并假設(shè)修復(fù)時(shí)間是布爾分布。改變維修策略后的系統(tǒng)可靠性滿足了指標(biāo)要求。

2.2.4 補(bǔ)充MTTR的確定方法

IEEE 352-2016增加了附錄C“平均修復(fù)時(shí)間的確定”,給出了一種確定部件平均修復(fù)時(shí)間(mean time to repair,MTTR)的方法。首先介紹了維修過程的一般步驟,共12步,分別是召集、情況通報(bào)、訪問控制、查實(shí)前提條件、故障排查、備件獲取、預(yù)配置、拆卸、重新組裝、檢查、后期配置、測(cè)試。然后給出這12個(gè)步驟的持續(xù)時(shí)間分級(jí)表,將各部分的持續(xù)時(shí)間相加,得到部件的MTTR。最后使用該方法估算控制系統(tǒng)中一類柜裝模件的MTTR。

2.3 修訂內(nèi)容適用性分析

要確定GB/T 9225—1999中需要修訂的內(nèi)容,還要結(jié)合國(guó)內(nèi)核電領(lǐng)域可靠性分析工作的實(shí)際需求和技術(shù)發(fā)展,對(duì)IEEE 352-2016修訂內(nèi)容進(jìn)行適用性分析。以下以IEEE 352-2016中刪除GO法這個(gè)條款修訂為例,進(jìn)行適用性分析。

GO法是以成功為導(dǎo)向的系統(tǒng)可靠性分析方法,適用于有多狀態(tài)和有時(shí)序的復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性分析。姜千等描述了GO法在核電廠高壓注水系統(tǒng)及備用發(fā)電系統(tǒng)可靠性分析中的應(yīng)用,并重點(diǎn)闡述了核電廠儀控板件可靠性預(yù)計(jì)中GO法的應(yīng)用和方法[18]。他提出GO法因其自身的特點(diǎn)而適合應(yīng)用于核工業(yè)系統(tǒng)的可靠性分析,采用GO法進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)是實(shí)際可行且有效的方法。在電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)中,發(fā)展GO法應(yīng)用有著重要的意義。運(yùn)用GO法,分別對(duì)主給水泵組系統(tǒng)、電氣主接線系統(tǒng)、喪失廠外電事件和全廠斷電事件、實(shí)驗(yàn)快堆的核級(jí)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、反應(yīng)堆安全注射系統(tǒng)、大亞灣核電站外電源系統(tǒng)、反應(yīng)堆冗余泵組系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析[19-26]。李哲等將GO法和馬爾可夫方法相結(jié)合,對(duì)PSA中廠外電源喪失后柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)在24 h內(nèi)緩解全場(chǎng)斷電事件中的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了分析,解決了存在維修相關(guān)問題時(shí)的可修系統(tǒng)可靠性精確計(jì)算問題[26]。樊冬明等提出動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的可修GO法模型算法。該算法無(wú)需考慮共有信號(hào)問題,且計(jì)算簡(jiǎn)便、易于理解,便于在工程中推廣應(yīng)用[27]。沈祖培、任鑫等利用GO法對(duì)核電站中可修系統(tǒng)的共因失效進(jìn)行了分析[28-29]。

相較于其他方法,GO法在可靠性分析中能解決特定的問題,在國(guó)內(nèi)核電領(lǐng)域可靠性分析中有一定的應(yīng)用前景。對(duì)此,建議在修訂GB/T 9225—1999時(shí)保留對(duì)定量分析GO法的描述。

3 結(jié)論

完善的核電領(lǐng)域可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)于評(píng)價(jià)核電廠的安全性至關(guān)重要?;谏鲜鰧?duì)國(guó)內(nèi)外可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)體系以及我國(guó)可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)的研究可以確定:我國(guó)核電可靠性分析應(yīng)用指南GB/T 9225—1999因使用時(shí)間長(zhǎng)而亟需修訂;IEEE 352比IEC 60300-3-1在應(yīng)用領(lǐng)域、分析方法范圍、案例等方面更有核電行業(yè)針對(duì)性;GB/T 9225—1999的修訂可參照IEEE 352-2016。在此基礎(chǔ)上,通過對(duì)IEEE 352的發(fā)展歷程、修訂情況及適用性分析,為我國(guó)核電可靠性分析標(biāo)準(zhǔn)的制修訂和標(biāo)準(zhǔn)化工作提供了借鑒和參考。另外,我國(guó)核電領(lǐng)域的可靠性分析工具標(biāo)準(zhǔn)還不完整,仍需進(jìn)一步的研究。

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