摘要：研究旨在探究核島機(jī)械系統(tǒng)在極端工況下的可靠性及其優(yōu)化方法。首先，確定了極端工況下核島機(jī)械系統(tǒng)的性能標(biāo)準(zhǔn)和要求，并分析了極端工況對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。其次，提出了4種優(yōu)化方法，即強(qiáng)化設(shè)計(jì)方法以提高系統(tǒng)固有可靠性、冗余設(shè)計(jì)策略增加系統(tǒng)在關(guān)鍵部件失效時(shí)的備用能力、通過(guò)預(yù)測(cè)性維護(hù)和健康監(jiān)測(cè)預(yù)防故障以及應(yīng)急響應(yīng)和恢復(fù)策略以優(yōu)化系統(tǒng)在極端事件后的快速恢復(fù)能力。這些策略的實(shí)施，旨在提升核島機(jī)械系統(tǒng)在面對(duì)極端條件時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：核島機(jī)械系統(tǒng)極端工況可靠性優(yōu)化預(yù)測(cè)性維護(hù)

Reliability Study of Nuclear Island Mechanical Systems under Extreme Conditions

WANG Lei

（Sanmen Nuclear Power Co.， Ltd.，Taizhou， Zhejiang Province， 317100 China

Abstract：This paper investigates the reliability of nuclear island mechanical systems under extreme conditions， aiming to establish performance standards， assess the impact of extreme conditions， and propose optimization methods. The study first determines the performance requirements of nuclear island mechanical systems when facing extreme conditions such as earthquakes and floods， and then evaluates the specific impact of these conditions on system reliability. The article proposes methods to enhance system reliability through enhanced design， redundancy design， predictive maintenance and health monitoring， and emergency response strategies. These methods help to ensure the safe and stable operation of nuclear power plants under extreme conditions.

Key Words： Nuclear island mechanical systems; Extreme conditions; Reliability optimization;Predictive Maintenance

1極端工況下核島機(jī)械系統(tǒng)可靠性研究目的

標(biāo)題：

1.1 核島性能標(biāo)準(zhǔn)確定

核電站核島機(jī)械系統(tǒng)對(duì)核島安全運(yùn)行具有重要意義，特別是極端工況條件下核島機(jī)械系統(tǒng)性能好壞直接影響全站安全穩(wěn)定運(yùn)行。在對(duì)這類系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的過(guò)程中，需要建立一系列苛刻的性能標(biāo)準(zhǔn)與要求，這就需要考慮到地震、 洪水、高溫等多種極端條件，保證系統(tǒng)在上述情況下能維持正常工作或者至少能被控制到安全失敗模式。對(duì)此，工程師及研究人員需要對(duì)核島機(jī)械系統(tǒng)正常工作與可能遇到的極端環(huán)境情況進(jìn)行深入剖析。包括機(jī)械結(jié)構(gòu)物理耐久性、操作系統(tǒng)響應(yīng)速度、安全保護(hù)措施有效性等綜合評(píng)價(jià)。這些性能標(biāo)準(zhǔn)與要求既要建立在歷史數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，又要結(jié)合最新研究成果與技術(shù)進(jìn)步才能保證它們的全面性與前瞻性。這些準(zhǔn)則與要求的制定也需要考慮到系統(tǒng)冗余性與彈性等因素，以保證系統(tǒng)某個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障后，另一個(gè)環(huán)節(jié)能夠承擔(dān)所需要的職能，從而確保整體系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)[1]。另外，上述標(biāo)準(zhǔn)與要求的發(fā)展需要以國(guó)際核安全標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，從全球視角保證其適用性與有效性[2]。

1.2 極端工況對(duì)核島機(jī)械系統(tǒng)可靠性的影響

評(píng)估核島機(jī)械系統(tǒng)在極端工況下的可靠性是一個(gè)復(fù)雜且窮盡性的工作，它涉及多種可能情況下的仿真、分析與判讀。這項(xiàng)評(píng)估工作旨在深入了解極端環(huán)境條件對(duì)系統(tǒng)性能的影響和這些影響會(huì)引起的特定問題。通過(guò)上述分析可確定系統(tǒng)的薄弱之處，從而為以后優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。評(píng)價(jià)過(guò)程包括：搜集核島機(jī)械系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)下性能的大量資料，并采用先進(jìn)的模擬技術(shù)再現(xiàn)極端狀態(tài)下運(yùn)行環(huán)境，以及應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)故障概率與系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行了分析。這些分析有助于識(shí)別在極端環(huán)境下，哪些系統(tǒng)組件最容易受損，哪些安全措施可能會(huì)失效，以及系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行所需的時(shí)間和資源。另外，這類評(píng)價(jià)也包括對(duì)系統(tǒng)冗余性、韌性等因素的考慮，即當(dāng)損失較大時(shí)系統(tǒng)是否能繼續(xù)完成關(guān)鍵功能、恢復(fù)正常狀態(tài)需要多長(zhǎng)時(shí)間、流程如何。該評(píng)價(jià)既可為核島機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，也可為針對(duì)極端事件的應(yīng)急計(jì)劃與響應(yīng)策略的制定提供重要基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)這些深度的評(píng)價(jià)，可以確保核島的機(jī)械系統(tǒng)在遭遇極端情況時(shí)，依然能夠維持所需的穩(wěn)定和可靠性，進(jìn)而確保核電站的整體安全運(yùn)行[3]。

2核核島機(jī)械可靠性優(yōu)化方法

2.1 提高系統(tǒng)的固有可靠性

加強(qiáng)設(shè)計(jì)方法對(duì)核島機(jī)械系統(tǒng)可靠性優(yōu)化具有核心意義。采用高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)原則與最新工程技術(shù)可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段內(nèi)在可靠性顯著增加。該方法并不只注重個(gè)別部件的表現(xiàn)，而是涉及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化以保證各部件在極端情況下處于最優(yōu)。在強(qiáng)化設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中，工程師們將結(jié)合材料科學(xué)，力學(xué)和熱動(dòng)力學(xué)多學(xué)科知識(shí)，篩選出適應(yīng)極端環(huán)境下使用能經(jīng)受高壓和高溫限制條件下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的材料。例如：在核島的核心設(shè)備中，反應(yīng)堆的壓力容器和冷卻系統(tǒng)，都會(huì)使用具有耐腐蝕性和高強(qiáng)度的合金材料，并通過(guò)精確的計(jì)算來(lái)確保這些設(shè)備在極端情況下的結(jié)構(gòu)和功能都是完整和可靠的。另外，強(qiáng)化設(shè)計(jì)涉及到高級(jí)仿真與測(cè)試程序，系統(tǒng)及各部件在仿真極端環(huán)境中綜合測(cè)試可提前識(shí)別潛在弱點(diǎn)與危險(xiǎn)。這一前瞻性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)既能夠滿足目前安全要求又能夠適應(yīng)將來(lái)可能出現(xiàn)的極端情況，使核島機(jī)械系統(tǒng)固有可靠性顯著提高。如表1所示

2.2 提升系統(tǒng)在關(guān)鍵部件失效時(shí)的備用能力

冗余設(shè)計(jì)策略對(duì)于提高核島機(jī)械系統(tǒng)關(guān)鍵部件發(fā)生故障后的備用能力具有重要意義。這種策略通過(guò)在系統(tǒng)內(nèi)添加備用組件或者路徑來(lái)保證在主要功能失效后能夠即時(shí)切換至備用系統(tǒng)以使運(yùn)行中斷風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到最小。這一設(shè)計(jì)哲學(xué)主張通過(guò)預(yù)先設(shè)定若干個(gè)執(zhí)行同一職能的部件或系統(tǒng)來(lái)維持整個(gè)系統(tǒng)在遇到故障或者損壞時(shí)的工作狀態(tài)。在冗余設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，其要點(diǎn)是要識(shí)別出系統(tǒng)運(yùn)行所必需的部件與功能，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)這些部件設(shè)計(jì)出一組或者多組備用方案。其中既包括備用泵、電源及控制系統(tǒng)等物理組件冗余，也包括軟件與控制邏輯冗余，從而保證當(dāng)硬件發(fā)生故障時(shí)軟件能接管控制并保持系統(tǒng)工作。冗余設(shè)計(jì)還要綜合考慮系統(tǒng)整體布局及操作邏輯等因素，避免冗余部件集中導(dǎo)致單點(diǎn)故障。所以，冗余元素分布與集成方式需精心策劃才能達(dá)到真實(shí)功能備份。例如：在反應(yīng)堆的冷卻系統(tǒng)里，存在多個(gè)獨(dú)立的冷卻回路，這確保了即便其中一個(gè)回路出現(xiàn)故障，其余的回路依然能夠保持其冷卻能力，避免系統(tǒng)過(guò)度加熱。如圖1所示

2.3 實(shí)施基于條件的維護(hù)以預(yù)防故障

預(yù)測(cè)性維護(hù)與健康監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用是保證核島機(jī)械系統(tǒng)極端運(yùn)行條件下保持高可靠的關(guān)鍵步驟。該方法依靠先進(jìn)的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)分析及機(jī)器學(xué)習(xí)算法等手段，通過(guò)對(duì)設(shè)備狀態(tài)及性能的不斷監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)確定可能引發(fā)故障的信號(hào)，以便在出現(xiàn)問題前對(duì)其進(jìn)行介入與維修。執(zhí)行基于工況的維護(hù)程序首先要求核島機(jī)械系統(tǒng)關(guān)鍵組件中設(shè)置多種傳感器，如振動(dòng)傳感器 、溫度傳感器、壓力傳感器等。這批傳感器具備實(shí)時(shí)收集設(shè)備運(yùn)行狀況的能力，其中包括但不僅限于溫度波動(dòng)、振動(dòng)程度和壓力差異等因素，這些信息隨后會(huì)被傳送到中央監(jiān)控系統(tǒng)中。在大數(shù)據(jù)技術(shù)與人工智能不斷發(fā)展的背景下，對(duì)于這些采集數(shù)據(jù)的分析也越來(lái)越有效與準(zhǔn)確。fNwsSwYFU5QUnwVQFoqCGQ==在深入分析歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可為設(shè)備的正常工作建立基準(zhǔn)模型，利用該模型可辨識(shí)出當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)中存在的任意異常情況。該系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)偏離正常值范圍后，能自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，引導(dǎo)維護(hù)團(tuán)隊(duì)對(duì)其檢查維修，從而防止可能出現(xiàn)的故障。另外，該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以為工程師了解設(shè)備故障發(fā)生的根源、優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃、完善設(shè)備設(shè)計(jì)等方面提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)支持。這樣，預(yù)測(cè)性維護(hù)既降低了意外停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，又提高了核島機(jī)械系統(tǒng)整體運(yùn)行效率及可靠性[4]。

如圖2所示

2.4優(yōu)化系統(tǒng)在極端事件后的快速恢復(fù)能力

在核島機(jī)械系統(tǒng)可靠性優(yōu)化問題上，建立高效的應(yīng)急響應(yīng)與恢復(fù)策略對(duì)增強(qiáng)極端事件發(fā)生后系統(tǒng)可靠性快速恢復(fù)具有重要意義。該戰(zhàn)略包括窮盡計(jì)劃和籌備，其目的是確保一旦出現(xiàn)極端事件就能迅速行動(dòng)、將破壞降至最低并迅速恢復(fù)正常經(jīng)營(yíng)。應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃的制定，首先需要對(duì)可能發(fā)生的極端事件進(jìn)行全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，包括自然災(zāi)害（如地震、洪水）和人為因素（如操作失誤、恐怖攻擊等）。在這些評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，提出了一些具體對(duì)策，主要有緊急撤離程序，關(guān)鍵設(shè)備快速開關(guān)計(jì)劃，緊急維修與恢復(fù)等步驟。與此同時(shí)，定期開展關(guān)鍵人員培訓(xùn)與演練以保證其在真實(shí)緊急情況下能嫻熟地實(shí)施應(yīng)急計(jì)劃也是應(yīng)急響應(yīng)效率得以提升的又一個(gè)關(guān)鍵。此外，與本地應(yīng)急服務(wù)機(jī)構(gòu)（如消防隊(duì)、醫(yī)療隊(duì)）的協(xié)調(diào)和聯(lián)絡(luò)也非常重要，確保在需要時(shí)能夠獲得迅速的外部支持。事件控制后與損害限制后制定恢復(fù)策略并重。其中包括評(píng)估系統(tǒng)損害，規(guī)劃重點(diǎn)維修關(guān)鍵設(shè)備及功能，重新開始并逐漸恢復(fù)正常運(yùn)行。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)規(guī)劃，可保證核島機(jī)械系統(tǒng)能在極端事件發(fā)生時(shí)最快速地恢復(fù)至安全、高效工作狀態(tài)[5]。

3結(jié)語(yǔ)

本研究深入探討了核島機(jī)械系統(tǒng)在極端條件下的可靠性需求和優(yōu)化策略，旨在為核電站在遭遇極端環(huán)境時(shí)的安全與穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)與操作框架。通過(guò)采取一系列針對(duì)性的優(yōu)化措施，能夠有效增強(qiáng)核島機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)對(duì)能力，保障其在面臨極端挑戰(zhàn)時(shí)的可靠性與效率。此研究的成果不僅對(duì)核電行業(yè)具有重要的理論價(jià)值，也為實(shí)際應(yīng)用中提高核電站安全性和韌性提供了實(shí)踐路徑。

參考文獻(xiàn)

[1] YAO K， YAN S， TRAN C C. A fuzzy CREAM method for human reliability analysis in digital main control room of nuclear power plants[J]. Nuclear Technology， 2022，208（4）：761-774.

[2] WANG M， IVANOVSKA I， VASHISTH M， et al. Nuclear mechanoprotection： From tissue atlases as blueprints to distinctive regulation of nuclear lamins[J]. APL Bioengineering，2022，6（2）：021504-021504.

[3] SONG M ， JANG Y J ， KIM S J ， et al. Cyclic stretching induces maturation of human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes through nuclear-mechanotransduction[J].Tissue Engineering and Regenerative Medicine，2022， 19（4）：1-12.

[4] ECHARRI A. A multisensory network drives nuclear mechanoadaptation[J]. Biomolecules，2022，12（3）：404-404.

[5] AGRAWAL R， WINDSOR A， LAMMERDING J. Assembly and use of a microfluidic device to study nuclear mechanobiology during confined migration[J]. Methods in Molecular Biology （Clifton， N.J.），2022，2502：329-349.

[6] KRASNOSHCHEKOV DN， OVTCHINNIKOV VM， USOLTSEVA OA. Mechanical q-factor in the earth’s upper inner core inferred from pkikp coda waves[J]. Izvestiya， Physics of the Solid Earth，2021，57（5）：593-604.