基于模糊綜合評價的低壓安全注射系統可靠性分析

趙 鑫，蔡 琦，張永發，蔣衛民

(1.海軍工程大學，武漢 430032； 2. 92730部隊，海南 三亞 572000)

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【后勤保障與裝備管理】

基于模糊綜合評價的低壓安全注射系統可靠性分析

趙 鑫1，蔡 琦1，張永發1，蔣衛民2

(1.海軍工程大學，武漢 430032； 2. 92730部隊，海南 三亞 572000)

結合設備運行過程中的專家意見，通過模糊綜合評價的方法，對專家評價數據進行分析，得到故障模式的模糊綜合評價等級，利用Isograph軟件實現故障模式傳遞的可視化以及直觀表達故障模式危害度矩陣，利用模糊綜合評價的結論及易知部件的故障率求得邊界閥的故障率。

安全注射系統；模糊綜合評價；Isograph；危害度矩陣

核動力系統長期在高溫、高壓、強放射性環境下工作，一旦發生事故，后果嚴重。安全注射系統作為一回路安全縱深防御的組成部分，其作用就是緩解一回路破口事故的嚴重程度。由于安全注射系統平時處于備用狀態，可用性相對隱蔽，導致操作人員對可用狀態不可預知，而安全注射系統的故障模式分析主要通過系統設計階段的FMECA，使得系統運行經驗與FMECA分析結合不緊密，全注射系統與一回路相連的邊界閥故障檢測困難。

1 FMECA的發展及現狀

FMECA (Failure Mode，Effect and Criticality Analysis)主要由故障模式(FMEA)與影響及危害性分析(CA)組成，其基本步驟為：確定重要功能產品；確定故障影響的程度；確定預防維修工作類型；探索預防性維修間隔期。該方法從產品的功能出發并應用于維修保障層面上，應用范圍涵蓋了裝備設計階段和使用階段[1-3]。

傳統的FMECA存在幾點不足：第一，分析過程多為定性分析，不能比較各故障模式中影響最大的因素以及各故障模式之間對系統危害最大的因素，無法通過數據分析得到具有說服力的故障模式排序結論；第二，評價依賴于系統設計階段的定量分析，與裝備服役階段運行經驗沒有結合，忽略了專家的不同評價[4]；第三， FMECA分析是通過故障模式與危害性分析表進行的，不僅故障模式的傳遞過程不直觀，而且查找某一故障模式傳遞過程容易出現缺漏現象；第四，沒有將模糊綜合評價、Isograph、系統故障模式的故障率三者有效的綜合考慮。

針對以上不足之處，本文利用Isograph可靠性分析軟件[5]的相關模塊對傳統的FMECA加以改進，結合具體系統的運行經驗進行危害度分析的模糊綜合評價，利用已知的系統部件的故障率推算邊界閥的故障率[6]。

2 模糊評價、Isograph軟件分析及難測部件故障率推斷過程

1) 建立故障模式影響因素的集合。對同一故障模式的不同影響因素組成集合表示為如下形式：

(1)

其中，ui為故障模式U的第i個影響因素。

2) 建立專家評價集合。將專家對同一故障模式評價組成的集合表示為如下形式：

(2)

其中，vi為對故障模式評價的第i個等級。

3) 建立故障模式影響因素的模糊評價矩陣。讓專家對故障模式的每個影響因素做一個評價等級。設有h個專家對其進行了評價，其中評定ui隸屬于Vi的有hij人，表示為如下形式：

(3)

將故障模式的影響因素組成模糊因素評價矩陣：

(4)

4) 確定各個影響因素的權重。

首先，用aij表示兩個影響因素ui和uj的相對數值，構造判斷矩陣。

(5)

為了提高FMECA分析結果的科學性，本文構造判斷矩陣，優先采用九標度矩陣。若問卷專家不確定，則采用三標度[7]方法，然后轉化為九標度，步驟如下：

① 三標尺對影響因素aij的取值規則為：若與uj相比，uj更重要，則相對值aij取0；同等重要，則相對值aij取1；若uj更重要，則相對值aij取2。

② 利用公式將三標尺轉化為九標尺，公式如下：

(6)

③ 由于三標度矩陣存在誤差較大，故轉化后的矩陣將不進行一致性檢驗，而直接由問卷得到的九標度矩陣要進行一致性檢驗，公式如下：

(7)

其中，λmax為九標尺轉化后的矩陣特征向量的最大值，In由n矩陣的階數決定，查表可知，當M<0.1時，則認為得到的九標尺矩陣的一致性符合要求，可以繼續進行下一步計算，否則應進行修改。

④ 本文采用方根法進行權重計算，并進行歸一化處理，所用公式如下：

(8)

5) 一級模糊綜合評價和綜合危害等級的確定。將故障模式的權重向量[式(6)]與專家的評價[式(4)]相乘，得到模糊評價向量。評價數值C則采用了評價向量[式(9)]與專家評價集合[式(2)]相乘的加權法得到，公式如下：

(9)

C=B·V

(10)

評價數值C的危害等級對應關系為：

(11)

6) 二級模糊綜合評價[8]。為了比較子系統的危害性大小，要利用故障模式評價的結果進行子系統的模糊評價，利用步驟4的求權重方法進行分析計算，得到系統的二級模糊綜合評價。

7) Isograph的FMECA可視化分析[9]。Isograph分析的原理是建立系統的樹形模型，不僅直觀的得到故障模式的傳遞過程，而且將評價結論轉化為系統危害度分布。Isograph的樹形模型主要通過參數α決定同一故障模式發生不同危害度等級的概率；而故障模式上層的影響是通過參數β體現。

8) 利用步驟5中的推算得到的模糊綜合評價數值C和系統可維修部件的故障率，推算維修保養過程中無法實際測得的部件故障率。其計算公式為：

(12)

其中，λ已知和C已知為系統中已知可維修部件的故障率和模糊綜合評價參數，C未知為系統中未知部件的模糊綜合評價參數，λ未知為未知部件故障率。此外，還可以推廣到子系統中，用已知子系統的故障率去求解未知子系統的故障率。

3 實例計算

對于壓水堆，任何一回路的承壓邊界的破損都會導致冷卻劑流失，為了應對失水事故發生，設計了安全注射系統、噴淋系統等。圖1表示了安全注射系統結構。

圖1 安全注射系統結構

為了便于分析，根據工作過程將安全注射系統劃分為投入使用功能模塊、危急冷卻功能模塊，安全注射功能模塊以及注射水導入功能模塊[10]。

1) 安全注射系統的投入使用模塊：失水事故發生后為冷卻堆芯提供正確的冷卻水注入路徑，包含兩條管路及相關閥門。

2) 危急冷卻功能模塊：對安全注射系統的注射用水進行冷卻，使反應堆的最終熱阱轉化為外部冷卻水，模塊主要由熱交換器和相關閥門組成。

3) 安全注射模塊：利用安全注射泵和安全殼底部泵將冷卻水、備用水倉水等注射用水注入反應堆堆芯，模塊主要包括了安全注射泵、安全殼底部泵以及配套的止回閥、安全閥。

4) 注射水導入模塊：為安全注射系統在投入使用后提供注射用水，模塊主要包含了屏蔽水箱、安全殼底部水、備用水箱以及相關的安全閥、泄壓閥。

安全注射系統的任何功能模塊的失效都將導致系統任務的失敗，故四個功能模塊的可靠性框圖為串聯關系。結合安全注射的投入使用模塊，以F3閥一端注射冷卻水為例進行一級模糊綜合評價。表1為安全注射的投入使用模塊的FMECA分析表。

本文向維修保障專家、反應堆操縱人員以及科研院所的研究人員發出10份調查問卷，分析過程如下：

1) 確定故障模式的影響因素集合。將故障模式影響因素集合確定為：

U={故障發生概率相對大小，影響嚴重程度，維修的難易程度，檢測難易程度}。

2) 明確評價等級。從嚴酷度的四個等級出發將評價等級分為四個等級，具體如表2。

表1 安全注射的投入使用模塊FMECA分析

表2 嚴酷度的等級評價劃分

3) 構造故障模式的專家評價矩陣。將專家的評價等級進行歸類，得到的數據如下：

得到的故障模式的模糊評價矩陣為：

4) 結合專家意見建立故障模式影響權重級。

故障序號1的專家評價三標尺矩陣為表3。

表3 專家評價的三標尺矩陣

其中，A1～A4分別代表了故障模式1的故障發生概率、影響程度、維修的難易、檢測難易，表格交叉位置的數值為兩因素對故障模式1影響的相對大小(取值規則詳見步驟4)。

rmax=7，rmin=2，在將三標度轉化為九標度時，bm=9。利用式(6)得到九標度矩陣為表4。

表4 九標度矩陣

結合式(8)，進行歸一化處理之后得到該調查問卷的權重集為

如果問卷結果為九標度，則直接進行權重集計算，并加入一致性檢驗。計算10份問卷權重集的算術平均值為：

魚粉中的苦味物質較多，例如原料魚在自溶、腐敗變化過程，會產生苦味肽之類的物質，同時也會有麻味物質的產生。因此，魚粉等產品中，苦味、麻味也是對新鮮度判別的指標之一。

5) 利用式(9)、式(10)得到的屬于故障模式1的危害性隸屬度和危害度等級為：

C1=1.582 5

經計算故障模式1的危害度等級的值為1.582 5。

6) 采用同樣的方法得到該功能模塊的其他故障模式的危害度等級，這里僅列舉模糊評價矩陣及最終的權重集。表5所示為故障模式2～4的模糊評價矩陣及最終權重集。

表5 故障模式2～4的模糊評價矩陣及最終權重集

故障模式的危害性隸屬度：

危害度等級為：

C2=1.753 4,C3=1.908 2,C4=2.116 1

比較危害度等級的值以后，按大小的順序排列得到子系統故障模式影響大小的順序：

7) 二級模糊綜合評價對子系統的薄弱環節的分析，方法同上。

將故障模式影響因素集變為故障模式1，故障模式2，故障模式3，故障模式4；評級等級變為1無影響，2影響較小，3影響較大，4影響嚴重；通過專家評價，確定相應的權重集。

得到子系統的危害性隸屬度和危害度等級為：

C=1.743

運用同樣的方法得到其他子系統的危害度等級，比較后可以得到子系統的危害度排名。從設備的維修保障角度出發，比較危害度等級得到系統的薄弱環節。改善系統薄弱環節，提高系統的可靠性。

8) 結合Isograph軟件的FMECA模塊進行分析：

結合傳統的FMECA的四個不同嚴酷度對安注系統進行定義：

I災難性的，安全注射系統完全失效；

II致命性的，安全注射系統使用效率低下；

III臨界的，安全注射系統效率明顯降低或破口較大，滿足不了系統需求；

IV輕度的，安全注射系統效率有所降低，但不影響使用或對系統基本無影響。

9) 在檢修過程中，F3和F4閥為安全注射系統與一回路的邊界閥，由于一回路系統的特殊性，在檢修過程中不能進行啟閉檢測，而模糊評價的結論是建立在歷史故障狀態檢修的基礎上。而F5和F6閥可以在檢修過程中通過啟閉進行故障的檢修，故利用它們的模糊評價結論推算出邊界閥的故障率，結合式(11)可得F3和F4的故障率，其中F5的故障率為4.2E-6，修正之后的F3和F4的故障率為4.57E-6和5.07E-6，這樣可以得到較為精確的邊界閥的故障率。

圖2 Isograph軟件故障傳遞過程

圖3 Isograph軟件計算危害度矩陣及系統故障模式排序

通過上述分析過程得到安全注射系統零部件的故障模式如何對系統造成影響，結合FMECA的危害度矩陣和系統故障模式影響排序，推斷系統的薄弱環節及系統的可靠性水平，將模糊評價數值與故障率聯系在一起，通過已知部件的故障率推算無法直接測量部件的故障率，為裝備維修保障提供了科學的數據支持。

4 結論

通過分析得到修正后安全注射系統的薄弱環節，結合Isograph 的分析過程，不僅更為直觀的發現系統中各個底層故障的傳遞過程、各個底層事故對系統最終影響的結果及其影響的所占比重，直觀的對系統做出綜合評估，還可以通過模糊評價數值推算未知系統的故障率，使所得計算結果更加科學，將故障模式數據化，將定性的問題定量化，有利于維修過程中的故障修正，提高了維修保障的效率。該方法思路清晰，加上Isograph軟件的強大分析能力，將其運用到大型復雜系統中，為大型復雜設備提供維修保障支持，使系統內部底層故障的傳遞過程更加清晰表示，推算出子系統的故障率。

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(責任編輯 唐定國)

Reliability Analysis of Safety Injection System Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation

ZHAO Xin1, CAI Qi1, ZHANG Yong-fa1, JIANG Wei-min2

(1.Naval University of Engineering, Wuhan 430032, China; 2.The No. 92730thTroop of PLA, Sanya 572000, China)

Based on the expert opinion in the process of equipment operation and through the method of fuzzy comprehensive evaluation, we analyzed the expert evaluation data, and got the level of failure mode by fuzzy comprehensive evaluation to realize the fault mode transfer by using Isograph software visualization and intuitive harm degree matrix of failure mode, and finally it can drive boundary valve failure rate by using the conclusion of fuzzy comprehensive evaluation and failure rate of known components.

safety injection system; fuzzy comprehensive evaluation; Isograph; matrix of criticality

2016-06-13；

2016-07-10

趙鑫(1991—)，男，碩士研究生，主要從事核動力維修研究。

10.11809/scbgxb2016.10.029

趙鑫，蔡琦，張永發，等.基于模糊綜合評價的低壓安全注射系統可靠性分析[J].兵器裝備工程學報，2016(10):133-138.

format:ZHAO Xin, CAI Qi, ZHANG Yong-fa, et al.Reliability Analysis of Safety Injection System Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):133-138.

TP202

A

2096-2304(2016)10-0133-06