壓力安全系統(tǒng)的核安全監(jiān)督物項的風(fēng)險評估

劉知彤，王少明，王洪劍，郝建立，呂 猛

(1.海軍工程大學(xué) 核能科學(xué)與工程系， 武漢 430033； 2.海裝重慶局， 重慶 400042)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

壓力安全系統(tǒng)的核安全監(jiān)督物項的風(fēng)險評估

劉知彤1，王少明1，王洪劍2，郝建立1，呂 猛1

(1.海軍工程大學(xué) 核能科學(xué)與工程系， 武漢 430033； 2.海裝重慶局， 重慶 400042)

將FMEA(Failure Model and Effects Analysis，F(xiàn)MEA)方法運用到船用核動力裝置壓力安全系統(tǒng)的核安全監(jiān)督中，對該系統(tǒng)的各組成部分、元素進(jìn)行分析，找出系統(tǒng)中各組成部分及元素可能發(fā)生的故障，查明各種類型故障對鄰近部分或元素的影響以及最終對系統(tǒng)的影響；然后，運用依賴型語言有序加權(quán)幾何(dependent linguistic ordered weighted geometric，DLOWG)算子進(jìn)行FMEA風(fēng)險評估。利用該算子能減輕評價不公平性，改進(jìn)傳統(tǒng)FMEA中故障的風(fēng)險優(yōu)先數(shù)(Risk Priority Number，RPN)計算方式，從而得出壓力安全系統(tǒng)各部分的核安全監(jiān)督的重要度排序，對提高核安全監(jiān)督水平，具有十分重要的意義。

船用核動力裝置；壓力安全系統(tǒng)；核安全監(jiān)督；FMEA,DLOWG算子

船用核動力裝置的核安全監(jiān)督是為了確保核動力裝置運行、維修活動，滿足相關(guān)法律法規(guī)的要求，督促并糾正不符合核安全要求和許可證條件的事項。壓力安全系統(tǒng)的主要功能是對一回路冷卻劑因溫度或容積變化產(chǎn)生的壓力波動進(jìn)行控制和保護(hù)，對其進(jìn)行核安全監(jiān)督，對確保反應(yīng)堆的安全運行具有至關(guān)重要的作用[1]。

現(xiàn)行的FMEA分析方法一般與模糊方法結(jié)合，進(jìn)行船用核動力裝置的故障模式分析。在船用核動力領(lǐng)域，F(xiàn)MEA經(jīng)驗較少，很難找到準(zhǔn)確的概率資料，所以只能定性地給出概率類別。一般由設(shè)計人員、使用人員和監(jiān)督人員分別從故障模式發(fā)生度O、嚴(yán)重度S和難檢度D三個風(fēng)險因子進(jìn)行評價。因而，存在各個風(fēng)險因子不同，但最后得到的風(fēng)險優(yōu)先值卻相同的情況[2]。FMEA的安全評估過程一般采用模糊數(shù)學(xué)分析方法，但很多研究為了簡便采用了三角形、梯形等簡單模糊數(shù)，很少判斷該模糊數(shù)的合理性[3]。運用模糊集計算會有放大效應(yīng)，使計算結(jié)果不匹配最初的語言評價結(jié)果。

在實際應(yīng)用中，決策者更偏向于直接通過語言變量進(jìn)行評價，反映自身對某問題的偏好[4]。語言信息決策可以避免模糊理論兩次模糊化轉(zhuǎn)換過程，直接對語言變量進(jìn)行詞計算，在整個處理語言信息過程中不會丟失決策信息。

而本論文將基于DLOWG算子的FMEA風(fēng)險評估用于核安全監(jiān)督物項重要度評價，現(xiàn)場核安全監(jiān)督物項的3個評價維度與FMEA分析方法中的嚴(yán)酷度的評價維度相似，最后得到的風(fēng)險優(yōu)先值，代表現(xiàn)場核安全監(jiān)督的重要度。

1 壓力安全系統(tǒng)FMEA模型建立

基于DLOWG算子的FMEA風(fēng)險評估方法，不僅分析系統(tǒng)中的各組成部分，而且分析傳感器與故障征兆、檢測參數(shù)的關(guān)系，可以直接采用語言變量進(jìn)行群體決策風(fēng)險評估，同時考慮到群決策中專家偏好問題，對偏見或錯誤的語言評價賦以較低的權(quán)重，減少決策不公平性，從而得到船用核動力裝置及系統(tǒng)中各部分風(fēng)險排序，確定核安全監(jiān)督重點。基于DLOWG算子的FMEA風(fēng)險評估過程如圖1 所示。

圖1 基于DLOWG算子的FMEA風(fēng)險評估過程

FMEA分析方法，可以用在監(jiān)督預(yù)防階段，分析潛在的故障模式及故障原因，采取措施以防止故障發(fā)生。核安全監(jiān)督FMEA項目中，要進(jìn)行全面細(xì)致的硬件失效模式分析評估，第一步應(yīng)建立結(jié)構(gòu)模型。

壓力安全系統(tǒng)由穩(wěn)壓器、噴霧電磁閥、蒸汽釋放閥、安全閥及其它閥門、相連管道和測量儀表等組成。在反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)啟動、穩(wěn)態(tài)功率運行、正常功率變化、停堆和事故工況下，具有壓力調(diào)節(jié)和壓力保護(hù)的功能，同時還具有除去反應(yīng)堆冷卻劑中的放射性氣體的功能[5]。

穩(wěn)壓器發(fā)生的故障主要發(fā)生在各個組件,而不是作為一個整體裝置發(fā)生故障。故可以將穩(wěn)壓器分為噴霧裝置、波動管等。電加熱器則可以分為電加熱元件棒、密封環(huán)、壓緊螺母、密封環(huán)、接頭等。在核安全監(jiān)督FMEA項目中，傳感器的工作狀態(tài)對核安全產(chǎn)生重要的影響。水位測量裝置的水位參考管、水位測量儀表、溢流孔均應(yīng)納入考慮范圍之內(nèi)。壓力安全系統(tǒng)的FMEA結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

第二步，進(jìn)行壓力安全系統(tǒng)零部件的基本故障模式的判斷。在一個典型的FMEA項目中，可能會有如下基本故障模式：

圖2 壓力安全系統(tǒng)的FMEA結(jié)構(gòu)模型

2 基于DLOWG算子的RPN評估方法

進(jìn)行層次分析后，針對每個物項進(jìn)行故障模式分析，確定監(jiān)督重點。在得出每個物項的故障FMEA表格后利用DLOWG算子進(jìn)行RPN風(fēng)險評估。決策者基于語言評估標(biāo)度進(jìn)行定性測度，一般語言評估標(biāo)度S={si|i=1,2,…,t}，S中的評價術(shù)語一般為奇數(shù)，評價術(shù)語的勢為t-1，且S滿足單調(diào)性。本文中t取7，S定義為S={s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7} ={極差，很差，差，一般，好，很好，極好}。

sα和sβ的距離為

(1)

d(sα,sβ)越小，sα和sβ越接近，偏差越小。

本文利用DLOWG算子對風(fēng)險優(yōu)先數(shù)的3個組成因子進(jìn)行處理，從而得到監(jiān)督物項的風(fēng)險評估結(jié)果。該算子由語言加權(quán)幾何算子(linguistic ordered weighted geometric，LWG)與語言有序加權(quán)幾何算子(linguistic ordered weighted geometric，LOWG)演變而來。

定義LWG算子為

LWGW(s1,s2,…,sn)=(s1)ω1?(s2)ω2? …?(sn)ωn

(2)

LOWG算子為n維語言有序加權(quán)幾何平均算子，它將評價術(shù)語進(jìn)行大小排序后再進(jìn)行運算，方便DLOWG算子運算，其定義為：

LOWGW(s1,s2,…,sn)=(sl1)ω1?(sl2)ω2?…?(sln)ωn

(3)

式(3)中：slj為語言變量組sj(j=1,2,…,n)中從大到小排序第j項元素。

DLOWG算子需要判斷評價值的偏離程度，此程度與語言變量均值和標(biāo)準(zhǔn)差相關(guān)。

sj∈S(j=1,2,…,n)，則語言變量的均值為

(4)

s1,s2,…,sn語言變量的標(biāo)準(zhǔn)差為

(5)

在語言評價值s1,s2,…,sn中，利用(φ(1),φ(2),…,φ(n))將語言評價值下標(biāo)(1,2,…,n)進(jìn)行置換，使得對于?j=2,3，…,n，滿足sφ(j-1)≥sφ(j)，則第j項的語言評價sφ(j)與sμ的相似度為

(6)

由單個評價值與平均值之間的相似度反映專家在群體決策中評價的偏向性。對待相似度較低的語言評價通過賦予較低權(quán)重進(jìn)行糾偏，減輕群體決策中的不公平性[5]。

令ω=[ω1,ω2,…,ωn]T為LOWG算子的權(quán)重，定義：

(7)

由式(3)可得：

LOWGW(s1,s2,…,sn)=

(8)

稱式(8)為DLOWG算子。該算子的集結(jié)與語言評價順序無關(guān)，無需對評價排序或單獨確定權(quán)重，便于進(jìn)行群體決策評價。

群決策風(fēng)險評估方法中RPN值計算過程如下：

(9)

(10)

3 實例研究

壓力安全系統(tǒng)的FMEA項目規(guī)模較大，涉及的故障模式、故障原因較大，壓力安全系統(tǒng)的FMEA，如表1所示。安全閥主閥的安全功能開啟是由于系統(tǒng)壓力升至輔閥整定值時，輔閥開啟引導(dǎo)主閥安全功能啟跳。輔閥的開啟整定值是通過調(diào)節(jié)螺釘壓縮碟形彈簧，將開啟整定值調(diào)整至一定壓力，再將調(diào)節(jié)螺釘用螺母鎖緊[6]。當(dāng)?shù)螐椈捎衅茡p時，失去了原有的整定壓力值，造成安全閥的輔閥在低于設(shè)定壓力時開啟，從而引導(dǎo)安全閥主閥安全功能未在超壓狀態(tài)下提前啟跳。當(dāng)安全閥誤起跳，穩(wěn)壓器壓力迅速下降，水位降低，同時顯示“穩(wěn)壓器安全閥溫度”迅速上升，并出現(xiàn)溫度高報警，“穩(wěn)壓器釋放閥溫度”和“穩(wěn)壓器安全閥溫度”也隨后相繼出現(xiàn)報警，安全殼負(fù)壓迅速降低，安全殼劑量無明顯變化。碟形彈簧斷裂是因腐蝕產(chǎn)生，產(chǎn)生腐蝕最大原因是檢漏孔檢漏完后未及時封住[7]。

穩(wěn)壓器人孔蓋短時泄漏，一般發(fā)生在停堆降溫降壓期間，現(xiàn)象表現(xiàn)為穩(wěn)壓器壓力、水位快速下降，同時伴隨安全殼負(fù)壓消失、安全殼溫度上升。造成穩(wěn)壓器人孔蓋泄漏的原因是穩(wěn)壓器人孔密封元件在多次升溫升壓-降溫降壓循環(huán)過程中產(chǎn)生應(yīng)力松弛[8]。

電加熱元件直接浸泡在水中，熱量直接進(jìn)行交換，加熱元件周圍部件要承受瞬時溫度變化，因此電加熱元件與套管連接的焊縫質(zhì)量非常重要，電加熱器一旦發(fā)生故障，將影響維持和控制冷卻劑系統(tǒng)運行壓力的能力[9]。

FMEA團(tuán)隊由3名技術(shù)專家Eh(h=1,2,3)組成，利用語言評估標(biāo)度，針對17個潛在故障模式，分別從故障模式發(fā)生度、嚴(yán)重度和難檢度進(jìn)行評價。專家針對風(fēng)險因子O、S和D時采用的語言術(shù)語集，如表2所示[10]。

表1 壓力安全系統(tǒng)的FMEA

表2 專家語言評價術(shù)語集

表3 壓力安全系統(tǒng)FMEA模型的 專家語言判斷信息

表4 AHP法確定風(fēng)險因子權(quán)重

3個風(fēng)險因子的權(quán)重為[0.297,0.539 6,0.163 4]，λmax=3.009 2，一致性比值為0.008 8<0.1，表明求得判斷矩陣和權(quán)重向量是合理的。

考慮專家意見的不同權(quán)重d，可以求得上述4個故障模式的專家意見權(quán)重為

ν1h=[ν11,ν12,ν13]=[0.290,0.40,0.250]

表5 不同故障模式的語言風(fēng)險優(yōu)先數(shù)

4 結(jié)論

試驗表明：安全閥碟形彈簧、安全閥閥瓣、電加熱元件棒、噴霧閥、波動管溫度傳感器、碟形彈簧、電加熱器接頭、人孔密封的RPN普遍較高。在現(xiàn)場核安全監(jiān)督中，應(yīng)重點關(guān)注上述物項，并且監(jiān)督周期應(yīng)比一般核安全監(jiān)督物項短。

噴霧裝置噴孔、電加熱器電纜線、電加熱器密封環(huán)、電加熱器套管、電加熱器壓緊螺母、安全閥調(diào)節(jié)圈、安全閥閥體RPN值適中，需要投入的現(xiàn)場核安全監(jiān)督資源一般，具有適當(dāng)?shù)谋O(jiān)督周期即可。在安全閥的各個零部件中，碟形彈簧的RPN占比最高，應(yīng)重點關(guān)注。要定期拆卸檢查，預(yù)估彈簧疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)閥體彈簧銹蝕除銹并涂防銹物質(zhì)。在電加熱器的各個故障模式中，密封性為導(dǎo)致電加熱器失效的主要原因。

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RiskAssessmentonNuclearSafetySupervisionforPressureReliefSystem

LIU Zhitong1, WANG Shaoming1, WANG Hongjian2, HAO Jianli1, LYU Meng1

(1.Department of Nuclear Engineering and Technology，Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.Haizhuang Chongqing Bureau, Chongqing 400042, China)

The FMEA method is applied to the nuclear safety supervision of the pressure relief system of marine nuclear power plant. The components and elements of the system are analyzed to find out the possible faults in the components of the system, and the influence of the various types of faults on the adjacent elements and the final impact. Then, the DLOWG operator is used to FMEA risk assessment. Using the character of operator which can reduce the unfairness of the evaluation and improve the calculation of RPN in the traditional FMEA, the importance ranks of the nuclear safety supervision items in each part of the pressure relief system are obtained, which has significant influence on the safety and reliability of nuclear power equipment.

marine nuclear power plant; pressure relief system; nuclear safety supervision; FMEA; DLOWG operator

2017-06-14；

2017-07-22

劉知彤(1993—)，男，碩士研究生，主要從事船用核動力裝置現(xiàn)場核安全監(jiān)督技術(shù)研究。

王少明(1962—)，男，教授，主要從事船用核動力裝置控制與運行研究。

10.11809/scbgxb2017.10.011

本文引用格式：劉知彤，王少明，王洪劍，等.壓力安全系統(tǒng)的核安全監(jiān)督物項的風(fēng)險評估[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(10):50-54，64.

formatLIU Zhitong, WANG Shaoming, WANG Hongjian, et al.Risk Assessment on Nuclear Safety Supervision for Pressure Relief System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):50-54，64.

TL364+.4

A

2096-2304(2017)10-0050-05

(責(zé)任編輯周江川)