核電廠維修規(guī)則性能指標(biāo)建立方法的研究

李志龍

摘 要

根據(jù)美國(guó)NEI發(fā)布的NUMARC 93-01《監(jiān)測(cè)核電廠維修有效性的工業(yè)導(dǎo)則》和國(guó)核安發(fā)【2017】173號(hào)《改進(jìn)核電廠維修有效性的技術(shù)政策（試行）》的指導(dǎo)意見(jiàn)和核電廠維修規(guī)則開(kāi)發(fā)的實(shí)踐，性能指標(biāo)的建立一般有兩種思路：一種是基于系統(tǒng)功能出發(fā)，找到實(shí)現(xiàn)每一項(xiàng)MR功能的設(shè)備組合，再根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)重要度的不同，建立相應(yīng)的性能指標(biāo)。一種是基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，把冗余設(shè)備、（不同功能或工況都用到的）共同設(shè)備劃分出來(lái)，結(jié)合相關(guān)功能，再根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)重要度的不同，建立相應(yīng)的性能指標(biāo)。本文結(jié)合電廠實(shí)際案例，分析和研究這兩種方法各自存在的優(yōu)勢(shì)和不足，并指出性能指標(biāo)建立方法的優(yōu)化思路。

關(guān)鍵詞

維修規(guī)則;性能指標(biāo);系統(tǒng)功能;系統(tǒng)結(jié)構(gòu);

中圖分類號(hào)： G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.17.87

1 概述

1.1 維修規(guī)則簡(jiǎn)介

維修是核電廠重要的安全相關(guān)活動(dòng)，在核電廠運(yùn)行過(guò)程中，必須保證維修活動(dòng)的可靠性和有效性，使核電廠構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備在各種運(yùn)行工況、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況、以及選定的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，能夠有效地執(zhí)行預(yù)定的安全功能，保證核電廠運(yùn)行安全。

傳統(tǒng)上核電廠均采取定期的預(yù)防性和糾正性維修方法，但廣泛的國(guó)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，維修不足、過(guò)度維修以及維修不當(dāng)均會(huì)對(duì)核電廠構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生不利影響，從而影響核電廠的運(yùn)行安全水平。近年來(lái)的國(guó)際經(jīng)驗(yàn)表明，核電廠采用基于構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備有效性和維修風(fēng)險(xiǎn)管理的維修規(guī)則，能夠更加合理、有效的提高維修的有效性。

2017年，國(guó)家核安全局發(fā)布了《改進(jìn)核電廠維修有效性的技術(shù)政策（試行）》，規(guī)定核電廠基于有效的維修規(guī)則實(shí)施的基本原則。為落實(shí)政策要求，核電廠需要建立一套完整的能夠用于監(jiān)測(cè)和改進(jìn)核電廠維修有效性的流程體系，以形成基于維修有效性評(píng)估的監(jiān)督方法（以下簡(jiǎn)稱MR）。

1.2 性能指標(biāo)設(shè)定的一般原則

性能指標(biāo)是評(píng)價(jià)構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱SSC）性能是否滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)，是判斷針對(duì)所開(kāi)展的維修活動(dòng)是否有效的準(zhǔn)則。對(duì)于所有風(fēng)險(xiǎn)重要的功能及雖然屬于非風(fēng)險(xiǎn)重要但處于備用模式的功能，應(yīng)該建立具體的性能指標(biāo);而對(duì)于其它非風(fēng)險(xiǎn)重要的功能，一般可通過(guò)電廠層級(jí)的性能指標(biāo)來(lái)監(jiān)測(cè)。

針對(duì)某項(xiàng)功能設(shè)定的具體的性能指標(biāo)一般用可靠性、可用率或設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)表示。

●可靠性：一段時(shí)間內(nèi)的失效次數(shù)

●可用率：一段時(shí)間內(nèi)的可用或不可用小時(shí)數(shù)

●設(shè)備狀態(tài)參數(shù)：如壁厚、泄漏率、壓力、振動(dòng)等參數(shù)

電廠層級(jí)的性能指標(biāo)適用于MR范圍內(nèi)的所有SSC。包括：7000臨界小時(shí)非計(jì)劃停堆數(shù)，非計(jì)劃能力損失因子，安全系統(tǒng)非計(jì)劃啟動(dòng)數(shù)等。

2 性能指標(biāo)建立方法

2.1 基于系統(tǒng)功能

性能指標(biāo)的最終建立通常是以PSA分析中假設(shè)的可靠性和可用率為依據(jù)，采用數(shù)學(xué)方法（泊松分布、二項(xiàng)分布）并可信度要求來(lái)確定的。但無(wú)論是可靠性還是可用率性能指標(biāo)的建立，都離不開(kāi)對(duì)電廠系統(tǒng)的先導(dǎo)分析。

從性能指標(biāo)設(shè)定的一般原則出發(fā)，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，性能指標(biāo)建立最常見(jiàn)的做法是，首先識(shí)別出該系統(tǒng)有哪些MR功能，再對(duì)每一項(xiàng)MR功能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)重要度判斷，就可以知道在什么監(jiān)督層級(jí)建立什么樣的性能指標(biāo)。

下面以某核電廠安全殼噴淋系統(tǒng)為例，來(lái)分析采用基于系統(tǒng)功能的方法是如何在實(shí)際的電廠系統(tǒng)中建立性能指標(biāo)的。

根據(jù)系統(tǒng)功能分析的結(jié)果，安全殼噴淋系統(tǒng)有兩項(xiàng)MR功能：

1）在發(fā)生失水事故時(shí)，噴淋系統(tǒng)通過(guò)向安全殼內(nèi)噴淋冷卻水，排出安全殼內(nèi)熱量，降低安全殼內(nèi)的壓力與溫度，防止安全殼超壓破壞。該功能包含了注射噴淋階段和再循環(huán)噴淋階段功能（以下簡(jiǎn)稱降溫降壓功能）。

2）在發(fā)生失水事故時(shí)，通過(guò)向噴淋液中添加定量的氫氧化鈉，降低彌漫于安全殼大氣內(nèi)的放射性裂變產(chǎn)物濃度（以下簡(jiǎn)稱降低放射性濃度功能）。

經(jīng)過(guò)相應(yīng)PSA模型的風(fēng)險(xiǎn)重要度判定，這兩項(xiàng)MR功能重要度都為高。因此，我們需要建立具體的性能指標(biāo)（可靠性和可用率）。

對(duì)于降溫降壓這一項(xiàng)MR功能，其包含了注射噴淋階段和再循環(huán)噴淋階段。注射噴淋階段從換料水箱吸水，通過(guò)噴淋泵走熱交換器旁通閥注入安全殼內(nèi);再循環(huán)噴淋階段從再循環(huán)地坑吸水，通過(guò)噴淋泵走停冷熱交換器注入安全殼內(nèi)。雖然兩個(gè)階段都是實(shí)現(xiàn)降溫降壓的功能，但兩者需要的設(shè)備并不完全相同，就算是共同都要用到的設(shè)備，其對(duì)應(yīng)的影響兩個(gè)噴淋階段的設(shè)備失效模式也不一樣。為了能讓性能指標(biāo)更好的回應(yīng)這兩個(gè)不同的噴淋功能階段，我們應(yīng)該對(duì)注射噴淋階段和再循環(huán)噴淋階段都要建立性能指標(biāo)。

因此，接下來(lái)我們要找到實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同的噴淋功能階段的設(shè)備（噴淋階段和再循環(huán)階段都有完整的兩個(gè)系列），通過(guò)泊松分布等數(shù)學(xué)方法，就可以在列上建立各自的性能指標(biāo)。

對(duì)于降低放射性濃度這一項(xiàng)MR功能，當(dāng)噴淋信號(hào)和高劑量信號(hào)都符合時(shí)，儲(chǔ)存箱內(nèi)的NaOH溶液通過(guò)任意一路NaOH添加閥組和噴射器注入噴淋泵入口。

實(shí)現(xiàn)降低放射性濃度這一項(xiàng)MR功能的設(shè)備是比較清晰明確的，就是路徑上的冗余NaOH添加閥門(mén)組在進(jìn)行泊松分布的數(shù)學(xué)方法計(jì)算時(shí)會(huì)存在困難。如果把這六個(gè)閥門(mén)當(dāng)串聯(lián)處理，全部羅列相加計(jì)算，則放大了該功能的失效概率且不符合實(shí)際意義（兩路NaOH添加閥組任意一路有效就能滿足要求，而不是任意一路的某個(gè)閥門(mén)失效，該MR功能就沒(méi)法實(shí)現(xiàn)）;如果把這六個(gè)閥門(mén)當(dāng)并聯(lián)處理，兩路設(shè)備的失效概率相乘計(jì)算，則結(jié)果基本趨于0（意味著兩路閥門(mén)同時(shí)失效才計(jì)入性能指標(biāo)，這種概率接近于0。而對(duì)于單個(gè)閥門(mén)失效的大概率情況卻不計(jì)入性能指標(biāo)）

2.2 基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

另一種建立性能指標(biāo)的方法是基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在識(shí)別出一個(gè)系統(tǒng)所有的MR功能后，分別找出實(shí)現(xiàn)各個(gè)MR功能的設(shè)備，但并不完全按MR功能歸類設(shè)備。若不同的MR功能或一個(gè)MR功能不同的階段都使用到一部分共同設(shè)備，或是一個(gè)MR功能上存在冗余設(shè)備組，則進(jìn)行一定程度的設(shè)備分類重組。最終每一項(xiàng)MR功能由幾個(gè)設(shè)備功能組組成，設(shè)備功能組之間盡量不重復(fù)羅列相同設(shè)備，尤其是不重復(fù)羅列對(duì)性能指標(biāo)貢獻(xiàn)度較高的重要設(shè)備。接著對(duì)每一個(gè)設(shè)備功能組進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)重要度判定。就能確定在什么監(jiān)督層級(jí)建立什么性能指標(biāo)。通過(guò)采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法和PSA失效模型數(shù)據(jù)并可信度計(jì)算，就可以確定每一個(gè)設(shè)備功能組具體的性能指標(biāo)值。

下面仍以某電廠安全殼噴淋系統(tǒng)為例，來(lái)分析采用基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方法是如何對(duì)其建立性能指標(biāo)的。

對(duì)于降溫降壓這一項(xiàng)MR功能，先識(shí)別出實(shí)現(xiàn)該功能的所有設(shè)備（無(wú)論是噴淋階段還是再循環(huán)噴淋階段），由于兩個(gè)噴淋功能階段存在共同使用的設(shè)備—噴淋泵、噴淋泵設(shè)冷水/冷卻風(fēng)機(jī)、泵出口逆止閥/隔離閥、噴淋A/B列隔離閥、噴嘴等，這些共同設(shè)備在影響兩個(gè)噴淋階段功能失效的故障模式基本是一樣的，而且噴淋泵設(shè)備的失效概率是性能指標(biāo)建立的最大貢獻(xiàn)因子。為此，把實(shí)現(xiàn)降溫降壓這一項(xiàng)MR功能的所有設(shè)備分為三個(gè)設(shè)備功能組：

1）噴淋水箱設(shè)備組。由噴淋水箱組成;

2）噴淋階段設(shè)備組。主要由噴淋泵入口隔離閥、噴淋泵、噴淋泵設(shè)冷水/冷卻風(fēng)機(jī)、噴淋泵出口逆止閥/隔離閥、熱交換器旁通閥、噴淋A/B列隔離閥、噴嘴等組成;

3）噴淋再循環(huán)設(shè)備組。主要由再循環(huán)地坑及其隔離閥、噴淋泵入口的兩個(gè)隔離閥、噴淋熱交換器進(jìn)出口閥和旁通閥等組成。和噴淋階段設(shè)備組的區(qū)別是共同使用到的設(shè)備不再重復(fù)，但故障模式不一樣的共同設(shè)備則仍然包括。

通過(guò)對(duì)設(shè)備分組，噴淋泵作為對(duì)性能指標(biāo)貢獻(xiàn)度最高的設(shè)備只包含在一個(gè)設(shè)備功能組里。這樣處理的好處是：若噴淋泵發(fā)生功能故障時(shí)，基于系統(tǒng)功能思路，會(huì)觸發(fā)兩起性能指標(biāo)事件，而基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)思路，只會(huì)觸發(fā)一起性能指標(biāo)事件。

對(duì)于降低放射性濃度這一項(xiàng)MR功能，同樣也是先識(shí)別出實(shí)現(xiàn)該功能的所有設(shè)備，關(guān)鍵在于對(duì)路徑上的冗余NaOH添加閥門(mén)組如何處理。從基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的思路出發(fā)，我們也可以把實(shí)現(xiàn)降低放射性濃度這一項(xiàng)MR功能的設(shè)備分為三個(gè)設(shè)備功能組：

1）NaOH儲(chǔ)存箱設(shè)備組。包括儲(chǔ)存箱、安全閥、氮?dú)馊肟陂y等;

2）NaOH添加閥門(mén)設(shè)備組。由冗余的兩路添加閥門(mén)設(shè)備組成;

3）NaOH添加噴射器設(shè)備組。由NaOH添加止回閥、噴射器、噴射器入口節(jié)流閥組成。

同樣通過(guò)對(duì)設(shè)備分組，也可以解決基于系統(tǒng)功能思路建立的性能指標(biāo)無(wú)法有效監(jiān)測(cè)冗余NaOH添加閥門(mén)設(shè)備維修有效性的困難。因?yàn)樾阅苤笜?biāo)是建立在設(shè)備功能組上，而不是建立在MR功能上。當(dāng)NaOH添加閥門(mén)設(shè)備組某一路上的單個(gè)閥門(mén)故障時(shí)，若此時(shí)功能失效次數(shù)大于可靠性指標(biāo)，就會(huì)有可能進(jìn)入（a）（1）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，而不會(huì)受困于降低放射性濃度這一項(xiàng)MR功能還沒(méi)有失去，無(wú)法觸發(fā)進(jìn)入（a）（1）的條件。

3 存在的問(wèn)題及優(yōu)化思路

3.1 性能指標(biāo)建立方法存在的問(wèn)題

通過(guò)2.0節(jié)兩種性能指標(biāo)建立方法的闡述，我們可以分析出兩種思路各自的優(yōu)勢(shì)和不足。

●基于系統(tǒng)功能建立性能指標(biāo)的優(yōu)勢(shì)

思路清晰、方法明確。因?yàn)橥耆腔谙到y(tǒng)功能，只要識(shí)別出來(lái)所有MR功能后，實(shí)現(xiàn)MR功能的設(shè)備基本就隨之識(shí)別出來(lái)了。任何掌握此種方法的工程師都能比較好的建立性能指標(biāo)，且人與人之間開(kāi)發(fā)的差別不會(huì)很大。

對(duì)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)更好。性能指標(biāo)建立在系統(tǒng)功能上，當(dāng)實(shí)際性能超過(guò)可靠性或可用性指標(biāo)時(shí)，可以直接反映出系統(tǒng)運(yùn)行的健康狀況。

●基于系統(tǒng)功能建立性能指標(biāo)存在的問(wèn)題

對(duì)共同設(shè)備或冗余設(shè)備建立性能指標(biāo)會(huì)出現(xiàn)困難。系統(tǒng)的MR功能和設(shè)備不會(huì)完全一一對(duì)應(yīng)，共同設(shè)備或冗余設(shè)備是現(xiàn)實(shí)存在的。單純用基于系統(tǒng)功能的思路很難解決對(duì)共同設(shè)備或冗余設(shè)備建立性能指標(biāo)的問(wèn)題。以安全殼噴淋系統(tǒng)為例就可以看出，性能指標(biāo)有可能過(guò)嚴(yán)或監(jiān)測(cè)不到冗余列重要設(shè)備的維修有效性，更復(fù)雜的系統(tǒng)這個(gè)問(wèn)題會(huì)更明顯。

●基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立性能指標(biāo)的優(yōu)勢(shì)

可以比較好的解決共同設(shè)備或冗余設(shè)備建立性能指標(biāo)的問(wèn)題。只要能對(duì)每一項(xiàng)MR功能清晰地劃分出設(shè)備功能組，性能指標(biāo)就可以起到應(yīng)有的作用。

對(duì)設(shè)備監(jiān)測(cè)更好。性能指標(biāo)建立在設(shè)備組上，當(dāng)實(shí)際性能超過(guò)可靠性或可用性指標(biāo)時(shí)，直接反映的是設(shè)備組的性能情況，并不直接反映整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，有可能此時(shí)系統(tǒng)性能只是存在劣化或降級(jí)，但并沒(méi)有完全失去執(zhí)行相關(guān)MR功能的能力。

●基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立性能指標(biāo)存在的問(wèn)題

設(shè)備功能組的劃分方法存在難點(diǎn)。怎么劃分設(shè)備組，哪些設(shè)備能合在一起，哪些設(shè)備又不適合分在一起，不同的工程師對(duì)系統(tǒng)理解的不同，建立的性能指標(biāo)也會(huì)不一樣。

設(shè)備功能組劃分過(guò)多會(huì)存在弊端。例如多個(gè)設(shè)備組都有指標(biāo)事件，但整個(gè)系統(tǒng)有可能一直都不會(huì)有哪個(gè)設(shè)備組超標(biāo)而進(jìn)入（a）（1）。

3.2 性能指標(biāo)建立方法的優(yōu)化思路

無(wú)論是美國(guó)NEI發(fā)布的技術(shù)導(dǎo)則還是國(guó)家核安全局發(fā)布的技術(shù)政策，都只有性能指標(biāo)設(shè)定的一般原則，并沒(méi)有指出具體的設(shè)定方法。

●基于系統(tǒng)功能建立性能指標(biāo)的優(yōu)化思路

識(shí)別系統(tǒng)MR功能時(shí)更加細(xì)化。MR功能識(shí)別的越細(xì)，共同設(shè)備就會(huì)相應(yīng)減少。

冗余設(shè)備理解為系統(tǒng)需要的設(shè)計(jì)功能。對(duì)冗余設(shè)備組在進(jìn)行泊松分布計(jì)算時(shí)作串聯(lián)處理。含義是當(dāng)某一路某個(gè)設(shè)備故障失效時(shí)，就違反了系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的要求。（系統(tǒng)設(shè)計(jì)上就是要求有冗余列的存在）

冗余設(shè)備組單獨(dú)設(shè)定指標(biāo)。對(duì)重要的冗余設(shè)備利用二項(xiàng)分布的方法，單獨(dú)設(shè)定可靠性指標(biāo)。

●基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立性能指標(biāo)的優(yōu)化思路

設(shè)備分組時(shí)把握通用原則，如：

1）重要度高的公用設(shè)備盡量單獨(dú)一組;

2）冗余設(shè)備組可以單獨(dú)成組;

3）故障率較高，對(duì)性能指標(biāo)貢獻(xiàn)度較大的設(shè)備盡量不在多個(gè)設(shè)備組重復(fù);

4）固有可靠、失效率很低、維修策略不多或?qū)π阅苤笜?biāo)貢獻(xiàn)度不大的設(shè)備，如需可在在多個(gè)設(shè)備組重復(fù)。

設(shè)備分組不宜過(guò)多。不能為了分組而分組，否則一方面會(huì)使性能指標(biāo)過(guò)于寬松，一方面PSA模型精度要求過(guò)高。

4 結(jié)論

維修規(guī)則的核心理念是通過(guò)監(jiān)督核安全相關(guān)的重要SSC維修活動(dòng)有效性，來(lái)確保核安全。

基于系統(tǒng)功能還是基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立起來(lái)的性能指標(biāo)，會(huì)直接影響到后續(xù)MR監(jiān)督流程中到底是系統(tǒng)還是設(shè)備功能組進(jìn)入（a）（1）狀態(tài)。

在遵循性能指標(biāo)設(shè)定的一般原則前提下，選擇哪一種方法建立性能指標(biāo)，要清楚各自的特點(diǎn)以及關(guān)注的重點(diǎn)是什么。對(duì)于核安全監(jiān)管當(dāng)局而言，關(guān)注的重點(diǎn)是MR系統(tǒng)維修活動(dòng)的有效性，而對(duì)于核電廠層面而言，還希望性能指標(biāo)能反映MR系統(tǒng)的實(shí)際性能。我們?cè)趯?shí)際建立性能指標(biāo)值時(shí)，要兼顧兩種方法的平衡，確保維修規(guī)則性能指標(biāo)能發(fā)揮應(yīng)有的作用。

參考文獻(xiàn)

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