安全殼及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全的可靠性分析方法研究

劉芳茗

(首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100070)

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安全殼及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全的可靠性分析方法研究

劉芳茗

(首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100070)

安全殼及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為核電站專設(shè)安全設(shè)施，其安全及可靠性問題關(guān)系到復(fù)雜工況情境下核電站的安全保障。本文結(jié)合模糊FMECA方法與改進(jìn)的FTA定量計(jì)算方法，探討研究針對(duì)安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全及可靠性的分析方法。通過模糊FMECA研判系統(tǒng)所含高危害度的失效故障模式，進(jìn)一步構(gòu)造Bow-tie模型，利用模糊數(shù)學(xué)和灰色關(guān)聯(lián)度理論改進(jìn)的FTA定量計(jì)算方法計(jì)算得出最小割集底事件組對(duì)應(yīng)故障致因觸發(fā)頂事件的可能性。該分析方法解決了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、底事件定量信息貧乏的問題，為安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供理論決策支持。

安全殼；安全及可靠性分析；模糊FMECA；Bow-tie模型

核電相較于太陽能和風(fēng)能具有更高的能量密度，相較于水電避免了土地占用及大量移民等社會(huì)問題，是一種能替代化石能源的低碳能源，作為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要形式，核電建設(shè)項(xiàng)目快速增加。核電站是受建設(shè)質(zhì)量控制、自然災(zāi)害、運(yùn)營(yíng)管理等方面的諸多因素耦合影響的復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)。核反應(yīng)堆安全殼作為核電站的專設(shè)安全設(shè)施，用以控制和限制放射性物質(zhì)從反應(yīng)堆向環(huán)境的擴(kuò)散，安全殼是防止裂變產(chǎn)物釋放到環(huán)境的最后一道屏障，保障公眾及其環(huán)境免遭放射性物質(zhì)的傷害。因此研究核電站安全殼及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全的可靠性問題意義重大。

1 研究現(xiàn)狀分析及問題提出

1.1 安全殼可靠性研究現(xiàn)狀

安全殼作為一種復(fù)雜系統(tǒng)，其失效具有極高危害度。當(dāng)前針對(duì)其可靠性研究主要有如下方面：一些學(xué)者針對(duì)安全殼在峰值加速度和反應(yīng)譜下的響應(yīng)變化采用多種研究方法進(jìn)行了可靠性分析[1]；鋼制安全殼各種設(shè)計(jì)因素與穩(wěn)定性之間關(guān)系進(jìn)行研究，得出鋼制安全殼結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)安全停堆地震的設(shè)計(jì)安全系數(shù)[2]；通過數(shù)值模擬軟件ANSYS計(jì)算分析核電廠安全殼在土-結(jié)構(gòu)相互作用下地震作用、自重及預(yù)應(yīng)力荷載工況組合情況下的地震反應(yīng)，進(jìn)行安全殼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震分析計(jì)算[3]；利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析[4]。

1.2 安全及可靠性分析方法研究現(xiàn)狀

常用的安全及可靠性分析方法主要包括故障模式、影響和危害度分析(FMECA)、事故樹(FTA)及事件樹(ETA)等技術(shù)，總結(jié)各種方法技術(shù)間的特征對(duì)比如表1所示。這些技術(shù)方法被廣泛應(yīng)用于多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的系統(tǒng)安全及可靠性分析，也取得一定的成果。

對(duì)核級(jí)安全閥故障模式采用正向FTF方法進(jìn)行定性定量分析[5]。將模糊數(shù)學(xué)和灰色關(guān)聯(lián)度理論引入FTA，克服傳統(tǒng)FTA方法在多態(tài)不確定性復(fù)雜系統(tǒng)分析應(yīng)用方面的局限性[6]；結(jié)合FMECA和模糊FTA方法對(duì)余熱鍋爐爆炸事故致因進(jìn)行分析研究[7]；在電站鍋爐承壓部件失效模式分析中引入模糊FMECA與模糊灰關(guān)聯(lián)FTA 的正向FTF 方法[8]； 3F技術(shù)廣泛的應(yīng)用于產(chǎn)品可靠性工程中[9-10]； 利用Bow-tie 模型和改進(jìn)的層次分析法結(jié)合對(duì)城鎮(zhèn)輸油管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[11]。

表1 技術(shù)特征比較Table 1 Characteristics and Differences of Several Technologies

1.3 問題提出

綜上所述，針對(duì)安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究大多集中于地震作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有限元分析，而利用FMECA、FTA及ETA等技術(shù)方法對(duì)安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安全及可靠性分析方面研究相對(duì)較少。同時(shí)，安全殼發(fā)生故障概率低，試驗(yàn)成本高，相關(guān)數(shù)據(jù)匱乏，具有典型的模糊數(shù)據(jù)、灰色系統(tǒng)的“小樣本、貧信息”特征[12]。因此本文針對(duì)安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的失效故障模式特點(diǎn)，利用模糊綜合評(píng)價(jià)(FCE)改進(jìn)傳統(tǒng)FMECA模型，并結(jié)合模糊灰關(guān)聯(lián)FTA定量分析方法，對(duì)其進(jìn)行定性及定量分析，從而有效的辨識(shí)得到安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)所涉及的高危害度故障模式。

2 安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)模糊FMECA綜合分析

2.1 模糊綜合評(píng)價(jià)

本文以核電站安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)集中質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型為例，將其分為安全殼構(gòu)筑物、緊急冷卻系統(tǒng)、能量控制系統(tǒng)、放射性核素控制系統(tǒng)、可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)、管道部件等。在綜合考慮FMECA中固有風(fēng)險(xiǎn)的影響要素基礎(chǔ)上，結(jié)合安全殼及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效故障模式的分析，構(gòu)建評(píng)價(jià)要素一級(jí)指標(biāo)集合：U1={u1,u2,u3,u4,u5,u6}，相應(yīng)指標(biāo)元素名稱如表2所示。

構(gòu)建二級(jí)指標(biāo)U1表征嚴(yán)酷度、U2表征出現(xiàn)度、U3表征察覺度，得到評(píng)價(jià)要素二級(jí)指標(biāo)集合：U2={嚴(yán)酷度U1,出現(xiàn)度U2,察覺度U3}。U1對(duì)應(yīng)狀態(tài)集合V1={災(zāi)難v11, 致命v12, 重度v13, 中度v14, 輕度v15}；U2對(duì)應(yīng)狀態(tài)集合V2={?，F(xiàn)v21, 有時(shí)v22, 偶爾v23, 很少v24, 幾乎不v25}；U3對(duì)應(yīng)狀態(tài)集合V3={很難辨識(shí)v31, 停機(jī)檢驗(yàn)v32, 待機(jī)檢測(cè)v33, 基本識(shí)別v34, 直觀識(shí)別v35}。

表2 評(píng)價(jià)因素一級(jí)指標(biāo)集合Table 2 First level index

根據(jù)抽樣實(shí)驗(yàn)、調(diào)查統(tǒng)計(jì)、文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)等方法構(gòu)造出一級(jí)指標(biāo)集合：U1對(duì)應(yīng)三個(gè)二級(jí)指標(biāo)U1、U2、U3的模糊評(píng)價(jià)矩陣R1、R2、R3，分別如表3、表4和表5所示。

其中，rkij為第k個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)Uk的第i個(gè)因素ui呈現(xiàn)第j個(gè)狀態(tài)vkj對(duì)應(yīng)的概率分布，一般對(duì)其歸一化且滿足∑i,jrkij=1，矩陣Rk滿足無量綱化，k=1,2,3，i=1,2,3,4,5,6，j=1,2,3,4,5。

表3 嚴(yán)酷度模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣Table 3 Severityfuzzy comprehensive evaluation matrix

表4 出現(xiàn)度模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣Table 4 Occurrencefuzzy comprehensive evaluation matrix

表5 察覺度模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣Table 5 Detectionfuzzy comprehensive evaluation matrix

進(jìn)一步引入要素論域U上的一個(gè)要素重要度模糊子集A=(a1,a2, …,a6)，ai>>0且∑ai=1 (i=1,2,…,6)，用以刻畫要素ui(i=1,2,…,6)所占的重要度比重，確定各要素對(duì)應(yīng)權(quán)重。通常重要度比重多運(yùn)用DELPHI法、AHP法等方法分配得到，盡管都基于專家人為分析難免存在主觀誤差，但是嚴(yán)密的數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算一定程度上具有降噪及糾正效用[13]。

記各要素重要度構(gòu)成模糊集合為A，綜合評(píng)價(jià)矩陣為Rk，模糊線性變換算子符號(hào)為*。在論域Vk上構(gòu)造決策模糊集Bk，其中k=1,2,3，計(jì)算得到一級(jí)FCE結(jié)果，這里m=6，n=5。

基于一級(jí)FCE的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步得到二級(jí)綜合評(píng)價(jià)矩陣即為R=[R1,R1,R1]T。同理，專家通過DELPHI、AHP等方法確定二級(jí)要素指標(biāo)U1、U2、U3所對(duì)應(yīng)的重要度模糊子集W，并求得二級(jí)FCE的結(jié)果為：B2=W*R。

2.2 基于FCE改進(jìn)的危害度分析

從模糊評(píng)價(jià)矩陣R1、R2和R3提取第i(i=1,2,…,6)行，作為要素論域U上評(píng)價(jià)集合V對(duì)應(yīng)于故障模式ui的評(píng)價(jià)向量，進(jìn)一步構(gòu)造各個(gè)要素對(duì)應(yīng)m種故障模式的模糊評(píng)價(jià)矩陣分別為：1R、2R、…、6R?；诙?jí)要素指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的重要度模糊子集W，算得故障模式ui(i=1,2,…,m)的FCE結(jié)果為：iB=W*iR，i(i=1,2,…,m)。

記集合1B所含元素為1bi(i=1,2,3,4,5)。對(duì)評(píng)價(jià)集合V1、V2和V3進(jìn)行統(tǒng)一化處理，即設(shè)V=(vi|i=1,2,3,4,5) =(5,4,3,2,1)。清晰化故障模式ui的FCE結(jié)果，即故障模式u1的系統(tǒng)全面危害度計(jì)算公式為：

進(jìn)一步，同理計(jì)算其他失效故障模式的全面危害度，得到集合：C=(1C,2C, …,6C)，分別對(duì)應(yīng)安全殼及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)要素一級(jí)指標(biāo)安全殼構(gòu)筑物u1, 緊急冷卻系統(tǒng)u2, 能量控制系統(tǒng)u3, 放射性核素控制系統(tǒng)u4, 熱傳導(dǎo)系統(tǒng)u5, 主要管道部件u6的危害度評(píng)價(jià)量化結(jié)果。

3 基于Bow-tie模型的高危害度故障模式定量分析

3.1 構(gòu)建Bow-tie模型

上述針對(duì)安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)用模糊FMECA方法進(jìn)行了可靠性分析研究。，選取分析所辨識(shí)的高危害度失效故障模式作為頂事件T，研究其失效事故機(jī)理及內(nèi)部致因事件間的邏輯關(guān)系，通過歸納演繹，混合FTA和ETA構(gòu)建Bow-tie模型。本文以管道部件u6為例，將管道破裂作為高危害度失效故障模式[14]，通過定性分析建立其Bow-tie模型，如圖1所示。模型中FTA各個(gè)事件表征的含義如表6所示。

代碼事件代碼事件代碼事件代碼事件T管道破裂M12材料腐蝕X9應(yīng)力集中B電力系統(tǒng)M1管道承壓結(jié)構(gòu)失效M13部件疲勞X10防腐層失效C緊急冷卻系統(tǒng)M2外力破壞M14腐蝕作用X11化學(xué)腐蝕D核裂變產(chǎn)物轉(zhuǎn)移M3形變X1地震X12電化學(xué)腐蝕E安全殼開裂M4開裂X2海嘯X13應(yīng)力腐蝕1T—B—C—D—EM5物理打擊X3戰(zhàn)爭(zhēng)X14材料冶金缺陷2T—B—C—D—EM6應(yīng)急保護(hù)措施失效X4穩(wěn)壓器泄壓閥故障X15焊接缺陷3T—B—C—D—EM7局部過載X5操作員誤判X16結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良4T—B—C—D—EM8材料缺陷X6操作失誤X17安全裕度設(shè)計(jì)不合理5T—B—C—DM9腐蝕與疲勞X7金屬蠕變X18應(yīng)急管理不足6T—B—C—DM10初始缺陷存在X8材料強(qiáng)度不夠X19保護(hù)裝置失效7TBM11設(shè)計(jì)缺陷注:T為頂事件;M1-M14為中間事件;X1-X19為底事件;B/C/D/E為安全功能;1-7為危害結(jié)果。

考慮到核電站安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效涉及的基本事件相應(yīng)實(shí)踐或?qū)嶒?yàn)歷史及數(shù)據(jù)積累有限，統(tǒng)計(jì)樣本規(guī)模較小，故此運(yùn)用模糊灰色關(guān)聯(lián)度改進(jìn)FTA，用于對(duì)高危害度失效故障模式進(jìn)行定量分析[14]。

3.2 三角模糊FTA方法建模

通過布爾代數(shù)運(yùn)算，將FTA化簡(jiǎn)得到對(duì)應(yīng)的最小割集。記Ф (X1,X2, …,Xn)表征含有n個(gè)底事件的FTA結(jié)構(gòu)函數(shù)。引入模糊數(shù)學(xué)相關(guān)理論，通過歸一化處理，利用三角模糊數(shù)刻畫所有底事件概率值，頂事件T的模糊概率計(jì)算為：

即，頂事件T的模糊概率(aT, mT, bT)對(duì)應(yīng)中值記為zT。假設(shè)某底事件Xi不發(fā)生時(shí)頂事件T發(fā)生的模糊概率記為：

=(aTi，mTi，bTi)

3.3 模糊灰關(guān)聯(lián)FTA方法建模

灰色關(guān)聯(lián)度分析是通過比較序列間的幾何曲線擬合相似程度判斷對(duì)應(yīng)因素間關(guān)聯(lián)緊密程度的方法。模糊灰色關(guān)聯(lián)度應(yīng)用改進(jìn)FTA方法，第一步即為參考序列的確定。借上節(jié)三角模糊FTA中求得的各底事件模糊重要度，通過均值化構(gòu)造參考序列為：

通過計(jì)算得到FTA的m個(gè)最小割集，并對(duì)應(yīng)各個(gè)最小割集事件組構(gòu)造特征向量(Fk)，k=1, 2, …,m。將(Fk)作為行元素，得到m行的故障模式特征矩陣F，并將特征矩陣F中的每個(gè)特征向量(Fk)k=1, 2, …,m作為一組比較序列。當(dāng)?shù)资录i屬于特征矩陣中第k個(gè)最小割集事件組合對(duì)應(yīng)向量Fk的元素時(shí)，令xk(i)=1；若不屬于，則令xk(i)=0。

依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度理論，按照如下公式計(jì)算參考序列的元素x0(i)和比較序列的元素xk(i)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

通過最小割集對(duì)應(yīng)的特征向量Fk計(jì)算該最小割集所確定事件組合的灰色關(guān)聯(lián)度γk，即：

計(jì)算求得m個(gè)最小割集的灰色關(guān)聯(lián)度并對(duì)比排序，最小割集的關(guān)聯(lián)度越大，則相應(yīng)事件組合發(fā)生造成頂事件T發(fā)生的影響程度就越大，反之最小割集的關(guān)聯(lián)度越小，相應(yīng)事件組合造成頂事件T發(fā)生的影響程度就越小。

4 結(jié)論

本文針對(duì)核電站安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全及可靠性分析方法進(jìn)行了探討研究，基于工程事件特征，提出了模糊FMECA與改進(jìn)FTA的Bow-tie模型融合的分析方法，并得到以下結(jié)論：

(1)將引入基于FCE改進(jìn)的FMECA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安全及可靠性分析，契合了安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效故障模式因素構(gòu)成復(fù)雜、工程及試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有限等局限性問題，能夠有效的辨識(shí)得到安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)所涉及的高危害度故障模式。

(2)以模糊FMECA分析結(jié)論為基礎(chǔ)，進(jìn)一步對(duì)高危害度故障模式進(jìn)行FTA和ETA分析，針對(duì)核電站安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建了其Bow-tie模型，將安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效的FTA與ETA統(tǒng)一到一起對(duì)安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，利用模糊數(shù)學(xué)和灰色關(guān)聯(lián)度理論改進(jìn)的FTA定量計(jì)算方法計(jì)算得出最小割集底事件組對(duì)應(yīng)故障致因觸發(fā)頂事件的可能性，解決了底事件定量計(jì)算中，統(tǒng)計(jì)信息貧乏，事件發(fā)生的精確概率難以獲取等問題，可為安全殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供理論決策支持。

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Research on Safety and Reliability Analysis Method of the Containment and Its Components

LIU Fangming

(Safety and environmental engineering school, Capital University of Economics and Business, Beijing 100070, China)

Abstract:The containment and its components is the most core of nuclear power plant system, its safety and reliability problem is related to the security of nuclear power plant under complex working conditions. In this paper, combining the fuzzy FMECA method and the quantitative calculation method of FTA, research on the analysis method of safety and reliability about reactor containment and components . Using the failure modes with high hazard degree in the judge system by the fuzzy FMECA, construct the Bow-tie model. This paper analyzing fuzzy mathematics and quantitative calculation methods of FTA that improved by grey correlation theory. It is concluded the possibility that the failure cause of the minimum cut set event trigger the top event. The method solve the problems, including the complex system structure and the poverty quantitative information of bottom event. Provide the theoretical support for the design and construction of the reactor container and its internal structure.

the containment; safety and reliability analysis; the fuzzy FMECA; Bow-tie model

2017- 01- 02

2017- 02- 28

國(guó)家科技重大專項(xiàng)，項(xiàng)目編號(hào)：2013ZX06002001-008

劉芳茗(1993—)，女，安徽宿松人，碩士研究生，現(xiàn)主要從事安全系統(tǒng)工程理論及應(yīng)用、安全殼及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可靠性等方面的研究工作

*通訊作者:劉芳茗，E-mail:lfm_713@163.com

TL364.1

A

1672- 5360(2017)01- 0008- 07