HFETR除氣加壓系統(tǒng)概率安全分析

張江云，周春林，王文龍，李海濤，鄭大吉，鄒德光，李子彥，陳啟兵

(中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610005)

HFETR除氣加壓系統(tǒng)概率安全分析

張江云，周春林，王文龍，李海濤，鄭大吉，鄒德光，李子彥，陳啟兵

(中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610005)

高通量工程試驗堆(簡稱HFETR)除氣加壓系統(tǒng)給主冷系統(tǒng)提供靜壓，并除去一次水中輻射分解的氣體，從而保證反應(yīng)堆的運(yùn)行安全。本工作應(yīng)用RiskSpectrum軟件，對HFETR運(yùn)行期間除氣加壓系統(tǒng)開展概率安全評價(PSA)。通過整合部分法考慮共因故障，建立了以除氣加壓系統(tǒng)運(yùn)行失效為頂事件的系統(tǒng)故障樹模型，定量給出HFETR發(fā)生除氣加壓系統(tǒng)失效概率為2.013E-04。同時，以除氣加壓系統(tǒng)模型及運(yùn)行可靠性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了割集、重要度、靈敏度等分析，較全面地分析了該系統(tǒng)的風(fēng)險水平，為系統(tǒng)升級和改造提供了重要參考。

高通量工程試驗堆；概率安全評價；除氣加壓系統(tǒng)

高通量工程試驗堆(High Flux Engineering Test Reactor簡稱HFETR)是一座大型的綜合性的試驗及工程應(yīng)用和研究的壓力殼型研究反應(yīng)堆，主要承擔(dān)材料輻照、元件考驗及同位素生產(chǎn)等重要任務(wù)，至今已運(yùn)行30余年。HFETR除氣加壓系統(tǒng)承擔(dān)除去運(yùn)行期間主冷卻劑系統(tǒng)中的氣體，并補(bǔ)償反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況下主冷卻劑系統(tǒng)的少量泄漏，隨著運(yùn)行年數(shù)的增加，該系統(tǒng)的安全性、可靠性對反應(yīng)堆的安全運(yùn)行十分重要，需要進(jìn)行安全分析評價，常用分析方法有確定論分析方法和概率論分析方法(PSA)。其中PSA分析方法通過對核反應(yīng)堆重要系統(tǒng)進(jìn)行全面的風(fēng)險評價，可對系統(tǒng)運(yùn)行的安全特征作出全面分析，國內(nèi)外已有大量的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)描述

1.1 系統(tǒng)流程簡介

HFETR除氣加壓系統(tǒng)運(yùn)行時，部分一次水經(jīng)堆出口母管旁路送入除氣器，在常壓下釋放出一次水中輻射分解的爆炸性氣體H2、O2和因元件破損而逸出的惰性氣體Kr、Xe、Ar等，在除氣器中，通入凈化的壓縮空氣作為稀釋劑，釋放出的氣體由噴射器帶出，經(jīng)冷凝、汽水分離過濾后，氣體送入煙囪，排入大氣；同時，一次水經(jīng)加壓泵輸送至1#、2#事故泵的入口處。在加壓泵的出口，設(shè)置有一個用于流量控制的DN100的005氣動閥；在堆出口和除氣器之間的管路上，設(shè)置有一個用于堆入口壓力控制的DN100的011氣動閥；氣動閥均設(shè)有旁通的電動閘閥，其系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)主要設(shè)備及失效分析

在分析除氣加壓系統(tǒng)可靠性時重點針對該系統(tǒng)中具有重要作用的設(shè)備及閥門，該系統(tǒng)的設(shè)備閥門供電方式及失效分析見表1。

圖1 HFETR除氣加壓系統(tǒng)流程圖Fig.1 Scheme of HFETR Degassing and Pressure System

表1 系統(tǒng)主要設(shè)備及失效FMEA分析Table 1 Major Equipment and System Failure FMEA Analysis

2 系統(tǒng)分析

2.1 分析前準(zhǔn)備

成功準(zhǔn)則：除氣加壓系統(tǒng)成功運(yùn)行30天。

頂事件：除氣加壓系統(tǒng)失效。(對于除氣加壓系統(tǒng)，一次水進(jìn)入除氣器進(jìn)口管線的閥門失效，出口管線的閥門失效，加壓過程的加壓泵失效均會導(dǎo)致除氣加壓失效。)

基本假設(shè)：假設(shè)系統(tǒng)任務(wù)時間為720小時；不考慮各種信號線路失效；對于除氣器冷凝器、煙囪及進(jìn)氣管線在本分析中不考慮。

2.2 可靠性數(shù)據(jù)處理

可靠性數(shù)據(jù)是PSA的基礎(chǔ)，作為PSA的輸入，可靠性數(shù)據(jù)的質(zhì)量決定整個PSA分析結(jié)果的質(zhì)量[1]。為了獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，我們將HFETR特有歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和核電站通用數(shù)據(jù)庫通過一定的算法進(jìn)行耦合優(yōu)化，使得最終的數(shù)據(jù)既具有HFETR的特點，同時能夠具有一定統(tǒng)計樣本數(shù)量[2]。

本工作采用NRC和ASME推薦的方法—貝葉斯方法，該方法以通用數(shù)據(jù)為先驗數(shù)據(jù)，以堆歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)為樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行貝葉斯處理得到量化計算的后驗數(shù)據(jù)[3]。對于部件的失效率而言，分布是連續(xù)的，此時，貝葉斯處理公式為：

(1)

式中：L——似然函數(shù)，表示在運(yùn)行失效率λ確定的情況下，樣品在確定的試驗時間T內(nèi)，失效次數(shù)的分布。對于指數(shù)型壽命的部件而言，該似然函數(shù)是一個泊松分布[4]:

(2)

上式中只要確定先驗分布g(θ)，根據(jù)公式(1)就可求得后驗分布h(θ/x1,x2…,xn)?；谏鲜鰯?shù)學(xué)模型，利用Matlab開發(fā)了可靠性參數(shù)計算分析程序PSA-BAYES，并以國際原子能機(jī)構(gòu)的IAEA-TECDOC-478[1]以及美國核管會的NUREG/CR-5750[5]為先驗數(shù)據(jù)。最終利用程序獲得論文所需的可靠性數(shù)據(jù)。

2.3 共因失效分析

共因失效表現(xiàn)為多個冗余部件由于共同的原因同時或在一段時間間隔內(nèi)發(fā)生失效，工業(yè)界長期經(jīng)驗積累發(fā)現(xiàn)其對系統(tǒng)總體失效的貢獻(xiàn)比獨立失效對系統(tǒng)總體失效貢獻(xiàn)要大，故在分析過程中必須考慮共因失效[6，7]。目前流行的共因分析方法：β因子法、多希臘字母(MGL)法、α因子法、整合部分法(Unified Partial Method，UPM)等[8，9]。本文選用貼近研究堆運(yùn)行特點共因失效參數(shù)處理的UPM法，使得分析過程能更貼近工程實踐[10]。分析中考慮了兩臺加壓泵啟動與運(yùn)行共因二階失效，根據(jù)UPM法填表計算出相應(yīng)β因子分別為3.72E-02和9.01E-02。

2.4 故障樹建造

利用RiskSpectrum軟件，建立系統(tǒng)故障樹模型。HFETR除氣加壓系統(tǒng)共構(gòu)建主故障樹1棵，子故障樹20棵(含共因故障樹4棵)，主故障樹和共因故障樹如圖2所示。

圖2 HFETR除氣加壓系統(tǒng)主故障樹和共因故障樹Fig.2 Main Fault Tree and CCF Fault Tree of HFETR Degassing and Pressure System(a) 主故障樹；(b) 1#加壓泵啟動失效共因故障樹；(c) 2#加壓泵啟動共因故障樹；(d) 1#加壓運(yùn)行失效共因故障樹；(e) 2#加壓泵運(yùn)行失效共因故障樹

3 系統(tǒng)分析結(jié)果及討論

3.1 最小割集(MCS)分析

計算獲得HFETR除氣加壓系統(tǒng)運(yùn)行失效概率為2.013E-04。同時圖3給出了HFETR除氣加壓系統(tǒng)失效事件支配性最小割集及其割集重要度，CC-CRP-FW-ALL、MAOV-012-O、MAOV-015-O、CPR-PUMP-FD-2#和CPR-PUMP-FW-1#分別代表加壓泵運(yùn)行共因失效、手動閥012故障、手動閥015故障、2#加壓泵啟動失效和1#加壓泵運(yùn)行失效。其中割集1的概率為1.439E-04割集2的概率為2.160E-05，割集3的概率為2.160E-05，割集4的概率為4.253E-06，其余割集的概率較小。經(jīng)計算分析獲得加壓泵運(yùn)行共因失效是導(dǎo)致除氣加壓系統(tǒng)運(yùn)行失效的最重要故障模式。

圖3 最小割集重要度Fig.3 Minimum Cut Sets Importance

3.2 重要度分析

FV重要度表示某單個基本事件的相關(guān)割集的發(fā)生頻率和在頂事件中階點的份額，它可為尋找系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)提供依據(jù)，其表達(dá)式如下[11]：

(3)

IiFV表示基本事件i的FV重要度，∑QMCS(i)表示所有含基本事件i的割集發(fā)生頻率的和，Qtop表示頂事件的不可用度。

同時可靠性參數(shù)的重要度分析有兩種檢測方法[11]。

風(fēng)險減少因子(RDF)，計算模型為：

(4)

風(fēng)險增加因子(RIF)，計算模型為：

(5)

FV重要度數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖4所示，可靠性參數(shù)重要度分析檢測結(jié)果如圖5所示。

由FV重要度分析獲得可靠段供電失效、加壓泵運(yùn)行共因失效、015手動閥故障和012手動閥故障是HFETR供除氣加壓統(tǒng)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

由RIF計算獲得，發(fā)生可靠段供電失效、加壓泵運(yùn)行共因失效、手動閥故障、除氣器運(yùn)行失效、電動閥故障和止回閥故障事件對增加除氣加壓系統(tǒng)的風(fēng)險水平貢獻(xiàn)最大；同時，RDF計算獲得，避免可靠段供電失效和加壓泵運(yùn)行共因失效對降低除氣加壓系統(tǒng)系統(tǒng)目前風(fēng)險水平貢獻(xiàn)最大。

3.3 靈敏度分析

靈敏度分析可以為實際在役系統(tǒng)的升級改造提供指導(dǎo)意見，其計算公式[11]：

(6)

計算獲得除氣加壓系統(tǒng)運(yùn)行失效基本事件靈敏度及除氣加壓系統(tǒng)可靠性參數(shù)靈敏度數(shù)據(jù)見表2和表3所示。

圖4 支配性基本事件的FV重要度Fig.4 FV Importance of the Dominate Basic Event

圖5 HFETR除氣加壓系統(tǒng)可靠性參數(shù)重要度分析Fig.5 Importance Analysis of reliability Parameters of HFETR Degassing and Pressure System

表2 除氣加壓系統(tǒng)運(yùn)行失效基本事件靈敏度分析Table 2 Sensitivity Analysis of Degassing and Pressure System Run Failure Basic Event

表3 除氣加壓系統(tǒng)可靠性參數(shù)靈敏度分析Table 3 Sensitivity Analysis of Degassing and Pressure System Reliability Parameters

分析表3、表4獲得，可靠段供電失效、加壓泵運(yùn)行共因失效基本事件和參數(shù)具有最大靈敏度。

4 結(jié)論

針對HFETR除氣加壓系統(tǒng)構(gòu)建故障樹模型，并利用該模型對系統(tǒng)進(jìn)行概率安全評價得到結(jié)論：

(1) HFETR除氣加壓系統(tǒng)運(yùn)行失效概率為2.013E-04。

(2) 可靠段供電失效、加壓泵運(yùn)行共因失效、015手動閥故障和012手動閥故障導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行失效的最重要因素，是該系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，而且前兩個基本事件具有最大靈敏度。

(3) 當(dāng)對除氣加壓系統(tǒng)改造升級的相關(guān)活動中，重點應(yīng)解決該系統(tǒng)加壓泵的供電與共因運(yùn)行失效問題。

[1] Component Reliability Data for Use for Usein Proba-bilistic Safety Assessment [DB]. IAEA- TECDOC-478,1988.

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ProbabilisticSafetyAnalysisofHFETRDegassingandPressureSystem

ZHANGJiang-yun,ZHOUChun-lin,WANGWen-long,LIHai-tao,ZHENGDa-ji,ZOUDe-guang,LIZi-yan,CHENQi-bing

(Nuclear Power Institute of China, Chengdu of Sichuan Prov. 610005, China)

The Degassing and Pressure System of HFETR provide to pressure of the main cooling system,and removal of a water radiolysis gases,so as to ensure the safe operation of the reactor. Employing the RiskSpectrum software, HFETR Degassing and Pressure System is analyzed by using Probability Safety Assessment (PSA) methodology. Considering the Common Cause Failures (CCF) by employing Unified Partial Method (UPM), the Degassing and Pressure System PSA model is built via constructing the fault trees with the running failure of Degassing and Pressure System as top event. Meanwhile, the consequentially quantity failure probability is presented as 2.013E-4. By input the reliability data from the HFETR operation, the unavailability of Degassing and Pressure System is presented. Furthermore, the analysis also involves in the Minimal Cut Set (MCS) analysis, importance measures and sensitivity calculations. Those analyses present an overview of the current Degassing and Pressure System risk level, provide a considerable reference of the system change and update issues.

HFETR; PSA; Degassing and Pressure System

2016-09-15

張江云(1987—)，男，四川巴中，工程師，碩士，從事反應(yīng)堆安全分析及運(yùn)行工作

0571.1

A

0258-0918(2017)06-1045-08