安全級儀控系統(tǒng)設(shè)備鑒定樣機(jī)代表性分析

黃 焜,劉 彪,李浩聞,宋宜毅

(國核自儀系統(tǒng)工程有限公司，上海 200241)

0 引言

核安全法規(guī)HAF102[1]《核動力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》規(guī)定，“必須采用設(shè)備鑒定的程序來確認(rèn)安全重要物項(xiàng)能夠在其整個設(shè)計(jì)運(yùn)行壽期內(nèi)滿足處于需要起作用時的環(huán)境條件(如振動、溫度、壓力、噴射流沖擊、電磁干擾、輻照、濕度或這些因素的任何可能組合)下執(zhí)行其安全功能的要求”。

核電廠安全級儀控系統(tǒng)設(shè)備是核電廠安全功能執(zhí)行的神經(jīng)中樞系統(tǒng)，是核電廠安全運(yùn)行的必不可少的系統(tǒng)設(shè)備。因此，核電廠安全級儀控系統(tǒng)設(shè)備必須經(jīng)過設(shè)備鑒定后方可應(yīng)用于實(shí)際工程。IEEE 323 “IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations”[2]對安全級儀控系統(tǒng)設(shè)備鑒定提出了總體要求[3-4]。

在開展核電廠安全級儀控系統(tǒng)設(shè)備鑒定過程中，受到成本和時間的限制，不可能做到鑒定樣機(jī)與實(shí)際工程產(chǎn)品完全一樣。因此，設(shè)備鑒定所使用的樣機(jī)必須具有代表性，方能將樣機(jī)的鑒定結(jié)論應(yīng)用于實(shí)際工程產(chǎn)品[5-6]。

鑒定樣機(jī)的代表性直接關(guān)系到設(shè)備鑒定結(jié)論的有效性和正確性。本文圍繞鑒定樣機(jī)的代表性分析方法進(jìn)行討論，提出了定性分析和定量分析的方法[7]。

1 鑒定樣機(jī)代表性分析要素

核電站安全級儀控系統(tǒng)通常由機(jī)柜、卡件、端子和電纜導(dǎo)線等組成。代表性分析過程中要對所有設(shè)備進(jìn)行全面分析。NB/T 20344—2015[8]標(biāo)準(zhǔn)對核電廠安全級設(shè)備代表性分析提出了5個分析要素。下面以該標(biāo)準(zhǔn)提出的分析要素為基礎(chǔ)，結(jié)合核電廠安全級儀控系統(tǒng)設(shè)備鑒定過程中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，闡述鑒定樣機(jī)代表性分析的5個要素[9-10]。

1.1 功能代表性

鑒定樣機(jī)應(yīng)具有被鑒定設(shè)備的典型功能，同時應(yīng)考慮系統(tǒng)功能的重要性、復(fù)雜性和全面性。鑒定樣機(jī)典型功能應(yīng)包括以下幾個方面。

①鑒定樣機(jī)應(yīng)覆蓋所有的輸入輸出功能。

②鑒定樣機(jī)應(yīng)選取實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的、重要的邏輯運(yùn)算處理功能。對于核電廠安全級儀控系統(tǒng)，應(yīng)選取其重要的安全功能(停堆和專設(shè)功能)。

③鑒定樣機(jī)應(yīng)覆蓋所有類型的數(shù)據(jù)通信接口、數(shù)據(jù)通信的路徑。

④鑒定樣機(jī)應(yīng)覆蓋所有類型的隔離功能，通?？紤]電氣隔離(例如光電隔離、變壓器隔離等)、物理隔離(例如金屬軟管)兩方面，鑒定試驗(yàn)中重點(diǎn)考慮電氣隔離功能和性能的驗(yàn)證。

⑤鑒定樣機(jī)應(yīng)具備的人機(jī)接口功能。安全級儀控系統(tǒng)人機(jī)接口通常指圖形畫面和手動操作開關(guān)。其中圖形畫面通?？紤]其數(shù)據(jù)顯示、軟操按鈕等功能，所有圖形界面上可能出現(xiàn)的元素應(yīng)該全面覆蓋；對于手動操作開關(guān)，應(yīng)確保所選用的開關(guān)型號相關(guān)、開關(guān)的接線方式相同，執(zhí)行重要的手動驅(qū)動功能。

⑥鑒定樣機(jī)應(yīng)包括基本的自診斷功能和監(jiān)測功能，通常會有一些自診斷數(shù)據(jù)包，鑒定試驗(yàn)過程中確認(rèn)能正確讀取其自診斷信息。

⑦鑒定樣機(jī)應(yīng)覆蓋其性能特征，例如精度、響應(yīng)時間特性等。

1.2 產(chǎn)品類型代表性

對于產(chǎn)品類型代表性來說，需確保鑒定樣機(jī)應(yīng)包含所有類型的設(shè)備(工程應(yīng)用中需使用的)。某設(shè)備可能會因配置不同而執(zhí)行不同的功能，此時需考慮所有不同的配置要求?？偟膩碚f，要滿足以下兩個要求:

①覆蓋所有類型產(chǎn)品；

②覆蓋所有產(chǎn)品的不同功能配置。

1.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)代表性

對于安全級儀控系統(tǒng)設(shè)備來說，鑒定樣機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性必須與實(shí)際工程應(yīng)用保持一致，任何不一致都將不具備機(jī)械結(jié)構(gòu)代表性。對于機(jī)柜的機(jī)械結(jié)構(gòu)代表性從以下幾個方面進(jìn)行分析評估。

①機(jī)柜柜體。機(jī)柜柜體包括柜體及其開孔(位置、尺寸和方式)，柜體的生產(chǎn)技術(shù)，例如生產(chǎn)柜體的材料、柜體成形技術(shù)等。

②機(jī)柜柜門。機(jī)柜柜門包括柜門的鉸鏈、柜門與柜體之間的密封件、柜門上的開孔、柜門的材料及成形技術(shù)等。

③柜內(nèi)鈑金。柜內(nèi)的鈑金件主要用于安裝柜內(nèi)部件，主要考慮其材料、布置位置和固定方式等。

④外部接口。對于機(jī)柜來說，外部的機(jī)械接口主要是側(cè)面開孔的穿線、柜底和柜頂?shù)拈_孔、機(jī)柜安裝方式。對于有開孔的機(jī)柜，必須配套相關(guān)密封件。評估時需考慮這些密封件材料、特性。

⑤安裝方式。樣機(jī)機(jī)柜的安裝方式必須與工程產(chǎn)品實(shí)際情況保持一致。機(jī)柜安裝方式一般有焊接和螺栓連接兩種方式。對于焊接，要考慮焊接材料、焊縫的高度和長度、焊接的位置等；對于螺栓連接方式，要考慮螺栓的規(guī)格、材料等。

1.4 應(yīng)用配置代表性

不同應(yīng)用配置對設(shè)備鑒定的結(jié)果也會存在影響，例如不同的配置可能會導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)溫度分布不同影響環(huán)境鑒定試驗(yàn)，導(dǎo)致機(jī)柜重心分布不同影響抗震鑒定等。關(guān)于應(yīng)用配置的代表性主要考慮以下幾個方面。

①機(jī)柜內(nèi)溫度分布。分析不同設(shè)備的功率和發(fā)熱量，保證鑒定樣機(jī)在某個區(qū)域內(nèi)的發(fā)熱量不低于工程應(yīng)用實(shí)際情況，使鑒定樣機(jī)在環(huán)境試驗(yàn)時經(jīng)受嚴(yán)酷的溫度應(yīng)力。

②電氣連接。需覆蓋所有類型的電氣連接。

③機(jī)械應(yīng)力。設(shè)備安裝在機(jī)柜內(nèi)的鈑金件上，通常會對柜內(nèi)鈑金件產(chǎn)生一個機(jī)械應(yīng)力，鈑金件對應(yīng)力的承受會有一個極限范圍，若超過一定范圍會造成脫落等風(fēng)險(xiǎn)，無法滿足抗震試驗(yàn)要求。因此，在分析鑒定樣機(jī)應(yīng)力時必須考慮實(shí)際工程應(yīng)用的最大值，可以通過軟件模擬等方式確定是否滿足要求。

④負(fù)荷。鑒定樣機(jī)的負(fù)荷主要是指CPU負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、可編程邏輯器件資源占用率等。鑒定樣機(jī)的負(fù)荷應(yīng)不低于覆蓋工程應(yīng)用時的負(fù)荷。

1.5 軟件代表性

核電廠安全級儀控系統(tǒng)設(shè)備的軟件通常包括基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用軟件。其中，基礎(chǔ)軟件通常不會因工程應(yīng)用不同而變化。因此，鑒定樣機(jī)的基礎(chǔ)軟件必須與實(shí)際工程產(chǎn)品保持一致。對于鑒定樣機(jī)中的基礎(chǔ)軟件必須經(jīng)過獨(dú)立驗(yàn)證與確認(rèn)。

除了基礎(chǔ)軟件外，應(yīng)用軟件需考慮使用典型的功能，例如應(yīng)用層的診斷功能、典型的功能邏輯等。

2 鑒定樣機(jī)代表性定量分析方法

本章對設(shè)備鑒定樣機(jī)代表性分析要素的闡述過程中，簡單描述了一些代表分析的定性方法。本章提出一項(xiàng)定量分析方法[10]，以便使得樣機(jī)代表性分析結(jié)果更有說服力。我們將此方法定義為符合性系數(shù)分析法。該方法主要是將鑒定樣機(jī)分成不同的區(qū)域，然后對不同的區(qū)域根據(jù)選取要素進(jìn)行分析，最后通過最初設(shè)定的相關(guān)系數(shù)綜合得出樣機(jī)是否具有代表性。

2.1 前提條件與假設(shè)說明

前文列舉了代表性分析的5個要素。其中，產(chǎn)品類型需100%覆蓋工程產(chǎn)品，機(jī)械結(jié)構(gòu)需與工程產(chǎn)品保持一致，而功能代表性和軟件代表性沒有較好的定量指標(biāo)用于分析，大多數(shù)情況下受應(yīng)用配置和選取的產(chǎn)品類型影響。因此，符合性系數(shù)分析法主要考慮了應(yīng)用配置代表性。在使用此分析方法前，做出如下假定，以便更好地使用此方法進(jìn)行評估。

①鑒定樣機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與工程產(chǎn)品完全一致。

②軟件代表性已滿足要求，軟件已實(shí)現(xiàn)了要選取的重要功能，并完成了軟件的驗(yàn)證與確認(rèn)工作。

③鑒定樣機(jī)已配置了所有類型的產(chǎn)品，利用這些產(chǎn)品和配套的軟件已實(shí)現(xiàn)了選取的典型功能，已具備功能代表性。

④鑒定樣機(jī)機(jī)械應(yīng)力分析結(jié)果滿足樣機(jī)的機(jī)械應(yīng)力不小于工程應(yīng)用。

⑤鑒定樣機(jī)電氣連接方式與工程產(chǎn)品一致。

⑥鑒定樣機(jī)的CPU負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、可編程邏輯器件資源占用率等不低于工程產(chǎn)品。

⑦對于安裝在某一區(qū)域內(nèi)的設(shè)備，其對該區(qū)域的影響是平均分布的，例如對溫升、機(jī)柜重心的影響。最終鑒定結(jié)論中應(yīng)明確某個區(qū)域可布置的設(shè)備類型。

2.2 鑒定樣機(jī)的區(qū)域劃分

對于鑒定樣機(jī)的區(qū)域劃分，通常按機(jī)柜上下方向進(jìn)行劃分，平均劃分為3個或5個區(qū)域(平均劃分的目的是簡化分析計(jì)算)。如果機(jī)柜內(nèi)單個設(shè)備尺寸均較小，那么可劃分為5個區(qū)域；如果機(jī)柜內(nèi)單個設(shè)備尺寸較大，那么可以劃分為3個區(qū)域，從而盡可能保證分析過程中不會有跨區(qū)域的設(shè)備，簡化分析過程。若存在跨區(qū)域分布的情況，需將此設(shè)備對各個區(qū)域的影響按線性分布處理，分別疊加到各個區(qū)域。以下介紹分析方法的過程中均以平均劃分為3個區(qū)域?yàn)槔俣?個區(qū)域分別為區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3。

2.3 鑒定樣機(jī)定量分析要素及符合性系數(shù)

表1 符合性系數(shù)分布

在對每個區(qū)域分析過程中，考慮到儀控系統(tǒng)機(jī)柜產(chǎn)品的特點(diǎn)主要對以下要素進(jìn)行分析:功率功耗-發(fā)熱量、質(zhì)量、重心分布，包括3個軸向(參考坐標(biāo)0點(diǎn)位于該分區(qū)域的正面左下角位置。機(jī)柜區(qū)域劃分圖如圖1所示。在分析過程中，使用定制的分析表格進(jìn)行分析。區(qū)域1～區(qū)域3的定量分析分別如表2～表4所示。

圖1 機(jī)柜區(qū)域劃分圖

表2 區(qū)域1定量分析

表3 區(qū)域2定量分析

表4 區(qū)域3定量分析

通過對3個區(qū)域進(jìn)行分析，得到了3個區(qū)域的符合性系數(shù)。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，區(qū)域1質(zhì)量的符合性為0.95，其余符合性系數(shù)均為1，最終計(jì)算得到的符合系數(shù)A=0.95，滿足不小于0.8的要求。鑒定樣機(jī)具備代表性，可以用于開展設(shè)備鑒定工作。如果在分析前設(shè)定的目標(biāo):符合性系數(shù)必須達(dá)到1，則需再次調(diào)整配置重新計(jì)算，直至達(dá)到目標(biāo)。

3 結(jié)論

為確保安裝于核電廠的安全級儀控系統(tǒng)設(shè)備完成要求的質(zhì)量鑒定，采用1∶1鑒定樣機(jī)的形式在經(jīng)濟(jì)上和時間上都是不可接受的。因此，考慮選用具備代表性的鑒定樣機(jī)完成設(shè)備鑒定。鑒定樣機(jī)的代表性是鑒定結(jié)論能否適用于工程產(chǎn)品的關(guān)鍵。

本文圍繞鑒定樣機(jī)的代表性分析展開討論，包括定性分析和定量分析的方法。定性分析從原則上評估鑒定樣機(jī)的代表性。而定量分析提出了一種基于分區(qū)域分要素的符合性系數(shù)分析方法，能更加準(zhǔn)確地描述鑒定樣機(jī)的代表性，從數(shù)據(jù)出發(fā)，使用分析結(jié)論更具說服力。在分析過程中，合理地選擇分析要素，合理地劃分不同的分析區(qū)域，合理地設(shè)定相關(guān)系數(shù)，是代表性分析的前提條件，也是需要進(jìn)行一步研究和探討的問題。