HFETR設備可靠性數(shù)據(jù)庫的研究與設計

韓良文，趙 鵬，鄧云李，蔡文超，劉 鵬，賴立斯，馬小春

（中國核動力研究設計院，成都 610000）

概率安全分析PSA 是以概率論為基礎的風險量化評價技術，作為核電安全性分析的系統(tǒng)方法得到廣泛應用。我國核安全法規(guī)（HAF）建議將PSA 技術應用于核電的安全分析?？煽啃詳?shù)據(jù)是PSA 的基礎，可靠性數(shù)據(jù)的質量和數(shù)據(jù)量直接決定了PSA 分析結果的質量和可信度。國際上的核電發(fā)達國家十分重視核電可靠性數(shù)據(jù)的收集管理工作［1-4］，已建立了比較成熟的可靠性數(shù)據(jù)庫，美國的EPIX/NPRDS 可靠性數(shù)據(jù)庫、法國的EDF 可靠性數(shù)據(jù)庫、瑞典的T-Book 數(shù)據(jù)手冊就是其中的典型代表［5］。為推動PSA 技術在我國核安全領域中的應用，核安全局于2015年發(fā)布了《中國核電廠設備可靠性數(shù)據(jù)報告》（2015 版），該報告涵蓋13 臺機組、123 個堆年、36個常用設備類的可靠性數(shù)據(jù)；國內部分核電廠和研究堆已逐步建立自己的可靠性數(shù)據(jù)庫［6，7］，如大亞灣核電廠的可靠性數(shù)據(jù)庫（GN-PRDS/PERD），秦山一期的可靠性數(shù)據(jù)庫（QERDS）。

由于未建立相應的可靠性數(shù)據(jù)庫，大部分核電廠只能采用國際上比較成熟的通用數(shù)據(jù)庫進行PSA 分析工作，但通用數(shù)據(jù)只能反映工業(yè)平均水平，無法反映不同工作環(huán)境、運行參數(shù)等因素的影響，這就導致通用數(shù)據(jù)庫PSA 分析結果的質量和可信度較差。目前，中國核動力研究設計院運營的高通量工程試驗堆（High Flux Engineering Test Reactor，HFETR）也急需建立自己的可靠性數(shù)據(jù)庫，用于提高PSA 分析結果的質量和可信度，以便風險指引型管理的引入，優(yōu)化設備維修和設備老化的管理，從而減少設備故障，保障HFETR 安全穩(wěn)定運行。

因此，基于信息化管理技術，本文設計了HFETR 設備可靠性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（HFETRRDMS），以提高HFETR 可靠性數(shù)據(jù)的管理及應用水平，為HFETR 的PSA 工作、可靠性維修（RCM）、在線風險分析與評價、設備老化管理等方面提供可靠的基礎數(shù)據(jù)。

1 HFETR 設備可靠性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

HFETR-RDMS 具有可靠性數(shù)據(jù)的收集、甄別、分析、儲存等功能，系統(tǒng)結構如圖1 所示。HFETR-RDMS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入模塊主要采集HFETR 設備的歷史記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)甄別模塊主要是對收集的數(shù)據(jù)進行有效性甄別，篩選出有效數(shù)據(jù)，并對異常、重復及缺失的數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)分析模塊，主要是對有效數(shù)據(jù)進行可靠性分析計算，獲得設備的可靠性參數(shù)。采用的基本方法為經(jīng)典估計方法和貝葉斯估計方法，該部分還涉及調用通用數(shù)據(jù)庫，因此HFETR-RDMS 系統(tǒng)中存儲了通用數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)儲存模塊主要對原始數(shù)據(jù)和經(jīng)分析后的數(shù)據(jù)進行儲存，設計通用的數(shù)據(jù)保存格式，以便于數(shù)據(jù)輸出應用和分析。

圖1 HFETR-RDMS 系統(tǒng)結構Fig.1 HFETR-RDMS system architecture diagram

2 HFETR 設備可靠性數(shù)據(jù)的采集與分析

2.1 HFETR 設備可靠性數(shù)據(jù)的采集

設備可靠性數(shù)據(jù)的采集主要對HFETR 的運行、維修、維護、試驗過程中產生的數(shù)據(jù)記錄進行統(tǒng)一分類整理，為HFETR 開展PSA 和RCM 工作提供基礎數(shù)據(jù)，同時也將可靠性數(shù)據(jù)的分析結果用以指導HFETR 的安全運行和設備管理。

通過劃分設備邊界和確定設備的正常運行及故障模式，即可對設備的運行時間、維修維護或不可用時間、故障次數(shù)、啟動、停止及無響應次數(shù)進行統(tǒng)計分析。獲取可靠性數(shù)據(jù)的途徑有兩種：一是從HFETR 的歷史記錄數(shù)據(jù)中收集的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為HFETR 的特定數(shù)據(jù)，主要來源于HFETR 的運行日志、定期試驗報告、運行總結報告、維修計劃、維修報告、事件報告、停復役記錄本等；二是獲取國內外核電、研究堆的可靠性數(shù)據(jù)，稱為通用數(shù)據(jù)。HFETR 已運行40 年，積累了較多的設備失效數(shù)據(jù)，同時通用數(shù)據(jù)以核電設備為主，而研究堆的運行參數(shù)，設備所處環(huán)境及設備型號或設備標準與核電有很大不同，因此HFETR-RDMS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)以HFETR特定數(shù)據(jù)為主，對于部分更新改造設備或運行數(shù)據(jù)采集不充分的設備可采用經(jīng)典估計方法。HFETR-RDMS 系統(tǒng)在可靠性參數(shù)算法選擇上遵循的原則包括：（1）通用數(shù)據(jù)庫中如果沒有同類型設備或HFETR 設備的設計完全變更過，則采用經(jīng)典估計方法；（2）如果HFETR 設備故障數(shù)量大于5，則采用經(jīng)典估計方法；（3）如果HFETR 設備故障數(shù)在1～5，則根據(jù)專家意見進行選擇計算方法；（4）如果HFETR 設備故障數(shù)為零，且通用數(shù)據(jù)庫中有同類型設備，則采用貝葉斯估計方法。

2.2 設備可靠性參數(shù)估計

為滿足HFETR 一級PSA 的需求，HFETR主要對設備的運行和需求失效概率、平均故障維修時間、總不可用度4 類可靠性參數(shù)進行研究。運行失效率λ和需求失效概率γ具有一定的不確定性，可根據(jù)設備故障次數(shù)采用經(jīng)典估計或貝葉斯估計方法確定。平均故障維修時間τ和設備總不可用度P則采用確定論的方法計算，其中設備的平均故障維修時間可由公式（1）表示：

式中，Nγ為所觀察到的修復次數(shù)，Tγ為所觀察到的累計修復時間。

設備總不可用度可由公式（2）表示：

式中，TW為每個運行工況下的維修試驗時間，TR為每個運行工況的持續(xù)時間。

2.2.1 可靠性參數(shù)的經(jīng)典估計方法

設備在單位時間內發(fā)生的運行失效次數(shù)，稱為該設備的運行失效率λ，可由公式（3）計算：

式中，N為運行故障次數(shù)；T為設備的累計運行時間。

當故障記錄的次數(shù)為0 時，λ可由公式（4）進行估算：

設備的需求失效概率γ是指設備在進行啟動、停止等狀態(tài)改變時，設備拒絕動作的概率，γ可由公式（5）計算：

式中，NG指設備拒絕動作次數(shù)；NT指設備累計需求狀態(tài)改變次數(shù)。

當記錄的設備拒絕動作次數(shù)為0 時，γ由公式（6）進行估算：

2.2.2 可靠性參數(shù)的貝葉斯估計方法

根據(jù)貝葉斯估計方法，可靠性參數(shù)服從某一先驗分布，通過先驗分布并結合自身數(shù)據(jù)可估算出可靠性參數(shù)的后驗分布及后驗分布參數(shù)?？紤]到HFETR 部分設備進行過更新改造，設備歷史數(shù)據(jù)較少，此時，可結合國內外核電、研究堆的可靠性數(shù)據(jù)和HFETR 的特有數(shù)據(jù)進行貝葉斯估計。HFETR 的設備運行失效率λ，設備需求失效概率γ采用共軛型先驗分布、無信息先驗分布及對數(shù)正態(tài)分布（LN）進行貝葉斯估計。

運行失效率λ的似然函數(shù)為泊松分布，Gamma 分布為其共軛型先驗分布時，密度函數(shù)可由式（5）進行計算；需求失效概率γ的似然函數(shù)為二項分布，Beta 分布為其共軛型先驗分布時，密度函數(shù)可由式（6）進行計算：

其中α，β為分布參數(shù)。

Gamma（α，β）分布的均值為α/β，運行失效率λ的后驗分布是Gamma（α+N，β+T），其后驗分布參數(shù)為αpost=αprior+N，βpost=βprior+T，后驗均值為αpost/βpost。

Beta（α，β）分布的均值為α/（α+β），需求失效概率γ的后驗分布是Beta（α+N，β+T，其后驗分布參數(shù)為αpost=αprior+NG，βpost=βprior+（NT-NG），后驗均值為αpost/（αpost+βpost）。

若無合適的通用數(shù)據(jù)作為先驗數(shù)據(jù)時，可以選擇無信息先驗分布，借鑒核電站的研究經(jīng)驗，對于運行失效率λ和需求失效概率γ，HFETR 選擇基于Jeffreys 的無信息先驗分布Gamma（1/2，0）分布和Beta（1/2，1/2）分布［8］。

對于運行失效率λ和需求失效概率γ的先驗分布為對數(shù)正態(tài)分布的，可將對數(shù)正態(tài)分布分別轉換為Gamma 分布和Beta 分布，并采用數(shù)值計算方法計算分布參數(shù)α、β，然后采用式（5）、式（6）的方法得到后驗分布及后驗分布參數(shù)。

3 HFETR-RDMS 系統(tǒng)設計

3.1 HFETR-RDMS 信息系統(tǒng)

HFETR-RDMS 系統(tǒng)采用C++編程語言與Qt 圖形界面庫開發(fā)，利用開源輕量級數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQLite3 實現(xiàn)可靠性數(shù)據(jù)的編輯、存儲及查詢，系統(tǒng)主界面如圖2 所示。

圖2 HFETR-RDMS 系統(tǒng)主界面Fig.2 The system main window of HFETR-RDMS

HFETR-RDMS 由3 個主要模塊組成，包括：設備管理模塊、設備可靠性管理模塊、可靠性參數(shù)模塊。設備管理模塊主要實現(xiàn)HFETR設備特有數(shù)據(jù)的維護及錄入，包括設備基礎信息、設備 運行數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)查詢等7 個子模塊；設備可靠性管理模塊包括通用數(shù)據(jù)和可靠性參數(shù)估計2 個子模塊，以實現(xiàn)國內外核電、研究堆通用數(shù)據(jù)的存儲和維護及HFETR 設備可靠性參數(shù)的經(jīng)典估計和貝葉斯估計；可靠性參數(shù)模塊主要用來查詢及輸出提供給PSA 和RCM 應用的各種設備可靠性數(shù)據(jù)。

3.2 HFETR 設備特有數(shù)據(jù)的維護及甄別

HFETR 設備原始數(shù)據(jù)的維護及錄入界面如圖3 所示，通過菜單欄的編輯或工具欄的增加、插入、刪除、保存功能實現(xiàn)設備原始數(shù)據(jù)的維護和錄入。

圖3 設備維修數(shù)據(jù)界面Fig.3 The equipment maintenance data interface

設備基礎信息主要用于設備失效及失效模式的判定，主要包括HFETR 的設備分類及設備類所包含的設備樣本、設備所屬專業(yè)、設備邊界及設備失效模式，其中設備邊界信息是判斷設備是否失效的重要條件，因此設備邊界需準確描述。

設備運行數(shù)據(jù)主要用于計算設備運行失效率λ 及設備總不可用度P，主要包括設備運行狀態(tài)改變時間、設備運行狀態(tài)描述及運行狀態(tài)改變原因的描述。

設備維修數(shù)據(jù)主要用于設備總維修次數(shù)及設備平均維修時間的統(tǒng)計，主要包括設備缺陷描述、設備缺陷的原因描述、維修內容、設備不可用開始時間和結束時間。

設備試驗數(shù)據(jù)主要用于計算設備由試驗造成的設備總不可用度，主要包括設備試驗名稱、設備不可用開始時間、設備不可用結束時間。

設備的更新/改造后設備可靠性參數(shù)變化較大，設備更新/改造前的歷史數(shù)據(jù)不能反應設備當前的可靠性水平，因此設備原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計應剔除設備更新/改造前的歷史數(shù)據(jù)，設備更新/改造數(shù)據(jù)包括更新/改造原因、更新/改造內容、更新/改造內容開始時間和結束時間。

如圖4 所示，針對特定設備，通過數(shù)據(jù)查詢功能可以得到該設備在某一時間段內數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果，具體參數(shù)包括不可用小時、糾正維修小時、需求次數(shù)、需求故障次數(shù)、不可用次數(shù)、糾正維修次數(shù)、運行次數(shù)、故障總次數(shù)、運行故障次數(shù)、平均故障維修時間、總不可用度。

圖4 設備數(shù)據(jù)查詢界面Fig.4 The device data query interface

HFETR 設備原始記錄數(shù)據(jù)存在記錄錯誤、漏記錄的可能性，為此，HFETR-RDMS 系統(tǒng)具有對數(shù)據(jù)記錄進行有效性判斷的功能，并將異常、無效數(shù)據(jù)排除。

3.3 HFETR-RDMS 系統(tǒng)的通用數(shù)據(jù)源及可靠性參數(shù)計算

HFETR 作為研究堆，其設備與核電廠設備在型號、運行參數(shù)、運行環(huán)境、設備使用頻度存在區(qū)別，難以尋找適合HFETR 設備的通用數(shù)據(jù)。因此，HFETR 設備可靠性參數(shù)的估計應大量采集HFETR 設備的特有數(shù)據(jù)，并以經(jīng)典估計為主。HFETR 部分設備進行過更新改造，可收集數(shù)據(jù)較少，其可靠性參數(shù)通過經(jīng)典方法進行估計誤差較大，為此，HFETR-RDMS 系統(tǒng)存儲多個通用數(shù)據(jù)源以滿足HFTER 設備可靠性參數(shù)的貝葉斯估計。

圖5 為通用數(shù)據(jù)的編輯維護界面，當前，HFETR-RDMS 系統(tǒng)中已存儲《中國核電廠設備可靠性數(shù)據(jù)報告（2015 版）》中的通用數(shù)據(jù)源以及美國NUREG/CR-6928（2007 年出版）通用數(shù)據(jù)源。存儲的設備通用數(shù)據(jù)包括設備名稱、設備失效模式、可靠性參數(shù)均值、5%置信下限、95%置信上限、誤差因子、分布類型、分布參數(shù)α、β及數(shù)據(jù)來源。

圖5 通用數(shù)據(jù)的編輯維護界面Fig.5 The general-purpose data editing interface

圖6 為HFETR 設備可靠性參數(shù)計算模塊，該計算模塊可獨立運行，也可通過HFETRRDMS 系統(tǒng)調用，可靠性參數(shù)計算模塊是HFETR-RDMS 系統(tǒng)的核心，計算結果的準確性直接關系到可靠性參數(shù)的可信度及可用性。

圖6 設備可靠性參數(shù)計算模塊Fig.6 Device reliability parameter calculation module

當前HFETR-RDMS 系統(tǒng)處于初步驗證使用階段，收集的設備數(shù)據(jù)較少，尚沒有足夠的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和計算。因此，借鑒《中國核電廠設備可靠性數(shù)據(jù)報告》和大亞灣核電廠的設備初始數(shù)據(jù)（見表1），進行可靠性參數(shù)估計以驗證HFETR-RDMS 系統(tǒng)算法的可靠性，其計算結果與可靠性數(shù)據(jù)報告和大亞灣核電廠給出的結果一致，誤差在1%范圍內，見表2。

表1 設備可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 The device reliability data statistics

表2 設備可靠性參數(shù)計算結果Table 2 Calculation results of equipment reliability parameters

4 結論

通過HFETR 一級PSA 對設備可靠性參數(shù)需求展開的研究，設計了HFETR 設備可靠數(shù)據(jù)庫信息化管理系統(tǒng)，建立起一個涵蓋HFETR 設備歷史數(shù)據(jù)收集和查詢、國內外核電、研究堆通用數(shù)據(jù)存儲管理、HFETR 設備可靠性參數(shù)估計等方面的可靠性數(shù)據(jù)分析計算及管理平臺。該系統(tǒng)的研究和設計，為HFETR 設備管理提供了新的思路和方案，可以為HFETR 及其他研究堆的PSA 分析和RCM 提供基本的設備可靠性數(shù)據(jù)，為HFETR 的系統(tǒng)和部件可靠性評價、定期安全評價、技術改造和更新、預防性維修、糾正性維修、備品備件優(yōu)化管理以及為HFETR 的老化與壽期管理等提供數(shù)據(jù)支持。