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摘要
根据美国NEI发布的NUMARC93-01《监测核电厂维修有效性的工业导则》和国核安发【2017】173号《改进核电厂维修有效性的技术政策(试行)》的指导意见和核电厂维修规则开发的实践,性能指标的建立一般有两种思路:一种是基于系统功能出发,找到实现每一项MR功能的设备组合,再根据风险重要度的不同,建立相应的性能指标。一种是基于系统结构出发,把冗余设备、(不同功能或工况都用到的)共同设备划分出来,结合相关功能,再根据风险重要度的不同,建立相应的性能指标。本文结合电厂实际案例,分析和研究这两种方法各自存在的优势和不足,并指出性能指标建立方法的优化思路。
关键词
维修规则;性能指标;系统功能;系统结构;
中图分类号:G642文献标识码:A
DOI:.issn2095-
1概述
维修是核电厂重要的安全相关活动,在核电厂运行过程中,必须保证维修活动的可靠性和有效性,使核电厂构筑物、系统和设备在各种运行工况、设计基准事故工况、以及选定的超设计基准事故工况下,能够有效地执行预定的安全功能,保证核电厂运行安全。
传统上核电厂均采取定期的预防性和纠正性维修方法,但广泛的国际运行经验表明,维修不足、过度维修以及维修不当均会对核电厂构筑物、系统和设备产生不利影响,从而影响核电厂的运行安全水平。近年来的国际经验表明,核电厂采用基于构筑物、系统和设备有效性和维修风险管理的维修规则,能够更加合理、有效的提高维修的有效性。
2017年,国家核安全局发布了《改进核电厂维修有效性的技术政策(试行)》,规定核电厂基于有效的维修规则实施的基本原则。为落实政策要求,核电厂需要建立一套完整的能够用于监测和改进核电厂维修有效性的流程体系,以形成基于维修有效性评估的监督方法(以下简称MR)。
性能指标是评价构筑物、系统和设备(以下简称SSC)性能是否满足要求的标准,是判断针对所开展的维修活动是否有效的准则。对于所有风险重要的功能及虽然属于非风险重要但处于备用模式的功能,应该建立具体的性能指标;而对于其它非风险重要的功能,一般可通过电厂层级的性能指标来监测。
针对某项功能设定的具体的性能指标一般用可靠性、可用率或设备的状态参数表示。
●可靠性:一段时间内的失效次数
●可用率:一段时间内的可用或不可用小时数
●设备状态参数:如壁厚、泄漏率、压力、振动等参数
电厂层级的性能指标适用于MR范围内的所有SSC。包括:7000临界小时非计划停堆数,非计划能力损失因子,安全系统非计划启动数等。
2性能指标建立方法
性能指标的最终建立通常是以PSA分析中假设的可靠性和可用率为依据,采用数学方法(泊松分布、二项分布)并可信度要求来确定的。但无论是可靠性还是可用率性能指标的建立,都离不开对电厂系统的先导分析。
从性能指标设定的一般原则出发,对于一个系统,性能指标建立最常见的做法是,首先识别出该系统有哪些MR功能,再对每一项MR功能进行风险重要度判断,就可以知道在什么监督层级建立什么样的性能指标。
下面以某核电厂安全壳喷淋系统为例,来分析采用基于系统功能的方法是如何在实际的电厂系统中建立性能指标的。
根据系统功能分析的结果,安全壳喷淋系统有两项MR功能:
1)在发生失水事故时,喷淋系统通过向安全壳内喷淋冷却水,排出安全壳内热量,降低安全壳内的压力与温度,防止安全壳超压破坏。该功能包含了注射喷淋阶段和再循环喷淋阶段功能(以下简称降温降压功能)。
2)在发生失水事故时,通过向喷淋液中添加定量的氢氧化钠,降低弥漫于安全壳大气内的放射性裂变产物浓度(以下简称降低放射性浓度功能)。
经过相应PSA模型的风险重要度判定,这两项MR功能重要度都为高。因此,我们需要建立具体的性能指标(可靠性和可用率)。
对于降温降压这一项MR功能,其包含了注射喷淋阶段和再循环喷淋阶段。注射喷淋阶段从换料水箱吸水,通过喷淋泵走热交换器旁通阀注入安全壳内;再循环喷淋阶段从再循环地坑吸水,通过喷淋泵走停冷热交换器注入安全壳内。虽然两个阶段都是实现降温降压的功能,但两者需要的设备并不完全相同,就算是共同都要用到的设备,其对应的影響两个喷淋阶段的设备失效模式也不一样。为了能让性能指标更好的回应这两个不同的喷淋功能阶段,我们应该对注射喷淋阶段和再循环喷淋阶段都要建立性能指标。
因此,接下来我们要找到实现两个不同的喷淋功能阶段的设备(喷淋阶段和再循环阶段都有完整的两个系列),通过泊松分布等数学方法,就可以在列上建立各自的性能指标。
对于降低放射性浓度这一项MR功能,当喷淋信号和高剂量信号都符合时,储存箱内的NaOH溶液通过任意一路NaOH添加阀组和喷射器注入喷淋泵入口。
实现降低放射性浓度这一项MR功能的设备是比较清晰明确的,就是路径上的冗余NaOH添加阀门组在进行泊松分布的数学方法计算时会存在困难。如果把这六个阀门当串联处理,全部罗列相加计算,则放大了该功能的失效概率且不符合实际意义(两路NaOH添加阀组任意一路有效就能满足要求,而不是任意一路的某个阀门失效,该MR功能就没法实现);如果把这六个阀门当并联处理,两路设备的失效概率相乘计算,则结果基本趋于0(意味着两路阀门同时失效才计入性能指标,这种概率接近于0。而对于单个阀门失效的大概率情况却不计入性能指标)
另一种建立性能指标的方法是基于系统结构。
在识别出一个系统所有的MR功能后,分别找出实现各个MR功能的设备,但并不完全按MR功能归类设备。若不同的MR功能或一个MR功能不同的阶段都使用到一部分共同设备,或是一个MR功能上存在冗余设备组,则进行一定程度的设备分类重组。最终每一项MR功能由几个设备功能组组成,设备功能组之间尽量不重复罗列相同设备,尤其是不重复罗列对性能指标贡献度较高的重要设备。接着对每一个设备功能组进行风险重要度判定。就能确定在什么监督层级建立什么性能指标。通过采用相应的数学方法和PSA失效模型数据并可信度计算,就可以确定每一个设备功能组具体的性能指标值。
下面仍以某电厂安全壳喷淋系统为例,来分析采用基于系统结构的方法是如何对其建立性能指标的。
对于降温降压这一项MR功能,先识别出实现该功能的所有设备(无论是喷淋阶段还是再循环喷淋阶段),由于两个喷淋功能阶段存在共同使用的设备—喷淋泵、喷淋泵设冷水/冷却风机、泵出口逆止阀/隔离阀、喷淋A/B列隔离阀、喷嘴等,这些共同设备在影响两个喷淋阶段功能失效的故障模式基本是一样的,而且喷淋泵设备的失效概率是性能指标建立的最大贡献因子。为此,把实现降温降压这一项MR功能的所有设备分为三个设备功能组:
1)喷淋水箱设备组。由喷淋水箱组成;
2)喷淋阶段设备组。主要由喷淋泵入口隔离阀、喷淋泵、喷淋泵设冷水/冷却风机、喷淋泵出口逆止阀/隔离阀、热交换器旁通阀、喷淋A/B列隔离阀、喷嘴等组成;
3)喷淋再循环设备组。主要由再循环地坑及其隔离阀、喷淋泵入口的两个隔离阀、喷淋热交换器进出口阀和旁通阀等组成。和喷淋阶段设备组的区别是共同使用到的设备不再重复,但故障模式不一样的共同设备则仍然包括。
通过对设备分组,喷淋泵作为对性能指标贡献度最高的设备只包含在一个设备功能组里。这样处理的好处是:若喷淋泵发生功能故障时,基于系统功能思路,会触发两起性能指标事件,而基于系统结构思路,只会触发一起性能指标事件。
对于降低放射性浓度这一项MR功能,同样也是先识别出实现该功能的所有设备,关键在于对路径上的冗余NaOH添加阀门组如何处理。从基于系统结构的思路出发,我们也可以把实现降低放射性浓度这一项MR功能的设备分为三个设备功能组:
1)NaOH储存箱设备组。包括储存箱、安全阀、氮气入口阀等;
2)NaOH添加阀门设备组。由冗余的两路添加阀门设备组成;
3)NaOH添加喷射器设备组。由NaOH添加止回阀、喷射器、喷射器入口节流阀组成。
同样通过对设备分组,也可以解决基于系统功能思路建立的性能指标无法有效监测冗余NaOH添加阀门设备维修有效性的困难。因为性能指标是建立在设备功能组上,而不是建立在MR功能上。当NaOH添加阀门设备组某一路上的单个阀门故障时,若此时功能失效次数大于可靠性指标,就会有可能进入(a)(1)加强监测,而不会受困于降低放射性浓度这一项MR功能还没有失去,无法触发进入(a)(1)的条件。
3存在的问题及优化思路
,我们可以分析出两种思路各自的优势和不足。
●基于系统功能建立性能指标的优势
思路清晰、方法明确。因为完全是基于系统功能,只要识别出来所有MR功能后,实现MR功能的设备基本就随之识别出来了。任何掌握此种方法的工程师都能比较好的建立性能指标,且人与人之间开发的差别不会很大。
对系统健康评价更好。性能指标建立在系统功能上,当实际性能超过可靠性或可用性指标时,可以直接反映出系统运行的健康状况。
●基于系统功能建立性能指标存在的问题
对共同设备或冗余设备建立性能指标会出现困难。系统的MR功能和设备不会完全一一对应,共同设备或冗余设备是现实存在的。单纯用基于系统功能的思路很难解决对共同设备或冗余设备建立性能指标的问题。以安全壳喷淋系统为例就可以看出,性能指标有可能过严或监测不到冗余列重要设备的维修有效性,更复杂的系统这个问题会更明显。
●基于系统结构建立性能指标的优势
可以比较好的解决共同设备或冗余设备建立性能指标的问题。只要能对每一项MR功能清晰地划分出设备功能组,性能指标就可以起到应有的作用。
对设备监测更好。性能指标建立在设备组上,当实际性能超过可靠性或可用性指标时,直接反映的是设备组的性能情况,并不直接反映整个系统的运行情况,有可能此时系统性能只是存在劣化或降级,但并没有完全失去执行相关MR功能的能力。
●基于系统结构建立性能指标存在的问题
设备功能组的划分方法存在难点。怎么划分设备组,哪些设备能合在一起,哪些设备又不适合分在一起,不同的工程师对系统理解的不同,建立的性能指标也会不一样。
设备功能组划分过多会存在弊端。例如多个设备组都有指标事件,但整个系统有可能一直都不会有哪个设备组超标而进入(a)(1)。
无论是美国NEI发布的技术导则还是国家核安全局发布的技术政策,都只有性能指标设定的一般原则,并没有指出具体的设定方法。
●基于系统功能建立性能指标的优化思路
识别系统MR功能时更加细化。MR功能识别的越细,共同设备就会相应减少。
冗余设备理解为系统需要的设计功能。对冗余设备组在进行泊松分布计算时作串联处理。含义是当某一路某个设备故障失效时,就违反了系统设计上的要求。(系统设计上就是要求有冗余列的存在)
冗余设备组单独设定指标。对重要的冗余设备利用二项分布的方法,单独设定可靠性指标。
●基于系统结构建立性能指标的优化思路
设备分组时把握通用原则,如:
1)重要度高的公用设备尽量单独一组;
2)冗余设备组可以单独成组;
3)故障率较高,对性能指标贡献度较大的设备尽量不在多个设备组重复;
4)固有可靠、失效率很低、维修策略不多或对性能指標贡献度不大的设备,如需可在在多个设备组重复。
设备分组不宜过多。不能为了分组而分组,否则一方面会使性能指标过于宽松,一方面PSA模型精度要求过高。
4结论
维修规则的核心理念是通过监督核安全相关的重要SSC维修活动有效性,来确保核安全。
基于系统功能还是基于系统结构建立起来的性能指标,会直接影响到后续MR监督流程中到底是系统还是设备功能组进入(a)(1)状态。
在遵循性能指标设定的一般原则前提下,选择哪一种方法建立性能指标,要清楚各自的特点以及关注的重点是什么。对于核安全监管当局而言,关注的重点是MR系统维修活动的有效性,而对于核电厂层面而言,还希望性能指标能反映MR系统的实际性能。我们在实际建立性能指标值时,要兼顾两种方法的平衡,确保维修规则性能指标能发挥应有的作用。