基于故障树的船用核动力装置维修性建模研究

1 引 言

船用核动力装置(NPP)的维修性好坏对舰船战斗力的发挥起着至关重要的作用，维修性建模是开展维修性分析和验证等工作项目的基础[1]。目前在船用NPP可靠性方面研究较多，而基于故障树的维修性模型是建立在成熟的可靠性技术——故障树分析(FTA)上，建模的理论基础深厚，对于开展维修性的定量分析过程切实有效，因此建立基于故障树的维修性模型对船用NPP维修性进行相关研究具有很现实的意义。

2 建模方法

2.1 建模理论依据

FTA技术由贝尔实验室发明，现在广泛地应用于系统可靠性、安全性和维修性分析方面[2]。在核动力领域，FTA作为概率安全评价法(PSA)的常用方法，应用十分广泛，在文献[3]、[4]中都有这方面的应用论述。

基于故障树的维修性模型是根据故障树所提供的故障原因查找过程，分析出各单元故障模式的维修过程及时间，从而建立起来的系统维修性模型。分析的过程由于是以故障树为基础，每一步相对其他建模方法的步骤简单，有利于维修性分析人员完成分析过程。针对船用NPP建立基于故障树的维修性模型，可以利用FTA的成果，特别是与维修性紧密联系的可靠性数据，为维修性的定量分析奠定坚实的基础[5-6]。

2.2 建模步骤

图1所示是基于故障树维修性建模过程的普遍步骤，结合NPP的特点，做以下几点分析与简化。

图1 基于故障树的维修性建模流程图

1) 故障树中基本事件所涉及到的所有部件都是可更换(修复)单元，都建立在同一个维修级别即基地级加以维修时间分析，且主要考虑NPP的放射延迟性，文中的维修时间由故障后的停用时间和修复时间两部分组成；

2) 所有的维修事件都是由于系统故障或故障报警产生的，且由于NPP的报警和故障指示装置较多，故障隔离时间相对较短，可以忽略不计；

3) 在维修过程分析中，假设只遇到两种逻辑门，“或”门保持不变，对于“与”门的处理，先判定是否其下的任何一个故障原因发生都产生故障报警，需要进行维修，则在维修中我们将其视为“或”来处理即可，否则仍然视为“与”门。

3 余热排出系统维修性模型的建立

3.1 余热排出系统简介

余热排出系统的原理图如图2所示。余热排出系统的功能是在反应堆正常停堆、冷停堆以及事故紧急停堆时，用以除去堆芯放射性衰变及一回路系统装置的余热，以保证反应堆的安全[7]。余热排出系统由两个子系统组成，每一系列均由余热排出泵、余热排出冷却器及相应的管道和阀门组成。当余热排出系统投入时，冷却剂通过并联回路的其中一个支路，经过余热排出泵升压后，流经余热排出冷却器，将堆芯带出的余热传递给海水，然后返回到主系统，并联回路中的另一条支路作为备用。

图2 余热排出系统原理图

3.2 建立维修性模型所需的故障树

对于余热排出系统，选择系统启动后无法排出主系统冷却剂的热量确定为顶事件，做以下几点假设：

1) 事故发生前系统处于备用状态，随时准备投入使用；

2) 忽略所有管道、导线和控制线路的故障，只考虑图2中标明设备的故障；

3) 处于保守考虑和简化分析，所有设备的故障都可以修复；

4) 不考虑事故过程中人为因素的干涉。

采用人工演绎法建造故障树，建树的过程不再详述，最后得到的故障树如图3所示。

3.3 维修过程分析

对图3中故障树的每个节点(故障原因)进行分析，这个过程中主要牵涉到故障隔离原则和故障隔离时间的确定，故障隔离时间已经忽略不计，故障隔离原则标示在图3中的相应位置。接下来对上述故障树中的“与”门进行处理，由于该系统故障树中“与”门之下的任何一个故障原因发生都将产生故障报警，需要进行维修，所以将其作为“或”门来处理即可。经过上述维修过程分析后的故障树如图4所示。

图3 余热排出系统的故障树

图4 经过维修过程分析后的故障树

3.4 建立维修时间的数学模型

首先采用下行法求出图3中故障树的最小割集。易得最小割集为{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}，每个最小割集代表一次维修事件。

在求出最小割集的基础上，把底事件中部件的相关数据[8-10](限于篇幅限制，本文只考虑故障率和维修时间)填写到相应的表格位置。

从最后求出的系统平均修复时间可以得出：

1) 余热排出系统的平均修复时间相对接近电动阀的平均修复时间，这是因为电动阀的故障率对系统的总故障率贡献最大，阀门类设备在净化系统设备清单中数量最多，它们的故障率之和占据的份额大，在船用堆服役至今净化系统的修复性维修中阀门类故障占据的比例也是最大的。

表1 最小割集对应的维修参数

我们把维修时间和故障率代入公式中得：

(1)

2) 结合可靠性和维修性分析的结果来缩短系统的修复性维修时间，要从设备下手综合故障树中重要度和维修性模型中平均修复时间两个参数统筹考虑，其中要重点考虑提高电动阀的维修性，缩短电动阀的维修时间对于提高余热排出系统的维修性效果显著。

4 结 论

综上所述，我们可得到以下几点结论：

1) 基于故障树的维修性模型应用于船用NPP，能够对系统装备总体的维护和保修有一个直观的认识，在量上初步把握系统维护、修复所需的耗费，该模型对系统、设备都是适用的，大大节省了维修性建模的强度且建模的思路非常清晰明了。

2) 该方法不论在设计初期还是使用阶段都适用，因为维修性数据可以采用旧型或相类似设备的数据，也可以是分布类型或参数，当采用的数据是分布类型或参数时，可以采用计算机仿真求解，这部分工作有待于在以后开展。

3) 应用基于故障树的维修性模型进行维修性分析还可以作为舰船机电设备制定预防性维修大纲的基础性工作开展，它的结论可以为故障模式影响分析(FMEA)和维修方式决策等提供支持。

参考文献:

[1] 甘茂治，康建设，高崎．军用装备维修工程学[M]．北京：国防工业出版社，2005．

[2] SIMHA P．What is a fault tree analysis[J]．Quality Progress，2002，35(3)：120．

[3] SCHNEEWEISS W G．The fault tree method (in the fields of reliability and safety technology)[R]．Lilole-Verlag，Berlin,2000．

[4] IAEA Applications of probabilistic safety assessment(PSA) for nuclear power plants [R]．IAEA-TECDOC-1200，2001．

[5] WANI M F, GANDHI O P．Maintainability design and evaluation of mechanical systems based on tribology[J]．Reliability Engineering and System Safety，2002,77：181-188．

[6] 于永利，郝建平，杜晓明．系统维修性建模理论与方法[M]．北京：国防工业出版社，2007．

[7] 庞凤阁，彭敏俊．船舶核动力装置[M]．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000．

[8] 陶凤和，于永利．装备工程研制阶段系统维修性模型的建立[J]．机械设计与制造，2006(7)：98-99．

[9] 阎凤文,等编译．设备故障和人误数据分析评价方法[M]．北京：原子能出版社，1988．

[10] 陈璐，蒋丹东，蔡建国．产品维修性的评价模型及实现算法研究[J]．中国机械工程，2003，14(21)：1857-1859．