基于模糊层次综合评估的某小型压水堆压力安全系统可靠性评估

李少帅 陈玲 蔡琦 张永发 王建

摘 要：对于运行时间较长的压水堆，能够准确评估其压力安全系统可靠性，对反应堆后续工作有较大指導意义。压力安全系统组成设备各具特点、状态不一，相关管道阀门的性能劣化也有着自身的特殊性，系统可靠性难以定量计算。针对运行多年的某核动力一回路，利用模糊层次综合评估方法对压力安全系统可靠性进行了评估，评估结果表明压力安全系统虽处于正常工作状态，但整体存在严重程度老化，可靠性有较严重下降。该评估结果符合实际情况，证明了该方法的合理性与实用性。

关键词：模糊评价 层次分析 压力安全系统 可靠性

中图分类号：TL361 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0097-03

压力安全系统作为核动力一回路的重要辅助系统，其主要功能是对反应堆冷却剂系统因温度或容积变化产生的压力波动进行控制和保护，其可靠性对确保反应堆的安全运行具有至关重要的作用[1]。随着工作时间的不断增长，系统的设备、部件、管路由于腐蚀、应力、疲劳等原因，技术状态呈下降趋势，系统的使用可靠性随之下降。因此，必须能够准确评估系统在指定时刻的可靠性，为其运行管理和维修决策提供依据。

核动力一回路压力安全系统由电加热器、电磁阀、电动闸阀等多种不同类型设备或部件组成，各部件和设备的老化机理和性能退化速度不同[2]；由于某些核动力装置监测可达性和子样小的限制，定量评估各设备或部件的性能退化程度难度较大。模糊层次综合评估方法是在已知信息不充分的前提下，评判具有模糊因素的系统可靠性或技术状态方面具有较强的适用性[3]。该文基于压力安全系统的构成特性，采用模糊层次综合评估方法，在合理假设基础上开展了对某核动力一回路压力安全系统的可靠性评估。

1 评估对象及初始条件

1.1 压力安全系统流程与组成

某核动力一回路的压力安全系统如图1所示，由1台稳压器、喷淋管线（1台喷雾电磁阀）、蒸汽释放管线（1台蒸汽释放阀）、安全泄压管线（两台安全阀及其它阀门）、相应管道和测量仪表等组成，系统的设备及管道全部布置在反应堆舱内。稳压器是系统核心设备，主要由电加热器，喷雾装置，封头，波动管等组成。根据系统要求，电加热器分为稳态运行组、启动调节组和备用组。喷雾控制阀门和蒸汽释放阀为全密封电磁截至阀，稳压器循环阀为全密封电动闸阀，这些阀门可在联合控制台上远距离手动操作，也可以根据压力信号自动启闭。安全阀是无泄漏先导式安全阀[4]。

1.2 初始条件

某工作多年的核动力一回路装置，在某次投入运行之前，进行了例行的设备保养和装置技术状态普查。经检查，发现压力安全系统的波动管、电动闸阀、电加热器等设备或部件均有一定程度的老化现象。为评估该系统的可靠性，邀请专家进行了现场勘查和部件设备技术状态的初步评估。

2 模型建立及评估步骤

2.1 层次划分

分层过程当中考虑到系统权重的合理划分，该文将稳压器分为喷雾装置，电加热器，波动管以及辅助管道于第二层[5]，如图2所示。根据实际应用当中电加热器工作状态又将电加热器划分为电加热元件棒、电缆线以及接头等影响因素。

2.2 状态等级划分和隶属度的确定

该文根据各设备老化程度将设备状态划分为5个等级，各状态定义如表1所示。

该文采用模糊统计实验法确定定性指标隶属度函数。通过专家调查的形式，即给出评判对象和评价指标根据，制作调查表（表2），分发给各位专家，统计评判因素对于各模糊子集的隶属频率，认为隶属频率就是评判因素对于各模糊子集的隶属度[6]。

从而得到单因素评价结果：，即该影响因数对于不同模糊子集的隶属度。

从而得出同一个设备的不同影响因素对于各个状态的隶属度，构成一个总的评价矩阵。

，

其中表示第个影响因素对于个模糊子集的隶属度。将其归一化后应满足。

经过各专家对初始状态的评估打分，得出表3所示各影响因素对于各评语集隶属度[7]。

2.3 指标权重的确定

为了使得评估矩阵具有一致性，该文对于有个不同影响因素的部件，因素之间采用两两对比方法确定出表4所示形式的评估矩阵。

该文采用具有自调节功能的层次分析法对各影响因素的不同权重值进行计算。即保证评估矩阵满足一致性的条件下，求出其特征向量，经归一化，即为各指标权重值。

2.4 综合评估

评价矩阵中每一行反映了某不同影响因素对于各个模糊子集的隶属度，这些因素组成的权重向量将不同的行进行综合，就可以得到该被评事物从总体上来看对各等级模糊子集的隶属程度，即模糊综合评价结果向量。

2.5 定量计算

严格按照定义，并与实际应用结合，将压力安全系统划分为图2所示层次结构，从而确定最底层影响因素，并如图所示计算的出各层影响因素权重值[8]。如对于压力安全系统，稳压器循环阀、喷雾装置、喷雾控制阀、蒸汽释放阀门、安全阀、辅助管道测量仪表、波动管、电加热器权重分别为0.0763、0.1486、0.1064、0.1064、0.2371、0.0391、0.0571、0.0489、0.1855；对于稳压器循环阀各指标U11到U15权重分别为0.0522、0.4679、0.1438、0.2839；喷雾装置各影响指标U21到U25权重分别为0.1720、0.2565、0.0944、0.3827、0.0944、0.3827、0.0944；喷雾控制阀（蒸汽释放阀）各影响指标U31到U36权重分别为0.0583、0.5067、0.2601；安全阀各影响指标U51到U53权重分别为0.5067、0.2332、0.2601。测量仪表各影响指标U71到U73权重分别为0.2332、0.2601、0.5067；电加热器各影响指标到U91到U97权重分别为0.4679、0.2839、0.1438、0.0261。

最后经模糊合成得出压力安全系统老化状态属于“Ⅰ级”的隶属度为0.0668，属于老化“Ⅱ级”的隶属度为0.1977，属于老化“Ⅲ级”的隶属度为0.3341，属于老化“Ⅳ级”的隶属度为0.2904，属于老化“V级”的隶属度为0.1090。

3 评估结果分析

（1）根据最大隶属度原则[9]，可以得出该核动力装置压力安全系统老化状态处于“Ⅲ级”老化，属于正常工作状态，即该压力安全系统有一定程度的老化，但对设备安全运行影响较小，个别状态量可能稍有下降，但数据稳定，可以繼续运行，故障率较低。

（2）该压力安全系统对于“Ⅳ级”状态的隶属度也较大，即该压力安全系统状态比较接近于容忍工作状态，状态不是十分乐观。

4 结语

（1）计算结果较好的符合该压力安全系统已工作多年的实际情况，说明了该方法的合理性以及实用性。（2）从提高系统整体状态角度考虑，应首先从各影响因素当中，权重最大的入手。如压力安全系统中的安全阀。（3）在后续工作当中，可以适当降低运行产数，更换或及时维修老化程度严重的部件，以提高该压力安全系统寿命。

参考文献

[1] 彭敏俊，王兆祥.船舶核动力装置[M].北京：原子能出版社，2008：70-75.

[2] 李泳霖，王威，狄鹏.舰用符合材料自然老化样本预测方法[J].四川兵工学报，2014（11）：130-132.

[3] Yang Zhao-jun，Hao Qing bo， Chen Fei. A comprehensive fuzzy reliability allocation method of NC machine tools based on interval analysis[J].Journal of Beijing University of Technology，2011，37（3）：321-329.

[4] 孙中宁，阎昌琪.核动力设备[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003：101-119.

[5] 王元.一回路压力安全系统简约化控制研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2015.

[6] 付冬梅，张雪松.基于层次分析和模糊原理燃油锅炉状态评估系统研究[J].锅炉技术，2006，37（s）：20-23.

[7] 郑士君，韩成敏.船舶状态综合评估模型的建立[J].中国航海，2008，31（2）：144-147.

[8] 扬纶标，高英仪，凌卫新.模糊数学原理及应用[M].广州：华南理工大学出版社，2011：37-38.

[9] Lee Gwo-luh， Lin Tse-wei. Optimal allocation for improving system reliability using AHP[C]//The 30th International Conference on Software Engineering，Leipzig，Germany，2008：159-163.