基于故障樹(shù)的船用核動(dòng)力裝置維修性建模研究

1 引 言

船用核動(dòng)力裝置(NPP)的維修性好壞對(duì)艦船戰(zhàn)斗力的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用，維修性建模是開(kāi)展維修性分析和驗(yàn)證等工作項(xiàng)目的基礎(chǔ)[1]。目前在船用NPP可靠性方面研究較多，而基于故障樹(shù)的維修性模型是建立在成熟的可靠性技術(shù)——故障樹(shù)分析(FTA)上，建模的理論基礎(chǔ)深厚，對(duì)于開(kāi)展維修性的定量分析過(guò)程切實(shí)有效，因此建立基于故障樹(shù)的維修性模型對(duì)船用NPP維修性進(jìn)行相關(guān)研究具有很現(xiàn)實(shí)的意義。

2 建模方法

2.1 建模理論依據(jù)

FTA技術(shù)由貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，現(xiàn)在廣泛地應(yīng)用于系統(tǒng)可靠性、安全性和維修性分析方面[2]。在核動(dòng)力領(lǐng)域，F(xiàn)TA作為概率安全評(píng)價(jià)法(PSA)的常用方法，應(yīng)用十分廣泛，在文獻(xiàn)[3]、[4]中都有這方面的應(yīng)用論述。

基于故障樹(shù)的維修性模型是根據(jù)故障樹(shù)所提供的故障原因查找過(guò)程，分析出各單元故障模式的維修過(guò)程及時(shí)間，從而建立起來(lái)的系統(tǒng)維修性模型。分析的過(guò)程由于是以故障樹(shù)為基礎(chǔ)，每一步相對(duì)其他建模方法的步驟簡(jiǎn)單，有利于維修性分析人員完成分析過(guò)程。針對(duì)船用NPP建立基于故障樹(shù)的維修性模型，可以利用FTA的成果，特別是與維修性緊密聯(lián)系的可靠性數(shù)據(jù)，為維修性的定量分析奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5-6]。

2.2 建模步驟

圖1所示是基于故障樹(shù)維修性建模過(guò)程的普遍步驟，結(jié)合NPP的特點(diǎn)，做以下幾點(diǎn)分析與簡(jiǎn)化。

圖1 基于故障樹(shù)的維修性建模流程圖

1) 故障樹(shù)中基本事件所涉及到的所有部件都是可更換(修復(fù))單元，都建立在同一個(gè)維修級(jí)別即基地級(jí)加以維修時(shí)間分析，且主要考慮NPP的放射延遲性，文中的維修時(shí)間由故障后的停用時(shí)間和修復(fù)時(shí)間兩部分組成；

2) 所有的維修事件都是由于系統(tǒng)故障或故障報(bào)警產(chǎn)生的，且由于NPP的報(bào)警和故障指示裝置較多，故障隔離時(shí)間相對(duì)較短，可以忽略不計(jì)；

3) 在維修過(guò)程分析中，假設(shè)只遇到兩種邏輯門(mén)，“或”門(mén)保持不變，對(duì)于“與”門(mén)的處理，先判定是否其下的任何一個(gè)故障原因發(fā)生都產(chǎn)生故障報(bào)警，需要進(jìn)行維修，則在維修中我們將其視為“或”來(lái)處理即可，否則仍然視為“與”門(mén)。

3 余熱排出系統(tǒng)維修性模型的建立

3.1 余熱排出系統(tǒng)簡(jiǎn)介

余熱排出系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。余熱排出系統(tǒng)的功能是在反應(yīng)堆正常停堆、冷停堆以及事故緊急停堆時(shí)，用以除去堆芯放射性衰變及一回路系統(tǒng)裝置的余熱，以保證反應(yīng)堆的安全[7]。余熱排出系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成，每一系列均由余熱排出泵、余熱排出冷卻器及相應(yīng)的管道和閥門(mén)組成。當(dāng)余熱排出系統(tǒng)投入時(shí)，冷卻劑通過(guò)并聯(lián)回路的其中一個(gè)支路，經(jīng)過(guò)余熱排出泵升壓后，流經(jīng)余熱排出冷卻器，將堆芯帶出的余熱傳遞給海水，然后返回到主系統(tǒng)，并聯(lián)回路中的另一條支路作為備用。

圖2 余熱排出系統(tǒng)原理圖

3.2 建立維修性模型所需的故障樹(shù)

對(duì)于余熱排出系統(tǒng)，選擇系統(tǒng)啟動(dòng)后無(wú)法排出主系統(tǒng)冷卻劑的熱量確定為頂事件，做以下幾點(diǎn)假設(shè)：

1) 事故發(fā)生前系統(tǒng)處于備用狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備投入使用；

2) 忽略所有管道、導(dǎo)線和控制線路的故障，只考慮圖2中標(biāo)明設(shè)備的故障；

3) 處于保守考慮和簡(jiǎn)化分析，所有設(shè)備的故障都可以修復(fù)；

4) 不考慮事故過(guò)程中人為因素的干涉。

采用人工演繹法建造故障樹(shù)，建樹(shù)的過(guò)程不再詳述，最后得到的故障樹(shù)如圖3所示。

3.3 維修過(guò)程分析

對(duì)圖3中故障樹(shù)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)(故障原因)進(jìn)行分析，這個(gè)過(guò)程中主要牽涉到故障隔離原則和故障隔離時(shí)間的確定，故障隔離時(shí)間已經(jīng)忽略不計(jì)，故障隔離原則標(biāo)示在圖3中的相應(yīng)位置。接下來(lái)對(duì)上述故障樹(shù)中的“與”門(mén)進(jìn)行處理，由于該系統(tǒng)故障樹(shù)中“與”門(mén)之下的任何一個(gè)故障原因發(fā)生都將產(chǎn)生故障報(bào)警，需要進(jìn)行維修，所以將其作為“或”門(mén)來(lái)處理即可。經(jīng)過(guò)上述維修過(guò)程分析后的故障樹(shù)如圖4所示。

圖3 余熱排出系統(tǒng)的故障樹(shù)

圖4 經(jīng)過(guò)維修過(guò)程分析后的故障樹(shù)

3.4 建立維修時(shí)間的數(shù)學(xué)模型

首先采用下行法求出圖3中故障樹(shù)的最小割集。易得最小割集為{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}，每個(gè)最小割集代表一次維修事件。

在求出最小割集的基礎(chǔ)上，把底事件中部件的相關(guān)數(shù)據(jù)[8-10](限于篇幅限制，本文只考慮故障率和維修時(shí)間)填寫(xiě)到相應(yīng)的表格位置。

從最后求出的系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間可以得出：

1) 余熱排出系統(tǒng)的平均修復(fù)時(shí)間相對(duì)接近電動(dòng)閥的平均修復(fù)時(shí)間，這是因?yàn)殡妱?dòng)閥的故障率對(duì)系統(tǒng)的總故障率貢獻(xiàn)最大，閥門(mén)類(lèi)設(shè)備在凈化系統(tǒng)設(shè)備清單中數(shù)量最多，它們的故障率之和占據(jù)的份額大，在船用堆服役至今凈化系統(tǒng)的修復(fù)性維修中閥門(mén)類(lèi)故障占據(jù)的比例也是最大的。

表1 最小割集對(duì)應(yīng)的維修參數(shù)

我們把維修時(shí)間和故障率代入公式中得：

(1)

2) 結(jié)合可靠性和維修性分析的結(jié)果來(lái)縮短系統(tǒng)的修復(fù)性維修時(shí)間，要從設(shè)備下手綜合故障樹(shù)中重要度和維修性模型中平均修復(fù)時(shí)間兩個(gè)參數(shù)統(tǒng)籌考慮，其中要重點(diǎn)考慮提高電動(dòng)閥的維修性，縮短電動(dòng)閥的維修時(shí)間對(duì)于提高余熱排出系統(tǒng)的維修性效果顯著。

4 結(jié) 論

綜上所述，我們可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 基于故障樹(shù)的維修性模型應(yīng)用于船用NPP，能夠?qū)ο到y(tǒng)裝備總體的維護(hù)和保修有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，在量上初步把握系統(tǒng)維護(hù)、修復(fù)所需的耗費(fèi)，該模型對(duì)系統(tǒng)、設(shè)備都是適用的，大大節(jié)省了維修性建模的強(qiáng)度且建模的思路非常清晰明了。

2) 該方法不論在設(shè)計(jì)初期還是使用階段都適用，因?yàn)榫S修性數(shù)據(jù)可以采用舊型或相類(lèi)似設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以是分布類(lèi)型或參數(shù)，當(dāng)采用的數(shù)據(jù)是分布類(lèi)型或參數(shù)時(shí)，可以采用計(jì)算機(jī)仿真求解，這部分工作有待于在以后開(kāi)展。

3) 應(yīng)用基于故障樹(shù)的維修性模型進(jìn)行維修性分析還可以作為艦船機(jī)電設(shè)備制定預(yù)防性維修大綱的基礎(chǔ)性工作開(kāi)展，它的結(jié)論可以為故障模式影響分析(FMEA)和維修方式?jīng)Q策等提供支持。

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