船用堆概率安全分析的始發(fā)事件研究

丁寶石++趙新文++張永發(fā)++郭海寬

摘 要：始發(fā)事件是概率安全分析（PSA）的起始點(diǎn)，也是事件序列的重要基礎(chǔ)。對(duì)于船用堆還應(yīng)考慮始發(fā)事件對(duì)船舶適航性、機(jī)動(dòng)性、生命力、隱蔽性的影響。分析始發(fā)事件的目的是為了確定潛在的、會(huì)導(dǎo)致堆芯損傷的、會(huì)影響船舶核動(dòng)力運(yùn)行的那些事件并對(duì)這些事件予以定量化。該文給出了一份詳盡的始發(fā)事件清單并對(duì)其進(jìn)行了科學(xué)合理的分組，提出了船用堆始發(fā)事件的頻率估計(jì)方法，對(duì)PSA具有重要意義。

關(guān)鍵詞：概率安全分析 始發(fā)事件 頻率估計(jì)

中圖分類號(hào)：TL364 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0003-03

對(duì)船用堆開(kāi)展概率安全分析（PSA）工作，有利于對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)估，并找到潛在的設(shè)計(jì)缺陷。始發(fā)事件是PSA中事故序列的起點(diǎn)，是建造事件樹(shù)的基礎(chǔ)。造成核動(dòng)力系統(tǒng)擾動(dòng)并且有可能導(dǎo)致堆芯損傷的事件為始發(fā)事件，對(duì)于船用堆還應(yīng)考慮始發(fā)事件對(duì)船舶適航性、機(jī)動(dòng)性、生命力、隱蔽性的影響[1]。分析始發(fā)事件的目的是為了確定潛在的、會(huì)導(dǎo)致堆芯損傷的、會(huì)影響船舶核動(dòng)力運(yùn)行的那些事件并對(duì)這些事件予以定量化。正確確定始發(fā)事件對(duì)提高船舶核動(dòng)力系統(tǒng)PSA的可信度有重要意義[2]。該文結(jié)合船用堆的特殊性，考慮到有別于核電廠的安全要求，通過(guò)研究船用堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)多年來(lái)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合核電廠采用科學(xué)成熟的方法，總結(jié)實(shí)際可行的始發(fā)事件篩選法并簡(jiǎn)要給出其頻率估計(jì)的方法。

1 船用堆始發(fā)事件的確定方法

船用堆的始發(fā)事件確定方法與核電廠的始發(fā)事件確定方法既有相似處，又有很大不同。船用堆的運(yùn)行應(yīng)保證船舶的適航性、機(jī)動(dòng)性、生命力、隱蔽性，所以其始發(fā)事件與核電廠有不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，船用堆系統(tǒng)構(gòu)造與核電廠有很大不同，將成熟的核電廠始發(fā)事件確定方法直接應(yīng)用于船用堆有不妥之處，船用堆有核電廠所沒(méi)有的系統(tǒng)和設(shè)備，且船用堆的運(yùn)行控制要求也與核電廠的運(yùn)行方式不同，所以不可以直接使用現(xiàn)成的核電廠始發(fā)事件。該文在總結(jié)分析眾多方法的基礎(chǔ)之上，提出船用堆始發(fā)事件的確定方法。核電廠目前通用的始發(fā)事件確定方法主要有：（1）工程評(píng)估；（2）從本類電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)始發(fā)事件；（3）演繹分析[2]。其中工程評(píng)估和從本類電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)始發(fā)事件是主要方法，輔助以演繹分析的方法從而得到相對(duì)較完整的始發(fā)事件清單。

參考核電廠以及船用堆的始發(fā)事件研究方法，該文采用以下5種方法對(duì)始發(fā)事件進(jìn)行篩選。

1.1 借鑒核電廠始發(fā)事件

在秦山核電廠與大亞灣核電廠的PSA分析中給出了始發(fā)事件清單，利用核電廠現(xiàn)有始發(fā)事件清單，考慮到與船用堆的相似性，可以首先仿照核電廠始發(fā)事件清單，結(jié)合船用堆自身特點(diǎn)列出一份始發(fā)清單。該方法可以確定船用堆主要的始發(fā)事件，結(jié)合船用堆系統(tǒng)可以為繼續(xù)確定船用堆始發(fā)事件打下基礎(chǔ)。所確定的始發(fā)事件主要包括兩類，即破口事故和無(wú)流體喪失的瞬態(tài)事件，由本方法確定得到的始發(fā)事件如表1所示。

為使始發(fā)事件應(yīng)用于船舶核動(dòng)力裝置PSA中，要將始發(fā)事件仔細(xì)分析。選取破口事故為例進(jìn)行說(shuō)明。

（1） 按破口位置劃分。

失水事故按破口位置可以分為冷段破口與熱段破口。一般情況下，同樣尺寸的破口發(fā)生在冷段比發(fā)生在熱段后果嚴(yán)重[4]，所以選取冷段破口事故即可包絡(luò)熱段破口事故。對(duì)于船用堆來(lái)說(shuō)，如果破口可以被隔離，在特定情況下，將允許反應(yīng)堆保持運(yùn)行狀態(tài)，以避免主動(dòng)力喪失。但對(duì)于不可隔離的破口（如破口發(fā)生在主閘閥以內(nèi)等），要求反應(yīng)堆必須停堆，以保證反應(yīng)堆安全，故將不可隔離的破口單獨(dú)作為始發(fā)事件研究。

將冷管段分成以下幾段研究：從蒸汽發(fā)生器出口至主泵管段（記為A段），主泵至主閘閥管段（記為B段），主閘閥至反應(yīng)堆管段（記為C段）。其中，主泵與主閘閥的泄漏與故障單獨(dú)作為始發(fā)事件分析。

（2）按破口尺寸劃分。

文獻(xiàn)[4]假定反應(yīng)堆處于65%額定功率運(yùn)行工況，根據(jù)反應(yīng)堆安全分析的結(jié)果和操縱員響應(yīng)的不同，將中、小破口事故劃分為以下3個(gè)子類：

Ⅰ類破口事故：15 mm≤≤25 mm

Ⅱ類破口事故：5 mm≤≤15 mm

Ⅲ類破口事故：≤5 mm

Ⅰ類破口事故發(fā)生后前沿系統(tǒng)響應(yīng)順序依次是：高壓安注系統(tǒng)、反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、低壓安注系統(tǒng)。Ⅱ類破口事故發(fā)生后前沿系統(tǒng)響應(yīng)順序依次是：高壓安注系統(tǒng)、反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、二回路輔機(jī)耗氣、低壓安注系統(tǒng)。Ⅲ類破口事故發(fā)生后前沿系統(tǒng)響應(yīng)順序依次是：高壓安注系統(tǒng)、隔離破口環(huán)路。

綜合以上分析過(guò)程，中小破口的LOCA始發(fā)事件如表2所示。

1.2 從船用堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)事件

從船用堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中得到的始發(fā)事件反應(yīng)了船用堆特定的系統(tǒng)特點(diǎn)，應(yīng)給予該方法得到的始發(fā)事件足夠的重視，因?yàn)楹苡锌赡苓@些始發(fā)事件在后續(xù)的PSA分析中會(huì)暴露出該船用堆設(shè)計(jì)的缺陷或運(yùn)行中容易發(fā)生故障的設(shè)備[5]。

該方法得到的始發(fā)事件有一些可以歸并到上一步中的始發(fā)事件中，新補(bǔ)充進(jìn)始發(fā)事件清單里的事件如表3所示。

“事故處理規(guī)程”和“安全分析報(bào)告”中的事件和故障也可以采納進(jìn)始發(fā)事件中。得到的始發(fā)事件如表4所示。

1.3 以設(shè)備故障或管路破損來(lái)定義始發(fā)事件

船用堆的主要系統(tǒng)有：反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)（兼作高壓安注系統(tǒng)）、低壓安注系統(tǒng)、危機(jī)冷卻系統(tǒng)、壓力安全系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等。通過(guò)分析以上系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，找出系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備和易發(fā)生故障的裝置或設(shè)備，將由故障引發(fā)的始發(fā)事件通過(guò)此方法挑選出來(lái)。用該方法得到的始發(fā)事件有一些能夠被前兩種方法用保守分析的方法包絡(luò)，逐個(gè)設(shè)備分析系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)可以有效的彌補(bǔ)始發(fā)事件考慮的疏忽?？梢杂迷摲椒ɡ^續(xù)對(duì)始發(fā)事件清單進(jìn)行補(bǔ)充和完善。由該方法得到的始發(fā)事件如表5所示。

1.4 從確定論安全分析中挑選始發(fā)事件endprint

確定論安全分析方法就設(shè)計(jì)基準(zhǔn)內(nèi)的事故進(jìn)行分析，即分析核動(dòng)力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和控制系統(tǒng)發(fā)生故障后，安全系統(tǒng)能按要求行使功能時(shí)主系統(tǒng)的行為。

與用PSA方法對(duì)船用堆系統(tǒng)進(jìn)行分析類似，確定論安全分析所研究的事故與事件也可以分為兩類：（1）沒(méi)有流體流失的事故，主要是指一般的瞬變。主要有：反應(yīng)性引入事故、失流事故、給水管道破裂事故、失水事故等。（2）以損失一回路或二回路流體為特性的管道破裂事故，如蒸汽管道破裂事故、給水管道破裂事故、失水事故等[6]。

1.5 演繹分析

采用如主邏輯圖之類的演繹方法，以堆芯損傷為頂事件，按照邏輯逐級(jí)展開(kāi)，直至以始發(fā)事件作為最底層的基本事件。該方法適合用于檢查以上方法是否將主要始發(fā)事件涵蓋，是否有缺漏事件。同時(shí)，可以給予始發(fā)事件清單補(bǔ)充?？梢詫⒍研緭p傷分為以下幾種主要原因作為頂事件考慮：二回路系統(tǒng)導(dǎo)出熱量增加、二回路系統(tǒng)導(dǎo)出熱量減少、反應(yīng)堆冷卻劑流量減少、反應(yīng)性和功率分布異常、反應(yīng)堆冷卻劑裝量增加、反應(yīng)堆冷卻劑裝量減少、系統(tǒng)或設(shè)備的放射性釋放、未能緊急停堆的預(yù)期瞬變等[9]。

2 船用堆始發(fā)事件頻率估計(jì)

始發(fā)事件的頻率不僅用來(lái)確定哪些事件需要進(jìn)行事件樹(shù)分析，而且也是PSA定量化的重要內(nèi)容。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，如果按“日歷年”來(lái)計(jì)算始發(fā)事件頻率，那么各狀態(tài)下計(jì)算出的堆芯損壞頻率具有可加性，堆芯損壞的總頻率為各相關(guān)使用狀態(tài)下堆芯損壞頻率之和。對(duì)于船用堆而言，始發(fā)事件頻率的確定不僅要考慮各使用狀態(tài)下始發(fā)事件的發(fā)生頻率，也要考慮各使用狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。

該文從船用堆的實(shí)際情況出發(fā)，建立了以下兩個(gè)模型來(lái)評(píng)估始發(fā)事件頻率：

模型一

該模型適用于在某一使用狀態(tài)內(nèi)的任一時(shí)刻均可隨機(jī)發(fā)生的始發(fā)事件，也即始發(fā)事件頻率正比于始發(fā)事件的持續(xù)時(shí)間。令：

（1）

式（1）中，為始發(fā)事件的年均發(fā)生頻率，1/a；為某使用狀態(tài)下始發(fā)事件的時(shí)均發(fā)生頻率，1/h；為某使用狀態(tài)的年均持續(xù)時(shí)間，h/a。

模型二

該模型適用于始發(fā)事件頻率與使用狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間無(wú)關(guān)的情形，此時(shí)始發(fā)事件的頻率僅取決于某項(xiàng)活動(dòng)的發(fā)生次數(shù)。令：

（2）

式（2）中，為平均每年進(jìn)入某使用狀態(tài)的次數(shù)，1/a；為某使用狀態(tài)下進(jìn)行某項(xiàng)活動(dòng)的次數(shù)；為進(jìn)行某項(xiàng)活動(dòng)時(shí)，始發(fā)事件的發(fā)生概率。

3 結(jié)語(yǔ)

船用堆PSA中始發(fā)事件的確定方法與核電廠采用的方法是不同的。船用堆要滿足適航性、機(jī)動(dòng)性、生命力、隱蔽性要求，所以確定船用堆始發(fā)事件需要考慮的因素更多。同時(shí)由于船用堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與核電廠有差異，始發(fā)事件的選取也有很大不同。該文主要采用借鑒核電廠始發(fā)事件、總結(jié)船用堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及從船用堆主要系統(tǒng)與設(shè)備故障中提取始發(fā)事件的方法，輔助以其他兩種方法（從確定論安全分析中總結(jié)事發(fā)時(shí)間、演繹分析方法）找出船用堆的始發(fā)事件一共有44個(gè)。

該文在初步篩選出船用堆始發(fā)事件之后，綜合船用堆系統(tǒng)的實(shí)際情況，將始發(fā)事件進(jìn)行詳細(xì)劃分。根據(jù)船用堆冷卻劑系統(tǒng)的實(shí)際情況，把LOCA事件初步細(xì)分成7件子事件。整理出事件所屬分類，為后續(xù)的始發(fā)事件分組工作作鋪墊。

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