刘知彤，王少明，王洪剑，郝建立，吕 猛

(1.海军工程大学 核能科学与工程系， 武汉 430033； 2.海装重庆局， 重庆 400042)

【装备理论与装备技术】

压力安全系统的核安全监督物项的风险评估

刘知彤1，王少明1，王洪剑2，郝建立1，吕 猛1

(1.海军工程大学 核能科学与工程系， 武汉 430033； 2.海装重庆局， 重庆 400042)

将FMEA(Failure Model and Effects Analysis，FMEA)方法运用到船用核动力装置压力安全系统的核安全监督中，对该系统的各组成部分、元素进行分析，找出系统中各组成部分及元素可能发生的故障，查明各种类型故障对邻近部分或元素的影响以及最终对系统的影响；然后，运用依赖型语言有序加权几何(dependent linguistic ordered weighted geometric，DLOWG)算子进行FMEA风险评估。利用该算子能减轻评价不公平性，改进传统FMEA中故障的风险优先数(Risk Priority Number，RPN)计算方式，从而得出压力安全系统各部分的核安全监督的重要度排序，对提高核安全监督水平，具有十分重要的意义。

船用核动力装置；压力安全系统；核安全监督；FMEA,DLOWG算子

船用核动力装置的核安全监督是为了确保核动力装置运行、维修活动，满足相关法律法规的要求，督促并纠正不符合核安全要求和许可证条件的事项。压力安全系统的主要功能是对一回路冷却剂因温度或容积变化产生的压力波动进行控制和保护，对其进行核安全监督，对确保反应堆的安全运行具有至关重要的作用[1]。

现行的FMEA分析方法一般与模糊方法结合，进行船用核动力装置的故障模式分析。在船用核动力领域，FMEA经验较少，很难找到准确的概率资料，所以只能定性地给出概率类别。一般由设计人员、使用人员和监督人员分别从故障模式发生度O、严重度S和难检度D三个风险因子进行评价。因而，存在各个风险因子不同，但最后得到的风险优先值却相同的情况[2]。FMEA的安全评估过程一般采用模糊数学分析方法，但很多研究为了简便采用了三角形、梯形等简单模糊数，很少判断该模糊数的合理性[3]。运用模糊集计算会有放大效应，使计算结果不匹配最初的语言评价结果。

在实际应用中，决策者更偏向于直接通过语言变量进行评价，反映自身对某问题的偏好[4]。语言信息决策可以避免模糊理论两次模糊化转换过程，直接对语言变量进行词计算，在整个处理语言信息过程中不会丢失决策信息。

而本论文将基于DLOWG算子的FMEA风险评估用于核安全监督物项重要度评价，现场核安全监督物项的3个评价维度与FMEA分析方法中的严酷度的评价维度相似，最后得到的风险优先值，代表现场核安全监督的重要度。

1 压力安全系统FMEA模型建立

基于DLOWG算子的FMEA风险评估方法，不仅分析系统中的各组成部分，而且分析传感器与故障征兆、检测参数的关系，可以直接采用语言变量进行群体决策风险评估，同时考虑到群决策中专家偏好问题，对偏见或错误的语言评价赋以较低的权重，减少决策不公平性，从而得到船用核动力装置及系统中各部分风险排序，确定核安全监督重点。基于DLOWG算子的FMEA风险评估过程如图1 所示。

图1 基于DLOWG算子的FMEA风险评估过程

FMEA分析方法，可以用在监督预防阶段，分析潜在的故障模式及故障原因，采取措施以防止故障发生。核安全监督FMEA项目中，要进行全面细致的硬件失效模式分析评估，第一步应建立结构模型。

压力安全系统由稳压器、喷雾电磁阀、蒸汽释放阀、安全阀及其它阀门、相连管道和测量仪表等组成。在反应堆及一回路系统启动、稳态功率运行、正常功率变化、停堆和事故工况下，具有压力调节和压力保护的功能，同时还具有除去反应堆冷却剂中的放射性气体的功能[5]。

稳压器发生的故障主要发生在各个组件,而不是作为一个整体装置发生故障。故可以将稳压器分为喷雾装置、波动管等。电加热器则可以分为电加热元件棒、密封环、压紧螺母、密封环、接头等。在核安全监督FMEA项目中，传感器的工作状态对核安全产生重要的影响。水位测量装置的水位参考管、水位测量仪表、溢流孔均应纳入考虑范围之内。压力安全系统的FMEA结构模型，如图2所示。

第二步，进行压力安全系统零部件的基本故障模式的判断。在一个典型的FMEA项目中，可能会有如下基本故障模式：

图2 压力安全系统的FMEA结构模型

2 基于DLOWG算子的RPN评估方法

进行层次分析后，针对每个物项进行故障模式分析，确定监督重点。在得出每个物项的故障FMEA表格后利用DLOWG算子进行RPN风险评估。决策者基于语言评估标度进行定性测度，一般语言评估标度S={si|i=1,2,…,t}，S中的评价术语一般为奇数，评价术语的势为t-1，且S满足单调性。本文中t取7，S定义为S={s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7} ={极差，很差，差，一般，好，很好，极好}。

sα和sβ的距离为

(1)

d(sα,sβ)越小，sα和sβ越接近，偏差越小。

本文利用DLOWG算子对风险优先数的3个组成因子进行处理，从而得到监督物项的风险评估结果。该算子由语言加权几何算子(linguistic ordered weighted geometric，LWG)与语言有序加权几何算子(linguistic ordered weighted geometric，LOWG)演变而来。

定义LWG算子为

LWGW(s1,s2,…,sn)=(s1)ω1⊗(s2)ω2⊗ …⊗(sn)ωn

(2)

LOWG算子为n维语言有序加权几何平均算子，它将评价术语进行大小排序后再进行运算，方便DLOWG算子运算，其定义为：

LOWGW(s1,s2,…,sn)=(sl1)ω1⊗(sl2)ω2⊗…⊗(sln)ωn

(3)

式(3)中：slj为语言变量组sj(j=1,2,…,n)中从大到小排序第j项元素。

DLOWG算子需要判断评价值的偏离程度，此程度与语言变量均值和标准差相关。

sj∈S(j=1,2,…,n)，则语言变量的均值为

(4)

s1,s2,…,sn语言变量的标准差为

(5)

在语言评价值s1,s2,…,sn中，利用(φ(1),φ(2),…,φ(n))将语言评价值下标(1,2,…,n)进行置换，使得对于∀j=2,3，…,n，满足sφ(j-1)≥sφ(j)，则第j项的语言评价sφ(j)与sμ的相似度为

(6)

由单个评价值与平均值之间的相似度反映专家在群体决策中评价的偏向性。对待相似度较低的语言评价通过赋予较低权重进行纠偏，减轻群体决策中的不公平性[5]。

令ω=[ω1,ω2,…,ωn]T为LOWG算子的权重，定义：

(7)

由式(3)可得：

LOWGW(s1,s2,…,sn)=

(8)

称式(8)为DLOWG算子。该算子的集结与语言评价顺序无关，无需对评价排序或单独确定权重，便于进行群体决策评价。

群决策风险评估方法中RPN值计算过程如下：

(9)

(10)

3 实例研究

压力安全系统的FMEA项目规模较大，涉及的故障模式、故障原因较大，压力安全系统的FMEA，如表1所示。安全阀主阀的安全功能开启是由于系统压力升至辅阀整定值时，辅阀开启引导主阀安全功能启跳。辅阀的开启整定值是通过调节螺钉压缩碟形弹簧，将开启整定值调整至一定压力，再将调节螺钉用螺母锁紧[6]。当碟形弹簧有破损时，失去了原有的整定压力值，造成安全阀的辅阀在低于设定压力时开启，从而引导安全阀主阀安全功能未在超压状态下提前启跳。当安全阀误起跳，稳压器压力迅速下降，水位降低，同时显示“稳压器安全阀温度”迅速上升，并出现温度高报警，“稳压器释放阀温度”和“稳压器安全阀温度”也随后相继出现报警，安全壳负压迅速降低，安全壳剂量无明显变化。碟形弹簧断裂是因腐蚀产生，产生腐蚀最大原因是检漏孔检漏完后未及时封住[7]。

稳压器人孔盖短时泄漏，一般发生在停堆降温降压期间，现象表现为稳压器压力、水位快速下降，同时伴随安全壳负压消失、安全壳温度上升。造成稳压器人孔盖泄漏的原因是稳压器人孔密封元件在多次升温升压-降温降压循环过程中产生应力松弛[8]。

电加热元件直接浸泡在水中，热量直接进行交换，加热元件周围部件要承受瞬时温度变化，因此电加热元件与套管连接的焊缝质量非常重要，电加热器一旦发生故障，将影响维持和控制冷却剂系统运行压力的能力[9]。

FMEA团队由3名技术专家Eh(h=1,2,3)组成，利用语言评估标度，针对17个潜在故障模式，分别从故障模式发生度、严重度和难检度进行评价。专家针对风险因子O、S和D时采用的语言术语集，如表2所示[10]。

表1 压力安全系统的FMEA

表2 专家语言评价术语集

表3 压力安全系统FMEA模型的 专家语言判断信息

表4 AHP法确定风险因子权重

3个风险因子的权重为[0.297,0.539 6,0.163 4]，λmax=3.009 2，一致性比值为0.008 8<0.1，表明求得判断矩阵和权重向量是合理的。

考虑专家意见的不同权重d，可以求得上述4个故障模式的专家意见权重为

ν1h=[ν11,ν12,ν13]=[0.290,0.40,0.250]

表5 不同故障模式的语言风险优先数

4 结论

试验表明：安全阀碟形弹簧、安全阀阀瓣、电加热元件棒、喷雾阀、波动管温度传感器、碟形弹簧、电加热器接头、人孔密封的RPN普遍较高。在现场核安全监督中，应重点关注上述物项，并且监督周期应比一般核安全监督物项短。

喷雾装置喷孔、电加热器电缆线、电加热器密封环、电加热器套管、电加热器压紧螺母、安全阀调节圈、安全阀阀体RPN值适中，需要投入的现场核安全监督资源一般，具有适当的监督周期即可。在安全阀的各个零部件中，碟形弹簧的RPN占比最高，应重点关注。要定期拆卸检查，预估弹簧疲劳寿命，发现阀体弹簧锈蚀除锈并涂防锈物质。在电加热器的各个故障模式中，密封性为导致电加热器失效的主要原因。

[1] 彭宇，刘大同，彭喜元.故障预测与健康管理技术综述[J].电子测量与仪器学报，2010，24(1)：1-9.

[2] 王绍印.故障模式和影响分析(FMEA)[M].广州:中山大学出版社,2003.

[3] LI H,AZARM S.An Approach for Product Line Design Selection under Uncertainty and Competition[J].Journal of Mechanical Design,2002,124(3):385-392.

[4] 徐泽水.基于语言信息的决策理论与方法[M].北京：科学出版社，2008：1-27.

[5] 卫贵武.基于依赖型算子的不确定语言属性群决策法[J].系统工程与电子技术，2010,32(4):764-769.

[6] 李智斌,包士毅,高增梁,等.弹簧全启式安全阀的FMECA分析[J].压力容器,2012 (3):25-31.

[7] 贾良博.核电厂稳压器电加热器典型故障及应对措施[J].电工技术,2017(4):89-90.

[8] 范海平,雷宇升.核电站稳压器电加热器失效分析及优化措施[J].黑龙江科技信息,2016 (12):55-58.

[9] 岳永生,成鹏,郑孝纲,等.在役核电站稳压器电加热器失效案例分析及维修技术进展[J].焊接技术,2017 (1):34-38.

[10] 耿秀丽，褚学宁.基于故障因果链的故障模式与影响分析风险评估方法[J].计算机集成制造系统，2009，15(12):2473-2480.

RiskAssessmentonNuclearSafetySupervisionforPressureReliefSystem

LIU Zhitong1, WANG Shaoming1, WANG Hongjian2, HAO Jianli1, LYU Meng1

(1.Department of Nuclear Engineering and Technology，Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.Haizhuang Chongqing Bureau, Chongqing 400042, China)

The FMEA method is applied to the nuclear safety supervision of the pressure relief system of marine nuclear power plant. The components and elements of the system are analyzed to find out the possible faults in the components of the system, and the influence of the various types of faults on the adjacent elements and the final impact. Then, the DLOWG operator is used to FMEA risk assessment. Using the character of operator which can reduce the unfairness of the evaluation and improve the calculation of RPN in the traditional FMEA, the importance ranks of the nuclear safety supervision items in each part of the pressure relief system are obtained, which has significant influence on the safety and reliability of nuclear power equipment.

marine nuclear power plant; pressure relief system; nuclear safety supervision; FMEA; DLOWG operator

2017-06-14；

2017-07-22

刘知彤(1993—)，男，硕士研究生，主要从事船用核动力装置现场核安全监督技术研究。

王少明(1962—)，男，教授，主要从事船用核动力装置控制与运行研究。

10.11809/scbgxb2017.10.011

本文引用格式：刘知彤，王少明，王洪剑，等.压力安全系统的核安全监督物项的风险评估[J].兵器装备工程学报，2017(10):50-54，64.

formatLIU Zhitong, WANG Shaoming, WANG Hongjian, et al.Risk Assessment on Nuclear Safety Supervision for Pressure Relief System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):50-54，64.

TL364+.4

A

2096-2304(2017)10-0050-05

(责任编辑周江川)