核電廠(chǎng)維修規(guī)則中確定風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)的方法研究

張博平，馬喜良，張 適，錢(qián)曉明，初永越,*

(1.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心,北京 100082；2.蘇州熱工研究院有限公司,廣東 深圳 518038)

維修規(guī)則(Maintenance Rule，MR)是20世紀(jì)美國(guó)核管理委員會(huì)(NRC)為提高核電廠(chǎng)構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備(SSC)維修活動(dòng)的有效性提出的一套規(guī)則體系。維修規(guī)則的實(shí)施能夠確保核電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，各主要系統(tǒng)設(shè)備可在各種運(yùn)行工況、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況、以及選定的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下有效的執(zhí)行其預(yù)定的安全功能，減少挑戰(zhàn)核電廠(chǎng)安全瞬態(tài)次數(shù)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而確保機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]。

核電廠(chǎng)實(shí)施以結(jié)果為導(dǎo)向的維修規(guī)則體系，需要針對(duì)所有納入維修規(guī)則的SSC設(shè)定性能指標(biāo)，但實(shí)際中對(duì)所有SSC均設(shè)定性能指標(biāo)是不切實(shí)際的。為此，核電廠(chǎng)通常會(huì)采取以實(shí)現(xiàn)某一特定功能的設(shè)備組或整個(gè)系統(tǒng)為單位來(lái)確定性能指標(biāo)，其過(guò)程依據(jù)這類(lèi)SSC的風(fēng)險(xiǎn)重要度和常運(yùn)行狀態(tài)。因此，對(duì)納入維修規(guī)則體系SSC如何進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)劃分成為關(guān)鍵。

1 美國(guó)核電廠(chǎng)確定SSC風(fēng)險(xiǎn)重要度的實(shí)踐

美國(guó)核資產(chǎn)管理委員會(huì)發(fā)布的NUMARC93-01和NUMARC93-02對(duì)確定SSC風(fēng)險(xiǎn)重要度和性能指標(biāo)層級(jí)提出了基本的原則。確定風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)的目的就是為了確定某系統(tǒng)部件制訂什么層級(jí)的性能指標(biāo)，判定結(jié)果一般按系統(tǒng)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)重要度和常用模式分為4類(lèi)，如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)重要分類(lèi)原則Table 1 Principles for determining risk significant category

按照風(fēng)險(xiǎn)重要度的高低結(jié)合其常運(yùn)行模式，只有非風(fēng)險(xiǎn)重要且在運(yùn)行中的系統(tǒng)部件，才制訂電廠(chǎng)級(jí)的性能指標(biāo)，其余三者均可制訂系統(tǒng)或列級(jí)的性能指標(biāo)，必要時(shí)可制定設(shè)備級(jí)指標(biāo)。

NRC在審查核電廠(chǎng)時(shí)利用NUMRAC93-01中所建議的方法來(lái)確定SSC重要度的過(guò)程文件及結(jié)果。美國(guó)大多數(shù)核電廠(chǎng)采用了NUMARC93-01中推薦的風(fēng)險(xiǎn)減少值(RRW)、風(fēng)險(xiǎn)增加值(RAW)和堆芯損壞頻率(CDF)貢獻(xiàn)度方法，但也有一些核電廠(chǎng)采用了替代的定量方法，包括Birnbaum或FV重要度方法[2]。

美國(guó)核電廠(chǎng)在采用RRW和CDF貢獻(xiàn)度方法確定風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)時(shí)，會(huì)排除與維修不相關(guān)的因素(如人因失誤或外部事件等)；如果核電廠(chǎng)曾有過(guò)重要的設(shè)計(jì)變更、概率安全評(píng)價(jià)(PSA)模型升版或應(yīng)用新的可靠性數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)的結(jié)果進(jìn)行重新評(píng)價(jià)，以確保反映現(xiàn)實(shí)情況[3]。部分核電廠(chǎng)還利用對(duì)不同安全功能給予不同權(quán)重值的專(zhuān)家判斷Delphi 方法進(jìn)行定性的判斷，以彌補(bǔ)PSA方法的不足。兩個(gè)美國(guó)核電廠(chǎng)確定SSC風(fēng)險(xiǎn)重要度的實(shí)例如表2所示。

表2 美國(guó)2個(gè)核電廠(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)重要度分類(lèi)實(shí)例Table 2 Two examples of risk significant category at NPPs in the United States

值得注意的是，如果統(tǒng)一按照NUMARC93-01中所給定的閾值(RAW≥2,RRW>1.005,組成90%CDF貢獻(xiàn)度的最小割集)，有可能無(wú)法反映出核電廠(chǎng)某些特定的風(fēng)險(xiǎn)配置情況。因此核電廠(chǎng)采取專(zhuān)家判斷的方式作為補(bǔ)充，并結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)最終確定納入維修規(guī)則范圍內(nèi)SSC的風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)更為科學(xué)合理。

2 風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)判斷的一般流程及方法

按照《改進(jìn)核電廠(chǎng)維修有效性的技術(shù)政策(試行)》中的要求，在確定典型核電廠(chǎng)維修規(guī)則中SSC風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)的分析過(guò)程中可主要采用以下兩種方法：

(1)基于PSA技術(shù)的定量分析;

(2)基于專(zhuān)家判斷的綜合決策。

兩種分析方法相互補(bǔ)充，以使風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)的分析更為合理。根據(jù)核電廠(chǎng)PSA模型的特點(diǎn)，PSA模型范圍內(nèi)的MR功能可采用PSA重要度分析的方式予以確定；PSA分析結(jié)論為非風(fēng)險(xiǎn)重要或不在PSA模型范圍的SSC，可結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，采用專(zhuān)家判斷的方法進(jìn)行補(bǔ)充分析。以上不同方法分析的結(jié)論還最終需要通過(guò)維修規(guī)則專(zhuān)家組(MREP)最終審查確認(rèn)，針對(duì)MR功能的風(fēng)險(xiǎn)重要度分析流程如圖1所示。

圖1 SSC的風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)判定流程Fig.1 Process for determining SSC risk significant category

目前國(guó)內(nèi)核電廠(chǎng)在開(kāi)展維修規(guī)則SSC風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)判定過(guò)程中，一般還會(huì)在MREP以外設(shè)定維修規(guī)則協(xié)調(diào)人(MRC)、成立項(xiàng)目專(zhuān)家組和PSA小組，其分工負(fù)責(zé)的內(nèi)容如表3所示。

表3 SSC風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)判定過(guò)程的說(shuō)明Table 3 Explanation of process for determining SSC risk significant category

3 基于PSA技術(shù)確定風(fēng)險(xiǎn)重要度

3.1 確定PSA模型基本信息

(1)建立基本事件對(duì)照表

建立基本事件與電廠(chǎng)實(shí)際設(shè)備的對(duì)照表，將模型中模化的各基本事件重要度轉(zhuǎn)化為電廠(chǎng)實(shí)際設(shè)備的重要度。

(2)確定截?cái)嘀?/p>

根據(jù)NEI-00-04中建議，計(jì)算設(shè)備重要度時(shí)，所選取的截?cái)嘀祽?yīng)至少比核電廠(chǎng)的基準(zhǔn)CDF結(jié)果低5個(gè)以上的量級(jí)。針對(duì)典型核電廠(chǎng)PSA模型實(shí)際，用多種截?cái)嘀捣謩e對(duì)各模型進(jìn)行敏感性分析，綜合考慮不同截?cái)嘀迪赂髂Ｐ偷腃DF或LERF的計(jì)算結(jié)果、最小割集的數(shù)量、基本事件的數(shù)量及計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度后，選取截?cái)嘀?。?guó)內(nèi)某核電機(jī)組選取的截?cái)嘀等绫?所示。

表4 截?cái)嘀颠x取表Table 4 Picklist of truncation limit

3.2 PSA相關(guān)參數(shù)計(jì)算

計(jì)算三種PSA中風(fēng)險(xiǎn)重要度參數(shù)，即RAW重要度、RRW重要度和CDF貢獻(xiàn)度，任何一項(xiàng)高于限值則認(rèn)為從PSA角度是風(fēng)險(xiǎn)重要的，并作為MREP的風(fēng)險(xiǎn)決策輸入。

(1)RAW重要度

RAW重要度表示如果一項(xiàng)SSC不論何種失效模式(例如：?jiǎn)?dòng)失效、運(yùn)轉(zhuǎn)失效)下都失效，由此造成風(fēng)險(xiǎn)的增加值即為該SSC的風(fēng)險(xiǎn)增加因子，RAW按公式(1)計(jì)算：

RAWi=Qi+/Q

(1)

式中：Q——基準(zhǔn)CDF或LERF;

Qi+——將i基本事件發(fā)生概率設(shè)定為1后的CDF或LERF。

如果SSC的RAW達(dá)到閾值(RAW≥2)時(shí)，則認(rèn)為它是風(fēng)險(xiǎn)重要的。

(2)RRW重要度

RRW定義：如果使一項(xiàng)SSC不出現(xiàn)任何故障模式(例如：?jiǎn)?dòng)故障、運(yùn)轉(zhuǎn)故障)，也即非常地可靠，由此造成的現(xiàn)存風(fēng)險(xiǎn)的減少值即為該SSC的減險(xiǎn)價(jià)值，RRW按公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

RRW=Q/Qi-

(2)

式中：Q——基準(zhǔn)CDF或LERF;

Qi-——將i基本事件發(fā)生概率設(shè)定為0后的CDF或LERF。

如果SSC的RRW超過(guò)閾值(RRW>1.005)時(shí)，則認(rèn)為它是風(fēng)險(xiǎn)重要的。

(3)CDF貢獻(xiàn)度

如果一項(xiàng)SSC包含在若干割集之中，這些割集按遞減排序且累計(jì)對(duì)CDF的貢獻(xiàn)超過(guò)90%，則認(rèn)為它是風(fēng)險(xiǎn)重要的。識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)重要的SSC可按以下步驟：

識(shí)別出占總CDF 90%以上的割集；

排除與維修無(wú)關(guān)的割集(例如人因、外部事件或始發(fā)事件)；

確定SSC風(fēng)險(xiǎn)重要度類(lèi)別。

3.3 確定MR功能的表征設(shè)備

根據(jù)PSA風(fēng)險(xiǎn)重要度參數(shù)的特性，使用PSA方法進(jìn)行MR功能的風(fēng)險(xiǎn)重要度分析時(shí)，可通過(guò)選擇實(shí)現(xiàn)該MR功能的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)重要度分析，進(jìn)而確定該MR功能的風(fēng)險(xiǎn)重要度類(lèi)別。關(guān)鍵設(shè)備的選取，可通過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)該功能的多個(gè)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)重要度結(jié)果后，選擇參數(shù)值較大的設(shè)備或者計(jì)算結(jié)果可以表征此功能的設(shè)備。

3.4 表征設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)重要度計(jì)算分析方法

PSA模型中對(duì)某一設(shè)備可能?；喾N失效模式，且由于設(shè)置了截?cái)嘀档挠绊?，單個(gè)設(shè)備可能對(duì)應(yīng)多個(gè)基本事件的RAW和RRW參數(shù)。根據(jù)參數(shù)特性，單個(gè)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)重要度參數(shù)可應(yīng)用公式(3)和公式(4)計(jì)算：

RAW=MAX(RAWi)

(3)

RRW=MAX(RRWi)

(4)

式中：i——此設(shè)備涉及基本事件。

以國(guó)內(nèi)某核電機(jī)組PSA模型中安全殼噴淋泵為例進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示。

表5 EAS001PO風(fēng)險(xiǎn)重要度計(jì)算示例表(內(nèi)部事件功率/停堆工況一模型)Table 5 Example of EAS001PO risk significant (level one, internal events PSA at powerutdown conditions)

由于模型存在不平衡性，所以可能會(huì)導(dǎo)致兩列對(duì)稱(chēng)功能位置的設(shè)備所計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)重要度參數(shù)存在差異，此種情況以計(jì)算參數(shù)較大的值為準(zhǔn)。

實(shí)際執(zhí)行的過(guò)程中，針對(duì)某一特定MR功能計(jì)算PSA模型中的RAW、RRW、最小割集，若計(jì)算過(guò)程中有任何一項(xiàng)重要度高于限值，則認(rèn)為此項(xiàng)MR功能從PSA角度判斷是風(fēng)險(xiǎn)重要的，不必再繼續(xù)對(duì)其他模型或者其他重要度表征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、分析，具體流程如圖2所示。

圖2 通過(guò)PSA方法分析SSC風(fēng)險(xiǎn)重要度的流程Table 6 Weights of Delphi function in expert judgment

4 基于專(zhuān)家判斷確定風(fēng)險(xiǎn)重要度

專(zhuān)家判斷可采用Delphi方法，即通過(guò)組建項(xiàng)目專(zhuān)家組，評(píng)定SSC在4個(gè)事故響應(yīng)功能與6個(gè)正常運(yùn)行功能中的重要程度(給予不同權(quán)重因子)，對(duì)于總值超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)重要限值的，則認(rèn)為是風(fēng)險(xiǎn)重要的，并作為MREP風(fēng)險(xiǎn)決策的輸入。專(zhuān)家判斷中Delphi功能權(quán)重如表6所示。

表6 專(zhuān)家判斷中Delphi功能權(quán)重Fig.2 Process for determining SSC risk significant through PSA method

首次使用Delphi方法時(shí)，需要MREP確認(rèn)Delphi功能權(quán)重分配的合理性。首先對(duì)于事故響應(yīng)和正常運(yùn)行功能的分配權(quán)重進(jìn)行討論，確定事故響應(yīng)功能的權(quán)重是正常運(yùn)行功能權(quán)重的倍數(shù)；其次分配事故響應(yīng)和正常運(yùn)行各子項(xiàng)功能的權(quán)重，分配過(guò)程是每個(gè)專(zhuān)家給出各子項(xiàng)功能的權(quán)重分(1～10分)，匯總?cè)∑骄?，各位?zhuān)家參考平均值進(jìn)行二次打分和討論，再次取平均，結(jié)合第一條的權(quán)重倍數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并且歸一化處理，即為所要分配的最終權(quán)重。

通過(guò)Delphi方法開(kāi)展專(zhuān)家判斷時(shí)，一般由熟悉運(yùn)行、維修、核安全和PSA的專(zhuān)家組成項(xiàng)目專(zhuān)家組，在充分考慮SSC相關(guān)功能的冗余性和可恢復(fù)性、電廠(chǎng)程序完備性、以及運(yùn)行人員的技能和經(jīng)驗(yàn)的情況下，對(duì)功能喪失會(huì)造成Delphi功能喪失的SSC，依據(jù)對(duì)Delphi功能影響的靈敏度給予相應(yīng)分值。評(píng)分流程如下：

(1)組織專(zhuān)家分析目標(biāo)MR功能對(duì)事故響應(yīng)和正常運(yùn)行功能的影響，并對(duì)每一項(xiàng)Delphi功能進(jìn)行打分；

(2)將各位專(zhuān)家的打分進(jìn)行匯總并且作平均，對(duì)于各Delphi功能分值與平均值相差顯著(≥2)的，需要進(jìn)行討論并且獨(dú)立進(jìn)行第二次打分，再次做平均后填入記錄表；

(3)將記錄表里各項(xiàng)的分?jǐn)?shù)和權(quán)重相乘后相加，與限值相比較，即可得出此目標(biāo)功能是否為風(fēng)險(xiǎn)重要。

但在判斷過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意如下幾點(diǎn)：

(4)對(duì)可能導(dǎo)致安全殼失效而產(chǎn)生不可接受放射性釋放的SSC也應(yīng)進(jìn)行分析；

(5)對(duì)功率運(yùn)行模式和其他模式均需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)重要度分析；

(6)項(xiàng)目專(zhuān)家組應(yīng)識(shí)別SSC不同失效模式下的影響，綜合考慮以確定其是否為風(fēng)險(xiǎn)重要。

5 結(jié)語(yǔ)

由于核電廠(chǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不可能也沒(méi)有必要對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在實(shí)際的執(zhí)行中，核電廠(chǎng)更多是從系統(tǒng)或列級(jí)的角度出發(fā)，對(duì)執(zhí)行安全功能的一組設(shè)備制訂相應(yīng)的性能指標(biāo)，從而減少制定性能指標(biāo)的數(shù)量，以使這套體系更為有效的運(yùn)行。因此，在確定SSC風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)時(shí)，在通過(guò)內(nèi)部事件功率工況一級(jí)PSA模型進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)上，具備條件的核電廠(chǎng)可再計(jì)算內(nèi)部事件停堆工況一級(jí)模型的參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充(也可補(bǔ)充內(nèi)部事件二級(jí)模型、外部災(zāi)害等模型的分析)。對(duì)于通過(guò)PSA分析得到的結(jié)論，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)采用例如Delphi方法的專(zhuān)家判斷進(jìn)行補(bǔ)充分析，以確保維修規(guī)則開(kāi)發(fā)過(guò)程中SSC風(fēng)險(xiǎn)重要類(lèi)計(jì)算和最終確定的準(zhǔn)確性和合理性。