HFETR除气加压系统概率安全分析

张江云，周春林，王文龙，李海涛，郑大吉，邹德光，李子彦，陈启兵

(中国核动力研究设计院，四川 成都 610005)

HFETR除气加压系统概率安全分析

张江云，周春林，王文龙，李海涛，郑大吉，邹德光，李子彦，陈启兵

(中国核动力研究设计院，四川 成都 610005)

高通量工程试验堆(简称HFETR)除气加压系统给主冷系统提供静压，并除去一次水中辐射分解的气体，从而保证反应堆的运行安全。本工作应用RiskSpectrum软件，对HFETR运行期间除气加压系统开展概率安全评价(PSA)。通过整合部分法考虑共因故障，建立了以除气加压系统运行失效为顶事件的系统故障树模型，定量给出HFETR发生除气加压系统失效概率为2.013E-04。同时，以除气加压系统模型及运行可靠性数据为基础，进行了割集、重要度、灵敏度等分析，较全面地分析了该系统的风险水平，为系统升级和改造提供了重要参考。

高通量工程试验堆；概率安全评价；除气加压系统

高通量工程试验堆(High Flux Engineering Test Reactor简称HFETR)是一座大型的综合性的试验及工程应用和研究的压力壳型研究反应堆，主要承担材料辐照、元件考验及同位素生产等重要任务，至今已运行30余年。HFETR除气加压系统承担除去运行期间主冷却剂系统中的气体，并补偿反应堆正常运行工况下主冷却剂系统的少量泄漏，随着运行年数的增加，该系统的安全性、可靠性对反应堆的安全运行十分重要，需要进行安全分析评价，常用分析方法有确定论分析方法和概率论分析方法(PSA)。其中PSA分析方法通过对核反应堆重要系统进行全面的风险评价，可对系统运行的安全特征作出全面分析，国内外已有大量的应用。

1 系统描述

1.1 系统流程简介

HFETR除气加压系统运行时，部分一次水经堆出口母管旁路送入除气器，在常压下释放出一次水中辐射分解的爆炸性气体H2、O2和因元件破损而逸出的惰性气体Kr、Xe、Ar等，在除气器中，通入净化的压缩空气作为稀释剂，释放出的气体由喷射器带出，经冷凝、汽水分离过滤后，气体送入烟囱，排入大气；同时，一次水经加压泵输送至1#、2#事故泵的入口处。在加压泵的出口，设置有一个用于流量控制的DN100的005气动阀；在堆出口和除气器之间的管路上，设置有一个用于堆入口压力控制的DN100的011气动阀；气动阀均设有旁通的电动闸阀，其系统流程简图如图1所示。

1.2 系统主要设备及失效分析

在分析除气加压系统可靠性时重点针对该系统中具有重要作用的设备及阀门，该系统的设备阀门供电方式及失效分析见表1。

图1 HFETR除气加压系统流程图Fig.1 Scheme of HFETR Degassing and Pressure System

表1 系统主要设备及失效FMEA分析Table 1 Major Equipment and System Failure FMEA Analysis

2 系统分析

2.1 分析前准备

成功准则：除气加压系统成功运行30天。

顶事件：除气加压系统失效。(对于除气加压系统，一次水进入除气器进口管线的阀门失效，出口管线的阀门失效，加压过程的加压泵失效均会导致除气加压失效。)

基本假设：假设系统任务时间为720小时；不考虑各种信号线路失效；对于除气器冷凝器、烟囱及进气管线在本分析中不考虑。

2.2 可靠性数据处理

可靠性数据是PSA的基础，作为PSA的输入，可靠性数据的质量决定整个PSA分析结果的质量[1]。为了获取高质量的数据，我们将HFETR特有历史运行数据和核电站通用数据库通过一定的算法进行耦合优化，使得最终的数据既具有HFETR的特点，同时能够具有一定统计样本数量[2]。

本工作采用NRC和ASME推荐的方法—贝叶斯方法，该方法以通用数据为先验数据，以堆历史运行数据为样本数据，进行贝叶斯处理得到量化计算的后验数据[3]。对于部件的失效率而言，分布是连续的，此时，贝叶斯处理公式为：

(1)

式中：L——似然函数，表示在运行失效率λ确定的情况下，样品在确定的试验时间T内，失效次数的分布。对于指数型寿命的部件而言，该似然函数是一个泊松分布[4]:

(2)

上式中只要确定先验分布g(θ)，根据公式(1)就可求得后验分布h(θ/x1,x2…,xn)。基于上述数学模型，利用Matlab开发了可靠性参数计算分析程序PSA-BAYES，并以国际原子能机构的IAEA-TECDOC-478[1]以及美国核管会的NUREG/CR-5750[5]为先验数据。最终利用程序获得论文所需的可靠性数据。

2.3 共因失效分析

共因失效表现为多个冗余部件由于共同的原因同时或在一段时间间隔内发生失效，工业界长期经验积累发现其对系统总体失效的贡献比独立失效对系统总体失效贡献要大，故在分析过程中必须考虑共因失效[6，7]。目前流行的共因分析方法：β因子法、多希腊字母(MGL)法、α因子法、整合部分法(Unified Partial Method，UPM)等[8，9]。本文选用贴近研究堆运行特点共因失效参数处理的UPM法，使得分析过程能更贴近工程实践[10]。分析中考虑了两台加压泵启动与运行共因二阶失效，根据UPM法填表计算出相应β因子分别为3.72E-02和9.01E-02。

2.4 故障树建造

利用RiskSpectrum软件，建立系统故障树模型。HFETR除气加压系统共构建主故障树1棵，子故障树20棵(含共因故障树4棵)，主故障树和共因故障树如图2所示。

图2 HFETR除气加压系统主故障树和共因故障树Fig.2 Main Fault Tree and CCF Fault Tree of HFETR Degassing and Pressure System(a) 主故障树；(b) 1#加压泵启动失效共因故障树；(c) 2#加压泵启动共因故障树；(d) 1#加压运行失效共因故障树；(e) 2#加压泵运行失效共因故障树

3 系统分析结果及讨论

3.1 最小割集(MCS)分析

计算获得HFETR除气加压系统运行失效概率为2.013E-04。同时图3给出了HFETR除气加压系统失效事件支配性最小割集及其割集重要度，CC-CRP-FW-ALL、MAOV-012-O、MAOV-015-O、CPR-PUMP-FD-2#和CPR-PUMP-FW-1#分别代表加压泵运行共因失效、手动阀012故障、手动阀015故障、2#加压泵启动失效和1#加压泵运行失效。其中割集1的概率为1.439E-04割集2的概率为2.160E-05，割集3的概率为2.160E-05，割集4的概率为4.253E-06，其余割集的概率较小。经计算分析获得加压泵运行共因失效是导致除气加压系统运行失效的最重要故障模式。

图3 最小割集重要度Fig.3 Minimum Cut Sets Importance

3.2 重要度分析

FV重要度表示某单个基本事件的相关割集的发生频率和在顶事件中阶点的份额，它可为寻找系统薄弱环节提供依据，其表达式如下[11]：

(3)

IiFV表示基本事件i的FV重要度，∑QMCS(i)表示所有含基本事件i的割集发生频率的和，Qtop表示顶事件的不可用度。

同时可靠性参数的重要度分析有两种检测方法[11]。

风险减少因子(RDF)，计算模型为：

(4)

风险增加因子(RIF)，计算模型为：

(5)

FV重要度数据处理结果如图4所示，可靠性参数重要度分析检测结果如图5所示。

由FV重要度分析获得可靠段供电失效、加压泵运行共因失效、015手动阀故障和012手动阀故障是HFETR供除气加压统系统的薄弱环节。

由RIF计算获得，发生可靠段供电失效、加压泵运行共因失效、手动阀故障、除气器运行失效、电动阀故障和止回阀故障事件对增加除气加压系统的风险水平贡献最大；同时，RDF计算获得，避免可靠段供电失效和加压泵运行共因失效对降低除气加压系统系统目前风险水平贡献最大。

3.3 灵敏度分析

灵敏度分析可以为实际在役系统的升级改造提供指导意见，其计算公式[11]：

(6)

计算获得除气加压系统运行失效基本事件灵敏度及除气加压系统可靠性参数灵敏度数据见表2和表3所示。

图4 支配性基本事件的FV重要度Fig.4 FV Importance of the Dominate Basic Event

图5 HFETR除气加压系统可靠性参数重要度分析Fig.5 Importance Analysis of reliability Parameters of HFETR Degassing and Pressure System

表2 除气加压系统运行失效基本事件灵敏度分析Table 2 Sensitivity Analysis of Degassing and Pressure System Run Failure Basic Event

表3 除气加压系统可靠性参数灵敏度分析Table 3 Sensitivity Analysis of Degassing and Pressure System Reliability Parameters

分析表3、表4获得，可靠段供电失效、加压泵运行共因失效基本事件和参数具有最大灵敏度。

4 结论

针对HFETR除气加压系统构建故障树模型，并利用该模型对系统进行概率安全评价得到结论：

(1) HFETR除气加压系统运行失效概率为2.013E-04。

(2) 可靠段供电失效、加压泵运行共因失效、015手动阀故障和012手动阀故障导致系统运行失效的最重要因素，是该系统的薄弱环节，而且前两个基本事件具有最大灵敏度。

(3) 当对除气加压系统改造升级的相关活动中，重点应解决该系统加压泵的供电与共因运行失效问题。

[1] Component Reliability Data for Use for Usein Proba-bilistic Safety Assessment [DB]. IAEA- TECDOC-478,1988.

[2] 薛大知. 核电站PSA分析中可靠性数据处理的贝叶斯方法[J]. 核动力工程,2000,20(5)：451-455.

[3] USNRC. Handbook of Parameter Estimation for Probabilistic Risk Assessment [DB]. NUREG/CR-6823,200.

[4] 赵福学. 可靠性工程学[M]. 中国科学技术出版社,1992:165-172.

[5] USNRS. Rate of Initiating Events at U.S Nuclear Power Plants[R]. NUREG/CR -5750,1987-1995.

[6] Mosleh, A., Rasmuson, D.M., Marshall, F.M,Guidelines on Modeling Commo -ndcause Failures in Probabilistic Risk Assessment[M].NUREG/CR-5485, Was -hington,DC:Nuclear Regulatory Commi -ssion,1998.

[7] T.E. Wierman, D.M. Rasmuson, A. Mosleh,Common-Cause Failure Database and Analysis System: Event Data Collection, Classification, and Coding [M]. NUREG/CR-6268, Washington, DC: Nuclear Regulatory Commission,2007.

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[9] V Brand, UPM 3.1: A Pragmatic Approach to Dependent Failures Assessment for Standard Systems[M]. SRD Association Report SRDA-R13,UK,AEA Technology PLC, 1996.

[10] 宋明海. 秦山三期(重水堆)核电站概率安全评价之共因失效分析方法与应用研究[D]. 上海交通大学,2007.

[11] RiskSpectrum Analysis Tools User’s Manual[CP]. RelconAB,1984-2001.

ProbabilisticSafetyAnalysisofHFETRDegassingandPressureSystem

ZHANGJiang-yun,ZHOUChun-lin,WANGWen-long,LIHai-tao,ZHENGDa-ji,ZOUDe-guang,LIZi-yan,CHENQi-bing

(Nuclear Power Institute of China, Chengdu of Sichuan Prov. 610005, China)

The Degassing and Pressure System of HFETR provide to pressure of the main cooling system,and removal of a water radiolysis gases,so as to ensure the safe operation of the reactor. Employing the RiskSpectrum software, HFETR Degassing and Pressure System is analyzed by using Probability Safety Assessment (PSA) methodology. Considering the Common Cause Failures (CCF) by employing Unified Partial Method (UPM), the Degassing and Pressure System PSA model is built via constructing the fault trees with the running failure of Degassing and Pressure System as top event. Meanwhile, the consequentially quantity failure probability is presented as 2.013E-4. By input the reliability data from the HFETR operation, the unavailability of Degassing and Pressure System is presented. Furthermore, the analysis also involves in the Minimal Cut Set (MCS) analysis, importance measures and sensitivity calculations. Those analyses present an overview of the current Degassing and Pressure System risk level, provide a considerable reference of the system change and update issues.

HFETR; PSA; Degassing and Pressure System

2016-09-15

张江云(1987—)，男，四川巴中，工程师，硕士，从事反应堆安全分析及运行工作

0571.1

A

0258-0918(2017)06-1045-08