安全級儀控系統設備鑒定樣機代表性分析

黃 焜,劉 彪,李浩聞,宋宜毅

(國核自儀系統工程有限公司，上海 200241)

0 引言

核安全法規HAF102[1]《核動力廠設計安全規定》規定，“必須采用設備鑒定的程序來確認安全重要物項能夠在其整個設計運行壽期內滿足處于需要起作用時的環境條件(如振動、溫度、壓力、噴射流沖擊、電磁干擾、輻照、濕度或這些因素的任何可能組合)下執行其安全功能的要求”。

核電廠安全級儀控系統設備是核電廠安全功能執行的神經中樞系統，是核電廠安全運行的必不可少的系統設備。因此，核電廠安全級儀控系統設備必須經過設備鑒定后方可應用于實際工程。IEEE 323 “IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations”[2]對安全級儀控系統設備鑒定提出了總體要求[3-4]。

在開展核電廠安全級儀控系統設備鑒定過程中，受到成本和時間的限制，不可能做到鑒定樣機與實際工程產品完全一樣。因此，設備鑒定所使用的樣機必須具有代表性，方能將樣機的鑒定結論應用于實際工程產品[5-6]。

鑒定樣機的代表性直接關系到設備鑒定結論的有效性和正確性。本文圍繞鑒定樣機的代表性分析方法進行討論，提出了定性分析和定量分析的方法[7]。

1 鑒定樣機代表性分析要素

核電站安全級儀控系統通常由機柜、卡件、端子和電纜導線等組成。代表性分析過程中要對所有設備進行全面分析。NB/T 20344—2015[8]標準對核電廠安全級設備代表性分析提出了5個分析要素。下面以該標準提出的分析要素為基礎，結合核電廠安全級儀控系統設備鑒定過程中的實踐經驗，闡述鑒定樣機代表性分析的5個要素[9-10]。

1.1 功能代表性

鑒定樣機應具有被鑒定設備的典型功能，同時應考慮系統功能的重要性、復雜性和全面性。鑒定樣機典型功能應包括以下幾個方面。

①鑒定樣機應覆蓋所有的輸入輸出功能。

②鑒定樣機應選取實現復雜的、重要的邏輯運算處理功能。對于核電廠安全級儀控系統，應選取其重要的安全功能(停堆和專設功能)。

③鑒定樣機應覆蓋所有類型的數據通信接口、數據通信的路徑。

④鑒定樣機應覆蓋所有類型的隔離功能，通常考慮電氣隔離(例如光電隔離、變壓器隔離等)、物理隔離(例如金屬軟管)兩方面，鑒定試驗中重點考慮電氣隔離功能和性能的驗證。

⑤鑒定樣機應具備的人機接口功能。安全級儀控系統人機接口通常指圖形畫面和手動操作開關。其中圖形畫面通常考慮其數據顯示、軟操按鈕等功能，所有圖形界面上可能出現的元素應該全面覆蓋；對于手動操作開關，應確保所選用的開關型號相關、開關的接線方式相同，執行重要的手動驅動功能。

⑥鑒定樣機應包括基本的自診斷功能和監測功能，通常會有一些自診斷數據包，鑒定試驗過程中確認能正確讀取其自診斷信息。

⑦鑒定樣機應覆蓋其性能特征，例如精度、響應時間特性等。

1.2 產品類型代表性

對于產品類型代表性來說，需確保鑒定樣機應包含所有類型的設備(工程應用中需使用的)。某設備可能會因配置不同而執行不同的功能，此時需考慮所有不同的配置要求。總的來說，要滿足以下兩個要求:

①覆蓋所有類型產品；

②覆蓋所有產品的不同功能配置。

1.3 機械結構代表性

對于安全級儀控系統設備來說，鑒定樣機的機械結構特性必須與實際工程應用保持一致，任何不一致都將不具備機械結構代表性。對于機柜的機械結構代表性從以下幾個方面進行分析評估。

①機柜柜體。機柜柜體包括柜體及其開孔(位置、尺寸和方式)，柜體的生產技術，例如生產柜體的材料、柜體成形技術等。

②機柜柜門。機柜柜門包括柜門的鉸鏈、柜門與柜體之間的密封件、柜門上的開孔、柜門的材料及成形技術等。

③柜內鈑金。柜內的鈑金件主要用于安裝柜內部件，主要考慮其材料、布置位置和固定方式等。

④外部接口。對于機柜來說，外部的機械接口主要是側面開孔的穿線、柜底和柜頂的開孔、機柜安裝方式。對于有開孔的機柜，必須配套相關密封件。評估時需考慮這些密封件材料、特性。

⑤安裝方式。樣機機柜的安裝方式必須與工程產品實際情況保持一致。機柜安裝方式一般有焊接和螺栓連接兩種方式。對于焊接，要考慮焊接材料、焊縫的高度和長度、焊接的位置等；對于螺栓連接方式，要考慮螺栓的規格、材料等。

1.4 應用配置代表性

不同應用配置對設備鑒定的結果也會存在影響，例如不同的配置可能會導致機柜內溫度分布不同影響環境鑒定試驗，導致機柜重心分布不同影響抗震鑒定等。關于應用配置的代表性主要考慮以下幾個方面。

①機柜內溫度分布。分析不同設備的功率和發熱量，保證鑒定樣機在某個區域內的發熱量不低于工程應用實際情況，使鑒定樣機在環境試驗時經受嚴酷的溫度應力。

②電氣連接。需覆蓋所有類型的電氣連接。

③機械應力。設備安裝在機柜內的鈑金件上，通常會對柜內鈑金件產生一個機械應力，鈑金件對應力的承受會有一個極限范圍，若超過一定范圍會造成脫落等風險，無法滿足抗震試驗要求。因此，在分析鑒定樣機應力時必須考慮實際工程應用的最大值，可以通過軟件模擬等方式確定是否滿足要求。

④負荷。鑒定樣機的負荷主要是指CPU負荷、網絡負荷、可編程邏輯器件資源占用率等。鑒定樣機的負荷應不低于覆蓋工程應用時的負荷。

1.5 軟件代表性

核電廠安全級儀控系統設備的軟件通常包括基礎軟件和應用軟件。其中，基礎軟件通常不會因工程應用不同而變化。因此，鑒定樣機的基礎軟件必須與實際工程產品保持一致。對于鑒定樣機中的基礎軟件必須經過獨立驗證與確認。

除了基礎軟件外，應用軟件需考慮使用典型的功能，例如應用層的診斷功能、典型的功能邏輯等。

2 鑒定樣機代表性定量分析方法

本章對設備鑒定樣機代表性分析要素的闡述過程中，簡單描述了一些代表分析的定性方法。本章提出一項定量分析方法[10]，以便使得樣機代表性分析結果更有說服力。我們將此方法定義為符合性系數分析法。該方法主要是將鑒定樣機分成不同的區域，然后對不同的區域根據選取要素進行分析，最后通過最初設定的相關系數綜合得出樣機是否具有代表性。

2.1 前提條件與假設說明

前文列舉了代表性分析的5個要素。其中，產品類型需100%覆蓋工程產品，機械結構需與工程產品保持一致，而功能代表性和軟件代表性沒有較好的定量指標用于分析，大多數情況下受應用配置和選取的產品類型影響。因此，符合性系數分析法主要考慮了應用配置代表性。在使用此分析方法前，做出如下假定，以便更好地使用此方法進行評估。

①鑒定樣機的機械結構與工程產品完全一致。

②軟件代表性已滿足要求，軟件已實現了要選取的重要功能，并完成了軟件的驗證與確認工作。

③鑒定樣機已配置了所有類型的產品，利用這些產品和配套的軟件已實現了選取的典型功能，已具備功能代表性。

④鑒定樣機機械應力分析結果滿足樣機的機械應力不小于工程應用。

⑤鑒定樣機電氣連接方式與工程產品一致。

⑥鑒定樣機的CPU負荷、網絡負荷、可編程邏輯器件資源占用率等不低于工程產品。

⑦對于安裝在某一區域內的設備，其對該區域的影響是平均分布的，例如對溫升、機柜重心的影響。最終鑒定結論中應明確某個區域可布置的設備類型。

2.2 鑒定樣機的區域劃分

對于鑒定樣機的區域劃分，通常按機柜上下方向進行劃分，平均劃分為3個或5個區域(平均劃分的目的是簡化分析計算)。如果機柜內單個設備尺寸均較小，那么可劃分為5個區域；如果機柜內單個設備尺寸較大，那么可以劃分為3個區域，從而盡可能保證分析過程中不會有跨區域的設備，簡化分析過程。若存在跨區域分布的情況，需將此設備對各個區域的影響按線性分布處理，分別疊加到各個區域。以下介紹分析方法的過程中均以平均劃分為3個區域為例，假定3個區域分別為區域1、區域2、區域3。

2.3 鑒定樣機定量分析要素及符合性系數

表1 符合性系數分布

在對每個區域分析過程中，考慮到儀控系統機柜產品的特點主要對以下要素進行分析:功率功耗-發熱量、質量、重心分布，包括3個軸向(參考坐標0點位于該分區域的正面左下角位置。機柜區域劃分圖如圖1所示。在分析過程中，使用定制的分析表格進行分析。區域1～區域3的定量分析分別如表2～表4所示。

圖1 機柜區域劃分圖

表2 區域1定量分析

表3 區域2定量分析

表4 區域3定量分析

通過對3個區域進行分析，得到了3個區域的符合性系數。分析結果發現，區域1質量的符合性為0.95，其余符合性系數均為1，最終計算得到的符合系數A=0.95，滿足不小于0.8的要求。鑒定樣機具備代表性，可以用于開展設備鑒定工作。如果在分析前設定的目標:符合性系數必須達到1，則需再次調整配置重新計算，直至達到目標。

3 結論

為確保安裝于核電廠的安全級儀控系統設備完成要求的質量鑒定，采用1∶1鑒定樣機的形式在經濟上和時間上都是不可接受的。因此，考慮選用具備代表性的鑒定樣機完成設備鑒定。鑒定樣機的代表性是鑒定結論能否適用于工程產品的關鍵。

本文圍繞鑒定樣機的代表性分析展開討論，包括定性分析和定量分析的方法。定性分析從原則上評估鑒定樣機的代表性。而定量分析提出了一種基于分區域分要素的符合性系數分析方法，能更加準確地描述鑒定樣機的代表性，從數據出發，使用分析結論更具說服力。在分析過程中，合理地選擇分析要素，合理地劃分不同的分析區域，合理地設定相關系數，是代表性分析的前提條件，也是需要進行一步研究和探討的問題。