核電廠可靠性分析的標準研究

黃素文，徐思敏，陳日罡

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

可靠性是評價核電廠安全性的重要指標。核電領域可靠性分析標準是在核電發展歷程中對可靠性分析技術和經驗的總結，是核電標準體系的重要組成部分。可靠性分析的發展離不開標準的支撐。核電設計和運行人員以及有關管理人員只有通過統一的可靠性分析標準才能進行準確的分析和決策。另外，對于相同的數據，如果選擇的可靠性分析方法不同，那么所得到的結果也會有很大的差別。這種差別可能是數量級的[1]。因此，需要應用指南類標準對各可靠性分析方法的應用、使用范圍、優點和局限等內容給出指導。我國可靠性分析應用指南標準GB/T 9225—1999[2]《核電廠安全系統可靠性分析一般原則》已超過20年，如今該版本已不能滿足日益發展的技術水平需求和可靠性分析方法的進步。

1 國內外核電領域可靠性分析標準

目前，國內核電系統和設備可靠性分析的工作和相關標準的制修訂主要參考國際電工委員會(International Electrotechnical Commission,IEC)以及美國電氣和電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)制訂的標準。本文重點調研和分析了IEC和IEEE可靠性分析標準體系。

1.1 IEC的可靠性分析標準

IEC制訂的可靠性分析標準體系，從可信性管理系統標準IEC 60300-1出發，包括可信性相關的綱領性文件、應用指南和工具標準。IEC可信性標準體系結構如圖1所示。IEC標準體系中，可靠性分析方法相關的標準為IEC 60300-3-1[3]《應用指南：可信性分析技術方法指南》及其工具標準IEC 60812[4]《故障模式及其影響分析方法(FMEA)》、IEC 61025[5]《故障樹分析(FTA)》、IEC 61078[6]《可靠性方框圖方法》、IEC 61165[7]《馬爾可夫技術應用》、IEC 62502[8]《事件樹分析(EAT)》、IEC 61882[9]《危險與可操作性分析(HAZOP)應用指南》等。

圖1 IEC可信性標準體系結構示意圖

1.2 IEEE的可靠性分析標準

IEEE制訂的標準體系，從核電廠安全系統設計準則標準IEEE 603出發，也包括相關的綱領性文件、應用指南和工具標準。

與可靠性相關的標準包括IEEE 577[10]《核電廠安全系統設計和運行的可靠性分析要求》、IEEE 352[11]《核電廠安全系統可靠性分析一般原則》和IEEE 7-4.3.2[12]《核電廠安全系統中數字計算機的適用準則》。IEEE 577是核電廠安全系統可靠性分析工作的總體要求，規定的是相關工作可接受的最低限度要求。IEEE 7-4.3.2規定了計算機用作核電廠安全系統設備時的一般原則。IEEE 352在核電廠安全系統及其他核設施的可靠性分析領域作為基礎指導文件，提供安全系統可靠性分析的基本原則和方法。該標準詳細說明了可靠性分析的基本原則和方法，從定性分析、定量分析、數據采集、可靠性方法的應用等多方面提出了指導方法和原則，對可靠性分析的開展和實施有重要的指導意義。

IEEE標準體系結構如圖2所示。

圖2 IEEE標準體系結構示意圖

1.3 IEC與IEEE可靠性分析應用指南的對比分析

作為可靠性分析方法的應用指南，IEC 60300-3-1和IEEE 352相比，給出了在可靠性分析方法的使用和選擇方面描述更簡潔且更普適的原則，具體步驟需參考相應的工具標準。IEC 60300-3-1包含了IEEE 352沒有提到的方法，比如Petri網格法、危害和可操作性(hazard and operability,HAZOP)研究法等。各方法所舉的例子沒有明顯的行業傾向，例如附錄A故障樹法中的擴音器例子、事件樹法中的車輪胎故障例子等。

IEEE 352針對核電領域普遍應用的可靠性分析方法給出了指導，對核電領域可靠性分析需要考慮的特定因素進行了詳細的解釋，比如定性分析和定量分析中對共因故障的考慮、核電廠安全系統可靠性數值指標的確定等。各方法所舉的例子是針對核電系統或設備的，例如附錄中應用各種可靠性分析方法對核電站事故停堆功能失效案例進行了分析。

總之，IEEE 352在應用領域、分析方法范圍、案例等方面更具有核電行業針對性。

1.4 我國可靠性分析標準情況

國內核電領域使用的可靠性分析標準如表1所示。GB/T 9225—1999等效采用IEEE 352-1987，由全國核儀器儀表標準化技術委員會歸口，是我國核電領域儀控電安全系統的基礎性標準之一。該標準從上層系統級的可靠性分析到下層設備級的可靠性分析，都參考了GB/T 9225—1999中的定性和定量分析方法。國內核電領域專用的可靠性分析工具標準僅NB/T 20096—2012[13]《核電廠系統故障模式與影響分析》和NB/T 20558—2019[14]《核電廠故障樹分析導則》，由核工業標準化研究所歸口；NB/T 20096—2012非等效采用IEC 60812：2006，結合核電領域特點規定了核電廠系統FMEA和FMECA的一般方法、一般原則和實施步驟；NB/T 20558—2019主要參考GB 7829-87、GJB/Z 768A和NUREG-0492，規定了核電廠故障樹分析的一般程序和方法。另外，GB/T 37981—2019[15]《可信性分析技術可靠性框圖法和布爾代數法》等同采用IEC 61078：2006，GB/T 7826—2012[16]《系統可靠性分析技術失效模式和影響分析(FMEA)程序》等同采用IEC 60812：2006，GB/T 37080—2018[17]《可信性分析技術事件樹分析(ETA)》等同采用IEC 20502：2010，都由全國電工電子產品可靠性與維修性標準化技術委員會歸口，它們都不是針對核電領域的。

表1 國內核電領域使用的可靠性分析標準

由此可見，我國可靠性分析標準在制修訂過程中主要參照國際國外先進標準的成熟經驗；已建立核電領域可靠性分析的上層應用指南，但標齡很長；針對核電領域的可靠性分析工具標準并不完整。

2 IEEE 352標準分析

經上述分析可知，GB/T 9225—1999亟需修訂，且更合適參照IEEE 352-2016進行修訂。為了支撐GB/T 9225—1999的修訂，需對IEEE 352的發展歷程、升版內容等進行分析研究。

2.1 IEEE 352的發展歷程

1975年，IEEE 352首次發布。在這一時期，可靠性分析領域處于發展階段，剛剛形成流派，以北美和歐洲學者為代表。可靠性分析領域的研究主要處于理論研究階段，實用的機會并不多。所以在1975版中，很多術語、方法的描述和給出的建議包含了探討的成分和非經實踐檢驗的成分。

從20世紀90年代開始，可靠性評估從理論研究轉向實用。IEEE 352-1987版較1975版增加了馬爾可夫模型、蒙特卡羅方法及GO法。這些方法都是后來被廣泛應用在可靠性分析工作中的實用方法。此版本中還增加了一些方法的算法和可靠性分析方法的應用，對可靠性分析工作有重要的指導意義。

經過30年的發展，2016年IEEE 352進行了版本升級。此版本修訂了理論研究階段的成果，對可靠性分析方法中的術語、方法描述、理論依據和應用建議都給出了更為精確的描述，優化了定性可靠性分析方法的步驟，在定量可靠性分析的步驟中增加了結論性的評判。在2016版中，還融合了其他標準中的成功案例和方法，并給出了出處和理論依據。IEEE 352-2016現已生效，成為國際上該領域的先進標準。

2.2 IEEE 352-2016修訂內容

IEEE 352-2016的修訂內容主要包括以下幾個方面。

2.2.1 適用范圍及概念

IEEE 352-2016通過修改標準名稱和范圍，更加明確了該標準中的可靠性和可用性分析方法可應用于核電站和其他核設施的構筑物、系統和設備，而不是僅適用于安全系統。

修改共因故障的定義，并增加共模故障的定義，將共因故障與共模故障明確區分開。

1987版可靠性分析中的人因還是較新概念。2016版修改了這部分內容，并補充了在可靠性分析中考慮人因時要參考的標準，如IEEE Std 1082TM、NUREGCR-3010等。

2.2.2 定性分析相關內容

IEEE 352-2016在定性分析步驟增加了“提出識別出的潛在問題的改進”，并提出需要確定改進的優先順序。

另外，FMEA增加了故障模式的等級劃分工作，包括嚴酷度等級S、發生度等級O、可探測度等級D。S代表故障模式后果的嚴重程度，O代表故障模式的發生概率大小，D代表故障模式可探測的程度。給S、O、D分別設置評分制度，然后將每個故障模式對應不同的分值。通過對S、O、D等級的使用，有助于分析者確定優先處理哪些故障模式。在附錄B“說明性的例子”中，應用了S、O、D等級，首先給出了S、O、D等級量表，然后根據等級量表確定例子中各模式的S、O、D等級，并給出了嚴酷度等級S與發生度等級O的乘積在故障模式處理優先級中的應用。

2.2.3 定量分析相關內容

IEEE 352-2016刪除了定量分析中的GO法。

另外，在可靠性方法的應用章節和附錄B中，補充了蒙特卡羅方法，給出了它的特點、用途及使用示例。蒙特卡羅法能用在對系統運行較重要的系統維修分析上，或者是使用非恒定故障率分布確定早期失效或部件磨損對系統運行的影響。在附錄B中，對具體實例應用了蒙特卡羅法。假設故障時間為指數分布，分別使用了2種維修策略。先是采用部件故障后在周期結束前不維修的策略，計算得到的系統可靠性不滿足指標要求。然后更換維修策略，在部件故障時馬上維修，并假設修復時間是布爾分布。改變維修策略后的系統可靠性滿足了指標要求。

2.2.4 補充MTTR的確定方法

IEEE 352-2016增加了附錄C“平均修復時間的確定”，給出了一種確定部件平均修復時間(mean time to repair,MTTR)的方法。首先介紹了維修過程的一般步驟，共12步，分別是召集、情況通報、訪問控制、查實前提條件、故障排查、備件獲取、預配置、拆卸、重新組裝、檢查、后期配置、測試。然后給出這12個步驟的持續時間分級表，將各部分的持續時間相加，得到部件的MTTR。最后使用該方法估算控制系統中一類柜裝模件的MTTR。

2.3 修訂內容適用性分析

要確定GB/T 9225—1999中需要修訂的內容，還要結合國內核電領域可靠性分析工作的實際需求和技術發展，對IEEE 352-2016修訂內容進行適用性分析。以下以IEEE 352-2016中刪除GO法這個條款修訂為例，進行適用性分析。

GO法是以成功為導向的系統可靠性分析方法，適用于有多狀態和有時序的復雜系統的可靠性分析。姜千等描述了GO法在核電廠高壓注水系統及備用發電系統可靠性分析中的應用，并重點闡述了核電廠儀控板件可靠性預計中GO法的應用和方法[18]。他提出GO法因其自身的特點而適合應用于核工業系統的可靠性分析，采用GO法進行系統的可靠性預計是實際可行且有效的方法。在電子設備可靠性預計中，發展GO法應用有著重要的意義。運用GO法，分別對主給水泵組系統、電氣主接線系統、喪失廠外電事件和全廠斷電事件、實驗快堆的核級循環冷卻水系統、反應堆安全注射系統、大亞灣核電站外電源系統、反應堆冗余泵組系統進行可靠性分析[19-26]。李哲等將GO法和馬爾可夫方法相結合，對PSA中廠外電源喪失后柴油發電機應急響應系統在24 h內緩解全場斷電事件中的動態過程進行了分析，解決了存在維修相關問題時的可修系統可靠性精確計算問題[26]。樊冬明等提出動態貝葉斯網絡的可修GO法模型算法。該算法無需考慮共有信號問題，且計算簡便、易于理解，便于在工程中推廣應用[27]。沈祖培、任鑫等利用GO法對核電站中可修系統的共因失效進行了分析[28-29]。

相較于其他方法，GO法在可靠性分析中能解決特定的問題，在國內核電領域可靠性分析中有一定的應用前景。對此，建議在修訂GB/T 9225—1999時保留對定量分析GO法的描述。

3 結論

完善的核電領域可靠性分析標準體系對于評價核電廠的安全性至關重要。基于上述對國內外可靠性分析標準體系以及我國可靠性分析標準的研究可以確定：我國核電可靠性分析應用指南GB/T 9225—1999因使用時間長而亟需修訂；IEEE 352比IEC 60300-3-1在應用領域、分析方法范圍、案例等方面更有核電行業針對性；GB/T 9225—1999的修訂可參照IEEE 352-2016。在此基礎上，通過對IEEE 352的發展歷程、修訂情況及適用性分析，為我國核電可靠性分析標準的制修訂和標準化工作提供了借鑒和參考。另外，我國核電領域的可靠性分析工具標準還不完整，仍需進一步的研究。