趙 鑫，蔡 琦，張永發(fā)，蔣衛(wèi)民

(1.海軍工程大學(xué)，武漢 430032； 2. 92730部隊(duì)，海南 三亞 572000)

?

【后勤保障與裝備管理】

基于模糊綜合評價的低壓安全注射系統(tǒng)可靠性分析

趙 鑫1，蔡 琦1，張永發(fā)1，蔣衛(wèi)民2

(1.海軍工程大學(xué)，武漢 430032； 2. 92730部隊(duì)，海南 三亞 572000)

結(jié)合設(shè)備運(yùn)行過程中的專家意見，通過模糊綜合評價的方法，對專家評價數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到故障模式的模糊綜合評價等級，利用Isograph軟件實(shí)現(xiàn)故障模式傳遞的可視化以及直觀表達(dá)故障模式危害度矩陣，利用模糊綜合評價的結(jié)論及易知部件的故障率求得邊界閥的故障率。

安全注射系統(tǒng)；模糊綜合評價；Isograph；危害度矩陣

核動力系統(tǒng)長期在高溫、高壓、強(qiáng)放射性環(huán)境下工作，一旦發(fā)生事故，后果嚴(yán)重。安全注射系統(tǒng)作為一回路安全縱深防御的組成部分，其作用就是緩解一回路破口事故的嚴(yán)重程度。由于安全注射系統(tǒng)平時處于備用狀態(tài)，可用性相對隱蔽，導(dǎo)致操作人員對可用狀態(tài)不可預(yù)知，而安全注射系統(tǒng)的故障模式分析主要通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的FMECA，使得系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與FMECA分析結(jié)合不緊密，全注射系統(tǒng)與一回路相連的邊界閥故障檢測困難。

1 FMECA的發(fā)展及現(xiàn)狀

FMECA (Failure Mode，Effect and Criticality Analysis)主要由故障模式(FMEA)與影響及危害性分析(CA)組成，其基本步驟為：確定重要功能產(chǎn)品；確定故障影響的程度；確定預(yù)防維修工作類型；探索預(yù)防性維修間隔期。該方法從產(chǎn)品的功能出發(fā)并應(yīng)用于維修保障層面上，應(yīng)用范圍涵蓋了裝備設(shè)計(jì)階段和使用階段[1-3]。

傳統(tǒng)的FMECA存在幾點(diǎn)不足：第一，分析過程多為定性分析，不能比較各故障模式中影響最大的因素以及各故障模式之間對系統(tǒng)危害最大的因素，無法通過數(shù)據(jù)分析得到具有說服力的故障模式排序結(jié)論；第二，評價依賴于系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的定量分析，與裝備服役階段運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)沒有結(jié)合，忽略了專家的不同評價[4]；第三， FMECA分析是通過故障模式與危害性分析表進(jìn)行的，不僅故障模式的傳遞過程不直觀，而且查找某一故障模式傳遞過程容易出現(xiàn)缺漏現(xiàn)象；第四，沒有將模糊綜合評價、Isograph、系統(tǒng)故障模式的故障率三者有效的綜合考慮。

針對以上不足之處，本文利用Isograph可靠性分析軟件[5]的相關(guān)模塊對傳統(tǒng)的FMECA加以改進(jìn)，結(jié)合具體系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行危害度分析的模糊綜合評價，利用已知的系統(tǒng)部件的故障率推算邊界閥的故障率[6]。

2 模糊評價、Isograph軟件分析及難測部件故障率推斷過程

1) 建立故障模式影響因素的集合。對同一故障模式的不同影響因素組成集合表示為如下形式：

(1)

其中，ui為故障模式U的第i個影響因素。

2) 建立專家評價集合。將專家對同一故障模式評價組成的集合表示為如下形式：

(2)

其中，vi為對故障模式評價的第i個等級。

3) 建立故障模式影響因素的模糊評價矩陣。讓專家對故障模式的每個影響因素做一個評價等級。設(shè)有h個專家對其進(jìn)行了評價，其中評定ui隸屬于Vi的有hij人，表示為如下形式：

(3)

將故障模式的影響因素組成模糊因素評價矩陣：

(4)

4) 確定各個影響因素的權(quán)重。

首先，用aij表示兩個影響因素ui和uj的相對數(shù)值，構(gòu)造判斷矩陣。

(5)

為了提高FMECA分析結(jié)果的科學(xué)性，本文構(gòu)造判斷矩陣，優(yōu)先采用九標(biāo)度矩陣。若問卷專家不確定，則采用三標(biāo)度[7]方法，然后轉(zhuǎn)化為九標(biāo)度，步驟如下：

① 三標(biāo)尺對影響因素aij的取值規(guī)則為：若與uj相比，uj更重要，則相對值aij取0；同等重要，則相對值aij取1；若uj更重要，則相對值aij取2。

② 利用公式將三標(biāo)尺轉(zhuǎn)化為九標(biāo)尺，公式如下：

(6)

③ 由于三標(biāo)度矩陣存在誤差較大，故轉(zhuǎn)化后的矩陣將不進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，而直接由問卷得到的九標(biāo)度矩陣要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，公式如下：

(7)

其中，λmax為九標(biāo)尺轉(zhuǎn)化后的矩陣特征向量的最大值，In由n矩陣的階數(shù)決定，查表可知，當(dāng)M<0.1時，則認(rèn)為得到的九標(biāo)尺矩陣的一致性符合要求，可以繼續(xù)進(jìn)行下一步計(jì)算，否則應(yīng)進(jìn)行修改。

④ 本文采用方根法進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，并進(jìn)行歸一化處理，所用公式如下：

(8)

5) 一級模糊綜合評價和綜合危害等級的確定。將故障模式的權(quán)重向量[式(6)]與專家的評價[式(4)]相乘，得到模糊評價向量。評價數(shù)值C則采用了評價向量[式(9)]與專家評價集合[式(2)]相乘的加權(quán)法得到，公式如下：

(9)

C=B·V

(10)

評價數(shù)值C的危害等級對應(yīng)關(guān)系為：

(11)

6) 二級模糊綜合評價[8]。為了比較子系統(tǒng)的危害性大小，要利用故障模式評價的結(jié)果進(jìn)行子系統(tǒng)的模糊評價，利用步驟4的求權(quán)重方法進(jìn)行分析計(jì)算，得到系統(tǒng)的二級模糊綜合評價。

7) Isograph的FMECA可視化分析[9]。Isograph分析的原理是建立系統(tǒng)的樹形模型，不僅直觀的得到故障模式的傳遞過程，而且將評價結(jié)論轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)危害度分布。Isograph的樹形模型主要通過參數(shù)α決定同一故障模式發(fā)生不同危害度等級的概率；而故障模式上層的影響是通過參數(shù)β體現(xiàn)。

8) 利用步驟5中的推算得到的模糊綜合評價數(shù)值C和系統(tǒng)可維修部件的故障率，推算維修保養(yǎng)過程中無法實(shí)際測得的部件故障率。其計(jì)算公式為：

(12)

其中，λ已知和C已知為系統(tǒng)中已知可維修部件的故障率和模糊綜合評價參數(shù)，C未知為系統(tǒng)中未知部件的模糊綜合評價參數(shù)，λ未知為未知部件故障率。此外，還可以推廣到子系統(tǒng)中，用已知子系統(tǒng)的故障率去求解未知子系統(tǒng)的故障率。

3 實(shí)例計(jì)算

對于壓水堆，任何一回路的承壓邊界的破損都會導(dǎo)致冷卻劑流失，為了應(yīng)對失水事故發(fā)生，設(shè)計(jì)了安全注射系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)等。圖1表示了安全注射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 安全注射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了便于分析，根據(jù)工作過程將安全注射系統(tǒng)劃分為投入使用功能模塊、危急冷卻功能模塊，安全注射功能模塊以及注射水導(dǎo)入功能模塊[10]。

1) 安全注射系統(tǒng)的投入使用模塊：失水事故發(fā)生后為冷卻堆芯提供正確的冷卻水注入路徑，包含兩條管路及相關(guān)閥門。

2) 危急冷卻功能模塊：對安全注射系統(tǒng)的注射用水進(jìn)行冷卻，使反應(yīng)堆的最終熱阱轉(zhuǎn)化為外部冷卻水，模塊主要由熱交換器和相關(guān)閥門組成。

3) 安全注射模塊：利用安全注射泵和安全殼底部泵將冷卻水、備用水倉水等注射用水注入反應(yīng)堆堆芯，模塊主要包括了安全注射泵、安全殼底部泵以及配套的止回閥、安全閥。

4) 注射水導(dǎo)入模塊：為安全注射系統(tǒng)在投入使用后提供注射用水，模塊主要包含了屏蔽水箱、安全殼底部水、備用水箱以及相關(guān)的安全閥、泄壓閥。

安全注射系統(tǒng)的任何功能模塊的失效都將導(dǎo)致系統(tǒng)任務(wù)的失敗，故四個功能模塊的可靠性框圖為串聯(lián)關(guān)系。結(jié)合安全注射的投入使用模塊，以F3閥一端注射冷卻水為例進(jìn)行一級模糊綜合評價。表1為安全注射的投入使用模塊的FMECA分析表。

本文向維修保障專家、反應(yīng)堆操縱人員以及科研院所的研究人員發(fā)出10份調(diào)查問卷，分析過程如下：

1) 確定故障模式的影響因素集合。將故障模式影響因素集合確定為：

U={故障發(fā)生概率相對大小，影響嚴(yán)重程度，維修的難易程度，檢測難易程度}。

2) 明確評價等級。從嚴(yán)酷度的四個等級出發(fā)將評價等級分為四個等級，具體如表2。

表1 安全注射的投入使用模塊FMECA分析

表2 嚴(yán)酷度的等級評價劃分

3) 構(gòu)造故障模式的專家評價矩陣。將專家的評價等級進(jìn)行歸類，得到的數(shù)據(jù)如下：

得到的故障模式的模糊評價矩陣為：

4) 結(jié)合專家意見建立故障模式影響權(quán)重級。

故障序號1的專家評價三標(biāo)尺矩陣為表3。

表3 專家評價的三標(biāo)尺矩陣

其中，A1～A4分別代表了故障模式1的故障發(fā)生概率、影響程度、維修的難易、檢測難易，表格交叉位置的數(shù)值為兩因素對故障模式1影響的相對大小(取值規(guī)則詳見步驟4)。

rmax=7，rmin=2，在將三標(biāo)度轉(zhuǎn)化為九標(biāo)度時，bm=9。利用式(6)得到九標(biāo)度矩陣為表4。

表4 九標(biāo)度矩陣

結(jié)合式(8)，進(jìn)行歸一化處理之后得到該調(diào)查問卷的權(quán)重集為

如果問卷結(jié)果為九標(biāo)度，則直接進(jìn)行權(quán)重集計(jì)算，并加入一致性檢驗(yàn)。計(jì)算10份問卷權(quán)重集的算術(shù)平均值為：

魚粉中的苦味物質(zhì)較多，例如原料魚在自溶、腐敗變化過程，會產(chǎn)生苦味肽之類的物質(zhì)，同時也會有麻味物質(zhì)的產(chǎn)生。因此，魚粉等產(chǎn)品中，苦味、麻味也是對新鮮度判別的指標(biāo)之一。

5) 利用式(9)、式(10)得到的屬于故障模式1的危害性隸屬度和危害度等級為：

C1=1.582 5

經(jīng)計(jì)算故障模式1的危害度等級的值為1.582 5。

6) 采用同樣的方法得到該功能模塊的其他故障模式的危害度等級，這里僅列舉模糊評價矩陣及最終的權(quán)重集。表5所示為故障模式2～4的模糊評價矩陣及最終權(quán)重集。

表5 故障模式2～4的模糊評價矩陣及最終權(quán)重集

故障模式的危害性隸屬度：

危害度等級為：

C2=1.753 4,C3=1.908 2,C4=2.116 1

比較危害度等級的值以后，按大小的順序排列得到子系統(tǒng)故障模式影響大小的順序：

7) 二級模糊綜合評價對子系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)的分析，方法同上。

將故障模式影響因素集變?yōu)楣收夏Ｊ?，故障模式2，故障模式3，故障模式4；評級等級變?yōu)?無影響，2影響較小，3影響較大，4影響嚴(yán)重；通過專家評價，確定相應(yīng)的權(quán)重集。

得到子系統(tǒng)的危害性隸屬度和危害度等級為：

C=1.743

運(yùn)用同樣的方法得到其他子系統(tǒng)的危害度等級，比較后可以得到子系統(tǒng)的危害度排名。從設(shè)備的維修保障角度出發(fā)，比較危害度等級得到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。改善系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的可靠性。

8) 結(jié)合Isograph軟件的FMECA模塊進(jìn)行分析：

結(jié)合傳統(tǒng)的FMECA的四個不同嚴(yán)酷度對安注系統(tǒng)進(jìn)行定義：

I災(zāi)難性的，安全注射系統(tǒng)完全失效；

II致命性的，安全注射系統(tǒng)使用效率低下；

III臨界的，安全注射系統(tǒng)效率明顯降低或破口較大，滿足不了系統(tǒng)需求；

IV輕度的，安全注射系統(tǒng)效率有所降低，但不影響使用或?qū)ο到y(tǒng)基本無影響。

9) 在檢修過程中，F(xiàn)3和F4閥為安全注射系統(tǒng)與一回路的邊界閥，由于一回路系統(tǒng)的特殊性，在檢修過程中不能進(jìn)行啟閉檢測，而模糊評價的結(jié)論是建立在歷史故障狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)上。而F5和F6閥可以在檢修過程中通過啟閉進(jìn)行故障的檢修，故利用它們的模糊評價結(jié)論推算出邊界閥的故障率，結(jié)合式(11)可得F3和F4的故障率，其中F5的故障率為4.2E-6，修正之后的F3和F4的故障率為4.57E-6和5.07E-6，這樣可以得到較為精確的邊界閥的故障率。

圖2 Isograph軟件故障傳遞過程

圖3 Isograph軟件計(jì)算危害度矩陣及系統(tǒng)故障模式排序

通過上述分析過程得到安全注射系統(tǒng)零部件的故障模式如何對系統(tǒng)造成影響，結(jié)合FMECA的危害度矩陣和系統(tǒng)故障模式影響排序，推斷系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)及系統(tǒng)的可靠性水平，將模糊評價數(shù)值與故障率聯(lián)系在一起，通過已知部件的故障率推算無法直接測量部件的故障率，為裝備維修保障提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

通過分析得到修正后安全注射系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合Isograph 的分析過程，不僅更為直觀的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中各個底層故障的傳遞過程、各個底層事故對系統(tǒng)最終影響的結(jié)果及其影響的所占比重，直觀的對系統(tǒng)做出綜合評估，還可以通過模糊評價數(shù)值推算未知系統(tǒng)的故障率，使所得計(jì)算結(jié)果更加科學(xué)，將故障模式數(shù)據(jù)化，將定性的問題定量化，有利于維修過程中的故障修正，提高了維修保障的效率。該方法思路清晰，加上Isograph軟件的強(qiáng)大分析能力，將其運(yùn)用到大型復(fù)雜系統(tǒng)中，為大型復(fù)雜設(shè)備提供維修保障支持，使系統(tǒng)內(nèi)部底層故障的傳遞過程更加清晰表示，推算出子系統(tǒng)的故障率。

[1] 田宇.基于FMECA方法的應(yīng)用分析與研究[J].傳動技術(shù)，2011(3):44-47.

[2] 楊為民.可靠性、維修性、保障性總論[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[3] 康瑞，石德榮.FMECA技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[4] 張躍文，達(dá)勇，鄒永久，等.基于改進(jìn)FMEA方法的船舶主機(jī)燃油噴射系統(tǒng)安全評估[J].船舶工程，2015(10):54-57.

[5] 北京世紀(jì)坐標(biāo)公司.Reliability Workbench可靠性工作平臺11.0中文用戶手冊[M].

[6] 高順華，侯大立，周登極，等.一種運(yùn)行維護(hù)階段的FMECA方法及軟件實(shí)現(xiàn)[J].油氣運(yùn)輸，2014(3):242-251.

[7] 陳源．基于模糊FMECA方法的飛機(jī)供電系統(tǒng)可靠性分析研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[8] 李浩，邱超凡．模糊FMECA方法在液壓系統(tǒng)可靠性分析中的應(yīng)用[J]．液壓氣動與密封，2012(1):38-42．

[9] 夏青耐，戴曉江，徐丹.基于Isograph事故樹分析在自動報警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36(2):168-170.

[10]陳強(qiáng)，楊明.基于多層模型和故障樹的可靠性分析方法研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2014(10):309-404.

(責(zé)任編輯 唐定國)

Reliability Analysis of Safety Injection System Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation

ZHAO Xin1, CAI Qi1, ZHANG Yong-fa1, JIANG Wei-min2

(1.Naval University of Engineering, Wuhan 430032, China; 2.The No. 92730thTroop of PLA, Sanya 572000, China)

Based on the expert opinion in the process of equipment operation and through the method of fuzzy comprehensive evaluation, we analyzed the expert evaluation data, and got the level of failure mode by fuzzy comprehensive evaluation to realize the fault mode transfer by using Isograph software visualization and intuitive harm degree matrix of failure mode, and finally it can drive boundary valve failure rate by using the conclusion of fuzzy comprehensive evaluation and failure rate of known components.

safety injection system; fuzzy comprehensive evaluation; Isograph; matrix of criticality

2016-06-13；

2016-07-10

趙鑫(1991—)，男，碩士研究生，主要從事核動力維修研究。

10.11809/scbgxb2016.10.029

趙鑫，蔡琦，張永發(fā)，等.基于模糊綜合評價的低壓安全注射系統(tǒng)可靠性分析[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(10):133-138.

format:ZHAO Xin, CAI Qi, ZHANG Yong-fa, et al.Reliability Analysis of Safety Injection System Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):133-138.

TP202

A

2096-2304(2016)10-0133-06