Надежность и безопасность АЭС - Стандартные понятия и определения надежности

Раздел I
НАДЕЖНОСТЬ АЭС
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ НАДЕЖНОСТИ
Стандартные понятия и определения надежности
Высокая надежность оборудования АЭС, с одной стороны, обеспечивает ей экологическую безопасность, а с другой, - высокую эффективность и минимальную стоимость электроэнергии, приоритеты в технике и в производстве материальных благ, а следовательно, в экономическом и социальном развитии общества. Поэтому при проектировании, создании и эксплуатации АЭС одним из главных требований и одной из ответственных и трудных задач как для проектанта, конструктора и технолога, так и для инженера-эксплуатационника, являются обеспечение и контроль надежности оборудования АЭС на всех этапах жизненного цикла. При этом главная особенность теории и практики надежности состоит в том, что основные понятия, определения, термины, методы расчетов и расчетные формулы стандартизованные и регламентируются соответствующей государственной системой стандартизации, метрологии и сертификации.
Стандартное определение надежности любого технического объекта дает следующую формулировку: надежность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Однако в данном определении подчеркнута непрерывность выполнения объектом заданных функций, в то время как ЯЭУ АЭС при проведении планово-предупредительных работ не выполняет свои функции (не выдает электроэнергию), а также при определенных условиях (при отказах отдельных элементов) может надежно работать с пониженной мощностью и с учетом определенных промежутков времени (между ПНР, между перегрузками топлива и др.).
Кроме того, следует учитывать, что АЭС должна вырабатывать надежно радиационно безопасную энергию (радиационная обстановка на АЭС должна соответствовать санитарным нормам). С учетом сказанного дадим определение надежности применительно к АЭС [1, 52].
Надежность ЯЭУ АЭС - это ее свойство сохранять во времени в установленных пределах значения основных параметров: располагаемой мощности Np(t) и параметра радиационной обстановки A(t) на АЭС, характеризующих способность ЯЭУ выполнять требуемую функцию в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и ремонтов. Установленными пределами для указанных параметров являются
Np(t) > NT(t) и A(t) < Ад, (1)
где Np(t) - это располагаемая мощность ЯЭУ, которую она может обеспечить в зависимости от технического состояния в момент времени!.
При нормальной работе АЭС Np(t) должна обеспечивать требуемую потребителями электрическую мощность N’(t) и мощность, расходуемую на собственные нужды АЭС, NCH(t):
Np(t)>N:(t)+NCH(t);     (2)
Ад - допустимое для нормальной эксплуатации значение параметра радиационной обстановки на АЭС
Применительно к АЭС используется также более точное определение надежности: надежность АЭС - это ее свойство сохранять во времени способность вырабатывать электрическую энергию определенных параметров по требуемому графику нагрузки в допустимых для нормальной эксплуатации радиационных условиях при заданной системе технического обслуживания и ремонтов оборудования.
В теории и практике надежности может использоваться понятие уровень надежности. Это понятие относится к категории вероятностных показателей, которые численно характеризуют вероятность того, что оборудование АЭС может сохранить свою полную работоспособность на протяжении заданного времени t. Надежность всегда рассматривается применительно к определенному объекту.
Объектом называется предмет целевого назначения, рассматриваемый на надежность на всех этапах его жизненного цикла. Под объектом понимается любая простая или сложная составная часть ЯЭУ АЭС (элемент, система, механизм, устройство реакторной установки и т. д.) или в целом АЭС.
Элемент - это законченная конструкция, выполняющая одну или несколько функций или задач.
Простой элемент - это такой элемент, отказ которого выводит его из эксплуатации. Такой элемент обычно рассматривается как ограниченный объект, как часть другого объекта.
Сложный элемент - это элемент, который может иметь отказы, выводящие его из действия, и отказы, ограничивающие его работоспособность по параметрам и продолжительности работы.
Система (система элементов) - совокупность связанных между собой и совместно действующих элементов, предназначенных для выполнения определенных функций.
Следует отметить, что понятия "система" и "элемент" относительны, так как любой объект в зависимости от решаемых задач может рассматриваться либо как система, либо как элемент. Например, реакторная установка с ВВЭР-1000 при анализе ее надежности является сложной системой, элементами которой, например, можно назвать четыре петли первого контура.
При этом петля как система состоит из следующих элементов: насоса, парогенератора, трубопровода первого контура. Кроме того, в технической литературе часто встречается понятие системы как комплекса трубопроводов, насосов, арматуры, устройств, который обеспечивает циркуляцию (подачу) среды, соответствующей функциональному назначению этой системы (вода, масло и др.). Надежность является сложным свойством и в зависимости от назначения объекта и условий его применения включает в себя следующие первичные свойства: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость (рис. 1).

Рис. 1
Безотказность - это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение заданного времени или наработки. Безотказность - это одно из самых важных свойств надежности, применяемое обычно к режимам эксплуатации. При оценке безотказности объекта перерывы в его работе (плановые и неплановые) не учитываются. Безотказность характеризуется техническим состоянием объекта. Объект может иметь следующие состояния: исправное и неисправное, работоспособное и неработоспособное, предельное и переходное (рис. 2).

Рис. 2
Безотказность объекта может характеризоваться наличием (возникновением) дефекта, повреждения, отказа и переходом его в одно из названных состояний.    
Исправное состояние объекта - это такое состояние, которое соответствует всем требованиям нормативно-технической и/или конструкторской документации.
Неисправное состояние объекта - это состояние, при котором он не соответствует хотя бы одному требованию нормативно-технической и/или конструкторской документации.
Работоспособное состояние объекта - это состояние, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и/или конструкторской документации. Однако в отличие от исправного состояния объект может не соответствовать требованиям, которые не нарушают его работоспособность, но могут ограничивать возможность достижения максимальной эффективности его применения.
Неработоспособное состояние объекта - это состояние, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативнотехнической и/или конструкторской документации.
Границы между исправным и неисправным, работоспособным и неработоспособным состояниями обычно условны и характеризуются определенными допусками значений эксплуатационных параметров.
Предельное состояние объекта - это состояние, при котором его дальнейшее применение по назначению (для выработки энергии) недопустимо по условиям безопасности или экономически нецелесообразно. При этом восстановление работоспособности объекта технически невозможно или экономически невыгодно. Предельное состояние объекта обычно совпадает с неработоспособным; но в тех случаях, когда его использование связано с опасностью аварии, к нему может быть отнесено и работоспособное состояние.
Переходное состояние объекта - это промежуточное между исправным и неисправным, работоспособным и неработоспособным или близкое к предельному состоянию. Переход объекта из исправного в неисправное состояние (из работоспособного в неработоспособное) происходит вследствие наличия дефектов или возникновения повреждений и неисправностей, которые могут привести к отказу объекта выполнять свои функции. Противоположный переход из неисправного в исправное состояние связан обычно с восстановлением или ремонтом объекта.
Термин "дефект" обычно применяют в процессе изготовления или ремонта, а "неисправность" - при эксплуатации объекта, когда необходимо определять его техническое состояние. Термин "отказ" - это случайное событие, которое связано с возникновением неисправностей и которое может приводить объект в неработоспособное состояние. Отказ и работоспособное состояние объекта - это фундаментальные понятия теории и практики надежности.
Долговечность - это свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Из этого определения следует, что долговечность определяется наступлением предельного состояния объекта, при котором его дальнейшее практическое использование невозможно или нецелесообразно. При этом восстановление работоспособности объекта также может быть технически или экономически невозможным или нецелесообразным. Критерием предельного состояния объекта (а следовательно, долговечности) могут быть некоторые показатели (признаки) предельного состояния, установленные в конструкторской и нормативнотехнической документации, при которых объект временно или окончательно выводится из эксплуатации. Объекты (элементы) АЭС могут перейти в предельное состояние, будучи еще работоспособными, если использование их по назначению недопустимо по условиям безопасности. В общем случае долговечность объектов АЭС, измеряемая техническим ресурсом или сроком службы, определяется обычно не отказами, а переходом в предельное состояние, как указано выше.
Технический ресурс - это наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.
Срок службы объекта - календарная продолжительность от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до предельного состояния.
Наработка - это продолжительность или объем работы объекта.
Наработка до отказа - это продолжительность работы объекта от начала его эксплуатации до возникновения первого отказа.
Ремонтопригодность - это свойство объекта, заключающееся в конструктивной приспособленности к предупреждению и обнаружению причин отказов путем контроля его технического состояния и к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонтов. Свойство ремонтопригодности определяется конструкцией объекта, которая предусматривается при его создании. Это свойство обеспечивает возможность восстановления после отказов отдельных элементов объекта. Отсюда происходит деление элементов объекта на подлежащие и не подлежащие восстановлению, то есть на восстанавливаемые и невосстанавливаемые.
Восстанавливаемость - это свойство объекта после устранения отказа вновь выполнять заданные функции в соответствии с параметрами, установленными конструкторской и нормативно-технической документацией. Кроме того, элементы объекта делятся на доступные для ремонта и не подлежащие ремонту, то есть на ремонтируемые и не ремонтируемые в течение срока его службы.
Сохраняемость - это свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующие его способность выполнять требуемые функции в течение и после хранения и транспортирования. Это свойство имеет важное значение для объектов (элементов АЭС), которые по условиям эксплуатации имеют длительные перерывы в работе (например, системы безопасности ЯЭУ, находящиеся длительное время в режиме ожидания).
Выше были рассмотрены основные термины, определения и понятия, регламентируемые государственными стандартами [50], [52]. В дальнейшем, в процессе изучения курса будут вводиться и другие необходимые (в том числе и стандартные) термины, определения и понятия, характеризующие конкретные вопросы надежности. Применение стандартной терминологии и основных понятий в теории и практике надежности должно быть точным и строгим. В противном случае невозможны грамотное решение и даже постановка любых задач надежности АЭС. Например, утверждение, что данный объект является надежным, - это слишком общее и недостаточно точное и ясное утверждение, если не оговариваются составляющие свойства надежности, на которые исследовался объект. Такое свойство, как безотказность, можно существенно повысить, если часто ремонтировать объект, но при этом будет низкая ремонтопригодность. В общем случае, говоря о надежности объекта, имеются в виду обычно три основных составляющих надежности: безотказность, долговечность и ремонтопригодность.
В заключение отметим, что из определения надежности и его составляющих свойств ясно, что они, в первую очередь, базируются на понятиях "отказ" и "работоспособное (неработоспособное) состояние объекта", которые поэтому и являются фундаментальными понятиями, связанными с проблемой надежности.