Надежность и безопасность АЭС - Характеристика, особенности и классификация отказов

Глава 2
ХАРАКТЕРИСТИКА, ОСОБЕННОСТИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОТКАЗОВ

Характеристика и особенности отказов

В процессе эксплуатации АЭС может нормально и длительно работать, генерируя тепловую и электрическую энергию. Однако АЭС представляет собой сложный теплоэнергетический комплекс, состоящий из множества разнородных, но взаимосвязанных элементов, в которых могут в процессе работы возникать самые различные (как правило, случайные) по характеру, причинам и последствиям неисправности и отказы. Кроме того, необходимо учитывать, что работа АЭС определяется ядерно- топливным технологическим циклом, который сопровождается мощным радиоактивным излучением (нейтронным, гамма, альфа, бета), накоплением радиоактивных веществ (РАВ), необходимостью хранения и захоронения радиоактивных отходов (РАО). И при возникновении неисправностей и отказов элементов АЭС возможны тяжелые аварии с выбросом РАВ и радиологическим воздействием на людей и окружающую среду.
Очевидно, что без возникновения отказов в элементах АЭС проблемы надежности не существовало бы. Не существовало бы проблемы надежности даже и при возникновении отказов, если бы заранее был известен момент их наступления, если бы отказы носили не случайный, а строго детерминированный характер. В этих условиях соответствующие элементы заранее ремонтировались или заменялись бы новыми. Но в реальных условиях этого нет, и отказы происходят случайно. Отказы - это случайные события, в результате которых могут произойти нарушение работоспособности и даже авария объекта. Вследствие этого понятие и значение отказа в теории и практике надежности является фундаментальным и основополагающим.
При возникновении отказов, в результате которых нарушается работоспособное состояние объекта, он выводится из действия или ухудшаются его характеристики. Поэтому под отказом следует понимать не только полное нарушение функционирования, но и ухудшение характеристик объекта вплоть до предельного состояния. Отказы оборудования, устройств и систем АЭС - это один из основных факторов, влияющих на ее надежность и безопасность. Отказы могут происходить как при работе, так и в режиме стоянки (дежурном режиме) объекта. Последнее относится чаще всего к оборудованию, резервным системам защиты и к системам, обеспечивающим безопасность, которые работают в сложном режиме: нахождение в готовности к действию и работа после срабатывания их на требование при возникновении нарушений, отказов или аварийных ситуаций.
Физическая природа отказов весьма сложная, а математическая трактовка может быть громоздкой и сложной. Поэтому в теории надежности широко используются как расчетно-теоретические, так и экспериментально-статистические данные для разработки моделей отказов. На основе математических моделей отказов, соответствующих различным характерам, причинам их возникновения и последствиям, устанавливаются законы распределения времени безотказной работы объекта или наработки до отказа. В соответствии с законами распределения случайных величин в теории надежности даются способы оценки показателей надежности и расчетные зависимости для количественной оценки надежности объектов. При этом вероятностно-статистический подход к проблеме надежности и расчетные зависимости характеризуют объективное следствие физической сущности случайных событий - отказов объектов.
В государственных стандартах, руководящих документах, справочниках и пособиях приводятся соответствующие расчетные зависимости. В процессе эксплуатации отказы элементов АЭС обобщаются на основе статистических и экспериментальных данных обычно в виде численных показателей: интенсивности отказов X(t) - для не восстанавливаемых объектов или параметра потока отказов ω(ί) - для восстанавливаемых отказов.
Статистические данные показывают, что интенсивность отказов как функция времени имеет вид корытообразной кривой, состоящей из трех характерных участков (рис. 3), на которых интенсивность отказов λ(ί) ведет себя принципиально различным образом. Первый участок соответствует периоду приработки, то есть начальному промежутку эксплуатации элемента, когда происходит повышенная интенсивность отказов, связанная с проявлением скрытых дефектов проектирования, изготовления, монтажа, материалов и ошибок обслуживающего персонала.

Период приработки составляет небольшую долю от общего времени эксплуатации, так как ему предшествуют различные проверочные и приемо-сдаточные испытания, когда выявляются и устраняются многие дефекты проектирования и изготовления объекта.
Второй участок соответствует периоду нормальной эксплуатации, когда интенсивность отказов имеет приблизительно постоянное значение. На этом периоде обычно возникают внезапные отказы, и этот период является наиболее длительным.
Третий участок соответствует периоду старения, когда начинают сказываться изменения в материалах и конструкциях, связанных с износом (старением) и характеризующихся ростом интенсивности отказов. Это период износных, постепенных отказов.

Стандартная классификация отказов

В целях наглядного изучения физической сущности и закономерностей, присущих отказам, систематизации и обобщения отказов, учета и анализа их влияния на надежность целесообразно отказы классифицировать по различным характерным признакам или критериям. При этом основной целью классификации отказов является обеспечение решения любых задач надежности (нормирования, анализа, оценки, прогнозирования и т.д.), требующих применения результатов классификации отказов. Классификация осуществляется на основе анализа физической сущности отказов, причин их возникновения, степени проявления, характера и объема изменения параметров, вероятных последствий и т.д.
Анализ отказов с учетом принятой классификации позволяет оценивать вероятностно-статистические закономерности возникновения отказов, разрабатывать математические модели отказов и расчетные зависимости к ним, разрабатывать мероприятия (методы) по локализации отказов.
На основе анализа отказов разрабатываются рекомендации проектантам, технологам и эксплуатационному персоналу по повышению конструктивно-элементной, схемной, производственно-технологической и эксплуатационной надежности оборудования и систем АЭС. Установленные критерии или признаки отказов, хотя и имеют объективную сущность, однако в зависимости от постановки задач исследования и по мере накопления экспериментальных или статистических данных по отказам могут изменяться и дополняться.
В настоящее время широко применяется общая классификация для видов отказов любых технических средств, классификация, применяемая при решении различных задач надежности (при оценке и анализе отказов, при прогнозировании отказов), межотраслевая и отраслевая, классификация отказов по последствиям и внешним проявлениям, классификация по общей причине для АЭС и др.
Рассмотрим общую классификацию отказов по основным отличительным признакам [49, 50, 52]. По характеру возникновения отказы разделяются на внезапные и постепенные.
Внезапный отказ характеризуется скачкообразным (резким) изменением одного или нескольких параметров в результате проявления скрытых дефектов в материале или конструкции, резкой концентрации внутренних или внешних нагрузок и ошибочных действий обслуживающего персонала. В процессе эксплуатации эти отказы являются основными и проявляются в виде поломок механизмов, разуплотнения трубопроводов, обрывов или зависания клапанов и др. Момент возникновения внезапных отказов прогнозировать (оценивать) практически невозможно из-за отсутствия видимых (явных) признаков их наступления.
Постепенный или параметрический отказ возникает в результате постепенного изменения одного или нескольких параметров, свойств или характеристик объекта в процессе эксплуатации. Причиной таких отказов являются медленные физико-химические процессы в элементах вследствие износа, старения или коррозии. Нередко возникают коррозионные разрушения трубопроводов и механизмов, связанных с агрессивной средой, эрозионный износ лопаток турбин, постепенный износ подшипников и т.д.
Постепенные износы можно прогнозировать с помощью диагностического контроля при эксплуатации, предвидеть в процессе проектирования оборудования АЭС и предусматривать восстановление отказавших элементов или замену их до наступления предельного состояния при профилактическом или ремонтном обслуживании. Деление отказов на внезапные и постепенные имеет важное значение, влияя на выбор метода расчета и обеспечение надежности при эксплуатации.
Между отказами может существовать взаимозависимость. Если возникновение отказа обусловлено другим отказом (первичным), то он называется зависимым (вторичным). В этом случае имеет место условная вероятность появления отказа как случайного события. Широкая взаимосвязь между элементами и системами на АЭС обусловливает значительную вероятность возникновения зависимых отказов. Независимые отказы не обусловлены другими отказами. Например, потеря электропитания электроприводов насосов может привести к прекращению циркуляции охлаждающей жидкости конденсаторов турбин и отказу в работе последних.
Для наглядности и удобства анализа отказов принятая классификация сведена в табл. 2.
По возможности обнаружения отказы могут быть явными и скрытыми. Явные обнаруживаются визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностики при эксплуатации. Скрытые отказы выявляются специальными измерениями (методами диагностики) или в процессе технического обслуживания и ремонта.
Таблица 2

По своим последствиям отказ элемента может быть полным, если не сохраняется его работоспособность и элемент полностью прекращает выполнять свои функции. При частичном отказе сохраняется частичная работоспособность по времени и параметрам и элемент может выполнять некоторые (ограниченные) функции. Например, насосы - по оборотам и подаче рабочей среды; парогенераторы - по производительности пара.
По причинам возникновения отказов их можно классифицировать как конструктивные, производственные и эксплуатационные. Конструктивные отказы возникают из-за несовершенства или нарушения норм проектирования и конструирования; производственные - из-за несовершенства или нарушения установленного технологического процесса изготовления или ремонта и монтажа. Эксплуатационные отказы возникают обычно из- за нарушения установленных правил и условий эксплуатации по вине обслуживающего персонала или некачественных эксплуатационных инструкций.
По возможности устранения (локализации) отказы могут быть устранимыми за счет технического обслуживания и ремонта и неустранимыми; неустранимые отказы могут приводить к необходимости вывода из действия объекта.
По характеру устранения отказы разделяются на устойчивые и перемежающиеся. Устойчивые отказы необратимы и устраняются либо заменой отказавшего элемента, либо специальной восстановительной работой (регулировкой). Перемежающийся отказ - это многократно возникающий и самоустраняющийся отказ. Последний отказ обратим и исчезает без внешнего вмешательства, а возникает из-за временно действующих неисправностей (случайные изменения параметров и режимов работы элементов в схемах). В системах защиты, управления и информационных такие отказы называют сбоями.
По характеру воздействия отказы могут нарушать функции объекта либо ухудшать его параметрические характеристики.
Следует отметить, что конструктивно-производственные отказы определяют заданный уровень надежности, а эксплуатационные - способствуют снижению этого уровня.
Кроме приведенной общей классификации необходимо идентифицировать специфические отказы применительно к большой группе систем и оборудования, обеспечивающих безопасность АЭС.
Это отказы несрабатывания или ложного срабатывания устройств и систем. Это явные и скрытые отказы, возникающие чаще всего в системах безопасности. Следует также отметить, что кроме скрытых и явных отказов, вероятность возникновения которых зависит или от длительности режима ожидания, или от длительности работы во время аварии, могут иметь место отказы, вероятность возникновения которых не является функцией времени. Такие отказы проявляются и обнаруживаются только при срабатывании элементов (при переходе из состояния в режиме ожидания в состояние работы при аварии) во время периодических проверок элементов или в момент возникновения исходных событий аварии и являются следствием высоких нагрузок, возникающих в режиме пуска.
С учетом сказанного отказы элементов систем безопасности (СБ) АЭС по условиям их возникновения, обнаружения и устранения разделяются на следующие:

1. неконтролируемые в режиме ожидания скрытые отказы;
2. периодически контролируемые в режиме ожидания скрытые отказы, соответственно устраняемые и не устраняемые при работе энергоблока на мощности;
3. непрерывно контролируемые в режиме ожидания явные отказы, соответственно устраняемые и не устраняемые при работе энергоблока на мощности;
4. отказы активных элементов или пассивных элементов, имеющих механические движущиеся части, возникающие непосредственно в момент срабатывания элементов (постоянная составляющая вероятности отказа);
5. возникающие при работе во время аварии, соответственно устраняемые и не устраняемые отказы.

Все перечисленные выше типы отказов являются событиями, непосредственно приводящими к неработоспособным состояниям элементов систем безопасности. Кроме полных отказов в режиме ожидания возможно возникновение и обнаружение частичных отказов (дефектов), при которых элемент находится в работоспособном состоянии, но вероятность его отказа при работе во время аварии возрастает. Поэтому выявленные дефекты устраняются. Устранение дефектов требует вывода элементов в ремонт, то есть приведения их в неработоспособное состояние.