楊晨 陳樹(shù)明 顏寒 鄭富磊 胡文軍

摘 ?要：示范快堆非能動(dòng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是非能動(dòng)停堆機(jī)構(gòu)的組成部分之一，用于在反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)提升非能動(dòng)棒。非能動(dòng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性驗(yàn)證采用定數(shù)試驗(yàn)的方法。由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在適應(yīng)性方面存在部分問(wèn)題，基于相關(guān)概率統(tǒng)計(jì)理論，推導(dǎo)得出非能動(dòng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性驗(yàn)證的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，并且制定適宜的試驗(yàn)剖面。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果滿足驗(yàn)證方案的接收準(zhǔn)則，設(shè)備可靠性水平高于指標(biāo)要求的置信度為70.3%。

關(guān)鍵詞：非能動(dòng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；可靠性指標(biāo)；可靠性驗(yàn)證；定數(shù)試驗(yàn)；試驗(yàn)剖面

中圖分類號(hào)：TL364 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2024）18-0001-04

Abstract： The passive rod drive mechanism for China Demonstration Fast Reactor （CFR600） is part of the passive shutdown system， which is used to lift the passive rod during reactor startup. The reliability of the passive rod drive mechanism is verified by the method of fixed number test. Because of some problems in the adaptability of the relevant standards， based on the relevant probability and statistical theory， the statistical test scheme for the reliability verification of the passive rod drive mechanism is derived， and the appropriate test profile is established. The statistical results of the test meet the acceptance criteria of the verification scheme， and the confidence that the reliability level of the equipment is higher than the index requirement is 70.3%.

Keywords： passive rod drive mechanism; reliability index; reliability verification; fixed number test; test profile

液體懸浮式非能動(dòng)停堆機(jī)構(gòu)是600 MW示范快堆工程項(xiàng)目反應(yīng)堆研發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要是用來(lái)應(yīng)對(duì)失流事故工況下，即使反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)不能緊急停堆，依舊能夠通過(guò)非能動(dòng)特性，插入非能動(dòng)棒，從而引入較大負(fù)反應(yīng)性，降低反應(yīng)堆功率，防止堆芯發(fā)生更危險(xiǎn)的事故。液體懸浮式非能動(dòng)停堆機(jī)構(gòu)不參與反應(yīng)堆的功率調(diào)節(jié)，只具有堆失流保護(hù)功能。液體懸浮式非能動(dòng)停堆機(jī)構(gòu)由非能動(dòng)組件和非能動(dòng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2部分組成，非能動(dòng)組件用于執(zhí)行失流保護(hù)功能，非能動(dòng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于在反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)，將非能動(dòng)棒從套筒中抽出，提升至懸停位。

根據(jù)示范快堆可靠性工作要求，對(duì)有可靠性指標(biāo)要求的設(shè)備，需要研究并制定產(chǎn)品級(jí)的可靠性驗(yàn)證方案，開(kāi)展可靠性指標(biāo)驗(yàn)證。

1 ?設(shè)備說(shuō)明

液體懸浮式非能動(dòng)停堆棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由7個(gè)大部件組成[1]，分別是：主軸驅(qū)動(dòng)組件、抓手驅(qū)動(dòng)組件、主法蘭、傳動(dòng)組件、電控組件、齒條組件及抓手組件。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要功能是用于在反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)，將非能動(dòng)棒從套筒中抽出，提升至懸停位。其子功能可分解為：主軸升降、主軸保持、主軸位置監(jiān)測(cè)、抓手開(kāi)合、抓手保持及抓手位置監(jiān)測(cè)功能。說(shuō)明如下。

主軸升降：主軸升降功能由主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成，通過(guò)減速器和齒輪齒條傳動(dòng)裝置將主軸伺服電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為主軸速度較慢的上、下直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)抓手的上下運(yùn)動(dòng)功能。

主軸保持：主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中裝有的蝸輪蝸桿式減速器具備自鎖功能，能夠滿足驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主軸的保持自鎖要求。同時(shí)，電機(jī)有抱閘，也可實(shí)現(xiàn)自鎖。

主軸位置監(jiān)測(cè)：在伺服電機(jī)軸上安裝有絕對(duì)編碼器，將速度信號(hào)傳送給伺服控制器，形成速度反饋通道。在負(fù)載運(yùn)動(dòng)軌跡極限位置安裝有位置傳感器，其數(shù)字信號(hào)傳送到PLC，由PLC負(fù)責(zé)報(bào)警信號(hào)處理。

抓手開(kāi)合：抓手打開(kāi)閉合功能由抓手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成，通過(guò)減速器和齒輪傳動(dòng)裝置將抓手伺服電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為凸輪緩慢旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)抓手的打開(kāi)閉合。

抓手保持：抓手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中裝有的蝸輪蝸桿式減速器具備自鎖功能，能夠滿足驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抓手的保持自鎖要求。

抓手位置監(jiān)測(cè)：在主軸位置傳感器上方設(shè)置旋轉(zhuǎn)位置傳感器，判斷抓手凸輪是否轉(zhuǎn)動(dòng)角度到位。

非能動(dòng)停堆棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性指標(biāo)由上游總體專業(yè)給出，基于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障對(duì)示范快堆頂層安全性與經(jīng)濟(jì)性的影響，從總堆芯損傷頻率（CDF）與可用性指標(biāo)中分解得出。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，非能動(dòng)停堆棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性指標(biāo)要求為：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作次數(shù)（往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次并提升釋放組件一次）不低于200次，可靠度不低于95%。將其轉(zhuǎn)換為單次任務(wù)可靠性要求，按照R200≥0.95，則每次任務(wù)（往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次并提升釋放組件一次）可靠度R≥0.999 75。

2 ?可靠性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證方案

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性驗(yàn)證方案采用定數(shù)抽樣的試驗(yàn)方法，有2份與此相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)：GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》[2]和GB/T 5080.5—1985《設(shè)備可靠性試驗(yàn)成功率的驗(yàn)證試驗(yàn)方案》[3]。

2.1 ?標(biāo)準(zhǔn)的局限性

1）GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》提供了指數(shù)分布產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，這類產(chǎn)品在連續(xù)的工作時(shí)長(zhǎng)中以恒定的故障率λ隨機(jī)發(fā)生失效，適用于故障率（失效率）λ等指標(biāo)的驗(yàn)證。

而驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并非連續(xù)工作，而是按需求進(jìn)行單次工作任務(wù)。并且所驗(yàn)證的指標(biāo)為每次需求的失效概率p。因此，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性驗(yàn)證工作不完全適用于GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》。

2）GB/T 5080.5—1985《設(shè)備可靠性試驗(yàn)成功率的驗(yàn)證試驗(yàn)方案》為需求失效的驗(yàn)證試驗(yàn)方案，該標(biāo)準(zhǔn)適用于成敗型產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證。這類產(chǎn)品每次試驗(yàn)的結(jié)果表現(xiàn)為成功或失敗2種狀態(tài)，適用于對(duì)可靠度R或失效概率p的驗(yàn)證。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作性質(zhì)與該標(biāo)準(zhǔn)相符合。

但如表1所示，在該標(biāo)準(zhǔn)中給出的定數(shù)試驗(yàn)方案表中，可選用的最高可靠度檢驗(yàn)上限R0為0.999 5<0.999 75。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的指標(biāo)驗(yàn)證需求已超出GB/T ?5080.5—1985《設(shè)備可靠性試驗(yàn)成功率的驗(yàn)證試驗(yàn)方案》給出的方案范圍，因此GB/T 5080.5—1985《設(shè)備可靠性試驗(yàn)成功率的驗(yàn)證試驗(yàn)方案》也無(wú)法直接使用。

2.2 ?標(biāo)準(zhǔn)的等價(jià)性

可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)是基于概率統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)原理。

的數(shù)值求解。對(duì)定積分的數(shù)值求解最常見(jiàn)的方法是均勻插值求積。但考慮到nf>>c，以nf=10 000，c=2為例，被積函數(shù)形狀如圖1所示。

對(duì)橫坐標(biāo)臨近1的部分進(jìn)行局部放大，如圖2所示。

可見(jiàn)被積函數(shù)的特點(diǎn)，即在[0，1]內(nèi)（包括端點(diǎn)）絕大多數(shù)位置接近于0，僅在極小范圍內(nèi)有正值。如果采用均勻插值積分，當(dāng)插值點(diǎn)選取稀疏時(shí)，難以取到有正值位置，導(dǎo)致積分計(jì)算結(jié)果為0；當(dāng)插值點(diǎn)選取稠密時(shí)，有大量計(jì)算力被浪費(fèi)。因此，采用自適應(yīng)積分的方法對(duì)f（x）進(jìn)行求解。

自適應(yīng)積分的基本思想是[5]，首先將整個(gè)被積區(qū)域分為2部分進(jìn)行求積，再將2部分繼續(xù)插值進(jìn)行求積，對(duì)于2次求積插值滿足精度的部分停止求積，而對(duì)于不滿足精度的部分繼續(xù)迭代求積?？紤]到被積函數(shù)在絕大多數(shù)位置為0，而其極值點(diǎn)xm可求

因此，初始插值點(diǎn)選取在極值點(diǎn)xm處，進(jìn)行自適應(yīng)積分。

根據(jù)積分方程組，給定試驗(yàn)方案nf、c和檢驗(yàn)界限p0、p1，則可根據(jù)該方程組求得雙方風(fēng)險(xiǎn)α、β。本試驗(yàn)中，檢驗(yàn)上限p0=0.00 025，擬選用鑒別比DR=2.00，雙方風(fēng)險(xiǎn)α=β=30%獲取試驗(yàn)方案。通過(guò)嘗試法，從預(yù)先選取的多組nf與c的取值開(kāi)始，逐步縮小nf與c的取值范圍，使求得的α與β逼近30%，從而求得誤差最小的nf與c的取值。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)nf=4 695，c=1時(shí)，此時(shí)實(shí)際的生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)α=32.79%，使用方風(fēng)險(xiǎn)β=31.98%，最接近設(shè)定的α=β=30%。因此，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的定數(shù)試驗(yàn)方案如下。

進(jìn)行4 695次試驗(yàn)，如果發(fā)生的故障數(shù)r≤1次則設(shè)備通過(guò)驗(yàn)收，當(dāng)發(fā)生2次故障時(shí)停止試驗(yàn)并拒收設(shè)備。

3 ?試驗(yàn)剖面確定

非能動(dòng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)際任務(wù)流程（簡(jiǎn)化）是：?jiǎn)?dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下行至剛性支撐位→抓棒→驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提升至釋放位→釋放→停堆時(shí)，非能動(dòng)棒下落→啟動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下行至剛性支撐位。如圖3所示。

該流程中，主軸上升時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為負(fù)重狀態(tài)，主軸下降時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為空載狀態(tài)?？紤]到非能動(dòng)棒的釋放位較高，非能動(dòng)棒下落會(huì)對(duì)底座造成較大沖擊，而試驗(yàn)次數(shù)遠(yuǎn)大于一套組件更換周期內(nèi)實(shí)際下落次數(shù)，這可能會(huì)對(duì)非能動(dòng)棒與底座造成非責(zé)任性的損壞，因此考慮在某較低位置釋放組件，即按如下流程操作。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下行至剛性支撐位→抓棒→驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提升一定高度→釋放→驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提升至上限位→驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下行至剛性支撐位。如圖4所示。

圖4 ?試驗(yàn)方案一示意圖

但這種方案引入了另一個(gè)問(wèn)題，即在主軸升降的大部分行程中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)處于空載狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)考驗(yàn)產(chǎn)品的目的，在可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載不應(yīng)小于實(shí)際工作過(guò)程中；但如果要在低位落棒，則驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上升段與下降段負(fù)載必然相同。因此，考慮采用2種流程相交替的試驗(yàn)剖面：①驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下行至剛性支撐位；②抓棒；③驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提升至上限位；④驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下行至剛性支撐位上方一定高度；⑤釋放；⑥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下行至剛性支撐位；⑦抓棒；⑧驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提升一定高度；⑨釋放；⑩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提升至上限位；{11}驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下行至剛性支撐位。

該流程中②—⑥步為第1個(gè)往復(fù)行程，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為負(fù)重狀態(tài)；⑦—{11}步為第2個(gè)往復(fù)行程，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大部分行程為空載狀態(tài)。負(fù)重與空載行程比近似為1∶1。如圖5所示。

由于該試驗(yàn)循環(huán)中已包含2次主軸升降與2對(duì)抓手開(kāi)閉，本循環(huán)在試驗(yàn)中將執(zhí)行4 695/2=2 348.5次，向上取整為2 349次試驗(yàn)循環(huán)。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

按前文所述統(tǒng)計(jì)方案和試驗(yàn)剖面開(kāi)展可靠性試驗(yàn)，總試驗(yàn)次數(shù)滿足統(tǒng)計(jì)方案要求，其間未出現(xiàn)故障，滿足2.3節(jié)試驗(yàn)方案的驗(yàn)收要求。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步進(jìn)行可靠性參數(shù)的區(qū)間估計(jì)[6]，評(píng)價(jià)單次任務(wù)失效概率在（0，p）的置信度。

由圖6可知，產(chǎn)品失效概率p位于區(qū)間（0，2.5×10-4），即R位于區(qū)間（0.999 75，1）的置信度（1-α）為70.3%。如采用低風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)方案，可進(jìn)一步提高評(píng)價(jià)結(jié)果的置信度。此外，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的置信度曲線，可以極高置信度地確信p<0.001，即R＞0.999。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

本文初步制定了示范快堆非能動(dòng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性指標(biāo)驗(yàn)證方案，研究解決了以下問(wèn)題。

1）根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性指標(biāo)特點(diǎn)，分析了GB/T 5080.5—1985《設(shè)備可靠性試驗(yàn)成功率的驗(yàn)證試驗(yàn)方案》與GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》的適用性。從數(shù)學(xué)原理上分析了上述標(biāo)準(zhǔn)的等價(jià)性，推導(dǎo)了可靠性指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)的關(guān)系式。

2）采用等價(jià)變形和自適應(yīng)積分法，優(yōu)化了試驗(yàn)參數(shù)數(shù)值求解的算法。

3）根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作流程，制定了合理的試驗(yàn)循環(huán)剖面。

4）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定了驗(yàn)收結(jié)論，并對(duì)可靠性參數(shù)進(jìn)行了區(qū)間估計(jì)。

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