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user: 3. 核电火灾安全的事故树–层次分析 3.1. CPR1000机型事故树–层次分析法 氢气具有化学活性强，导热性系数高，强扩散性，因而在生产、储存和使用过程中都可能产生泄漏进而爆炸。事故树分析(FTA)是一种演绎推理法，为确定安全对策提供可靠依据。防城港核电厂CPR1000机型系统与氢气相关子系统主要包括上述10处。在编制时首先需要确定顶上事件。由于只能选定一个顶上事件，因此我们把最严重的状况，即氢气燃烧爆炸发生作为事故树的顶上事件。 图1为核电厂CPR1000机型系统事故树图，其中C 1 ~C 28 为各种事故因素，由研究者分析多年事故数据 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] 及与工程师现场分析讨论得出，事故图中符号及其含义可见表1。可以看出，该事故树有9个逻辑门链接，其中逻辑与门(AND) 1个，逻辑或门(OR) 8个，与门增加最小割集的大小(割集内包括的基本事件的数量)，而不增加最小割集的数量；或门增加最小割集的数量，而不增加最小割集的大小。经计算，系统有4个最小径集和945个最小割集，表明能够引起核电厂CPR1000系统的氢气燃烧爆炸有945种途径。 图1. 防城港核电厂CPR1000机型系统的事故树 Table 1 The symbols and their contents in hydrogen explosion Fault tree of Nuclear Power Plan 符号及含义 符号及含义 符号及含义 符号及含义 B 1 火源 C 2 静电火花 C 11 化学与容积系统容控箱补充的氢气 C 20 现场实验室的氢气 B 2 CPR1000氢气危险源 C 3 撞击火花 C 12 收集废气的氢气 C 21 蓄电池逸出的氢气 B 3 通风装置没有起到作用 C 4 电火花 C 13 液相反应堆逸出的氢气 C 22 制氯站泄漏的氢气 B 4 氢气处理系统没有起到作用 C 5 雷击火花 C 14 硼回收系统逸出的氢气 C 23 通风系统发生故障 X 1 反应堆冷却剂系统氢气危险源 C 6 光热能 C 15 废电机氢冷系统的氢气 C 24 通风系统设计缺陷 X 2 废气、废液处理系统氢气危险源 C 7 生物热 C 16 发电机氢气输送管道的氢气 C 25 通风系统其他因素 X 3 发电机氢冷系统氢气危险源 C 8 系统加入的氢气 C 17 氢气生产系统的氢气 C 26 氢气处理系统发生故障 X 4 氢气生产与分配系统氢气危险源 C 9 锆合金包壳与水蒸气化学反应产生的氢气 C 18 氢气分配系统的氢气 C 27 氢气处理系统设计缺陷 C 1 明火 C 10 安全壳金属(铝和锌)被喷淋液腐蚀产生的氢气 C 19 制氢站的氢气 C 28 氢气处理系统其他因素 表1. 核电厂氢气爆炸事故树中符号及含义 单一事故树的分析，其结果往往偏差较大。将事故树分析与层次分析法相结合，用于确定事故中各危险因素的权重系数，既能够保证评价因素全面有条理，又能够使定性分析定量化，有效地提高事故树分析的质量和效率 [ 6 ]。层次分析法将一个评价对象划分为几个层次，选择合适的定量指标模糊量化方法计算出其权重值，进而得到层次单排序和总排序，作出优化决策方案的安全评价方法。可按如下4个基本步骤进行： 1) 构建事故树模型，类似如图1。 2) 构建层析分析模型。通过分析事故树的各基本事件，依照事故树的逻辑顺序，将事故树的事件按照目标层、准则层、指标层划分归类，建立层析分析模型。 3) 影响因素权重计算。影响因素权重计算过程如下：a) 构建判断矩阵要从上到下，选定上一层次的某一因素，将本层次的各因素关于这个指定因素进行两两比较，根据评价对象实际情况以及评价目的和要求，选用合适的标度对判断矩阵因素给出合理的赋值，从而构造出一个由重要性比值构成的正互反判断矩阵，本文采用1~9标度 [ 10 ]。b) 计算因素的相对权重。仅仅得到判断矩阵，并不能反映出本层次各因素的重要程度，所以还需要计算本层次所有因素的相对权重，求出特征向量，进而得到各因素的相对权重值。c) 一致性检验。在构造正反判断矩阵时，由于评价系统的复杂性，加上对因素进行两两比较时由于受到主观意识的影响，构造的判断矩阵往往与实际情况有差异，因此要判断不一致程度是否在可容许的范围内，就需要对判断矩阵进行一致性检验。首先计算一致性指标CI， CI = ( λ max − n ) / ( n − 1 ) (1) 式中：n为判断矩阵的阶数， λ max 为最大特征根；当判断矩阵具有完全一致性时，CI = 0。然后判断计算出的一致性指标CI是否有偏差，且偏差是否在容许的一致性范围内，这些问题就需要引入平均随机一致性指标RI来衡量。文献 [ 11 ] 得出的1~15阶重复计算1000次的平均随机一致性指标RI如见表2所示。 Table 2 RI value tabl n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 RI 0 0 0.52 0.89 1.12 1.24 1.36 1.41 1.46 1.49 1.52 1.54 1.56 1.58 1.59 表2. RI取值表 最后计算一致性比例CR： CR = CI / RI 。当CR < 0.1时，认为判断矩阵与实际情况保持一致，则一致性检验通过，说明特征向量能够表示权重向量；反之，说明判断矩阵与实际情况存在较大偏差，需要对正互反判断矩阵做适量修正。 当各层次因素权重计算完成后汇成总层表，按权重值从高到低排序，重点分析权重值较高的因素，并从重点关注因素出发，提出控制和改进的措施。 3.2. CPR1000机型元素危险权重分析 根据对防城港核电厂CPR1000机型的调研，本文建立了图1中事故树。因此目标层对应A，准则层为B 1 ~B 4 ，指标层为C 1 ~C 28 。通过1~9标度法，对危险因素B 1 ~B 4 和危险部位C 1 ~C 28 危险性权重进行定量判定，构造目标层A层和B 1 ~B 4 各层判断矩阵 [ 5 ]。此过程无法通过严格理论得出，只能由现场经验丰富的工程师根据风险评估一般方法给出。本文通过中广核10位专家的调查问卷及火灾科学领域专家综合调研判断给出，表3为建立的各层判断矩阵和计算结果。 Table 3 Comparison of the importance of the influence factors of the target A laye A B 1 B 2 B 3 B 4 W B 1 1 1 2 2 0.3333 B 2 1 1 2 2 0.3333 B 3 1/2 1/2 1 1 0.1667 B 4 1/2 1/2 1 1 0.1667 表3. 目标层A层的影响因素重要度比较表 带入计算一致性比例，有CI = 0，CR = 0，因为CR小于0.1，所以一致性检验通过。 可用类似方法，通过危险部位C 1 ~C 7 、C 8 ~C 22 、C 23 ~C 25 、C 26 ~C 28 分布对B 1 ~B 4 层的影响因素进行重要度建表。由于篇幅所限，这里仅给出最终权重结果，即表3中B 1 ~B 4 列，且所有分层CR均小于0.1，满足一致性检验。利用上层层次单排序的结果，以上层元素的组合权重为权数，计算对应本层各元素的加权和，所得结果即为该层元素的组合权重 [ 12 ]。进行层次总排序，结果如表4中“权重总排序”列所示。由此可得到CPR1000型机组所有危险因素的权重，进一步可即可按照权重对危险性进行排序、分类，以便进一步措施的指定。 Table 4 Total ranking list of hazardous parts weightin A B 1 B 2 B 3 B 4 权重总排序 危险性总排序 0.3333 0.3333 0.1667 0.1667 C 1 0.2775 — — — 0.092491 3 C 2 0.2775 — — — 0.092491 3 C 3 0.1764 — — — 0.058794 6 C 4 0.1136 — — — 0.037863 10 C 5 0.0734 — — — 0.024464 17 C 6 0.0482 — — — 0.016065 20 C 7 0.0334 — — — 0.011132 24 C 8 — 0.1835 — — 0.061161 5 C 9 — 0.1247 — — 0.041562 7 C 10 — 0.1247 — — 0.041562 7 C 11 — 0.0821 — — 0.027364 15 C 12 — 0.0821 — — 0.027364 15 C 13 — 0.0538 — — 0.017931 18 C14 — 0.0538 — — 0.017931 18 C 15 — 0.0350 — — 0.011666 21 C 16 — 0.0350 — — 0.011666 21 C 17 — 0.1247 — — 0.041563 7 C 18 — 0.0237 — — 0.007899 25 C 19 — 0.0350 — — 0.011666 21 C 20 — 0.0169 — — 0.005633 26 C 21 — 0.0125 — — 0.004166 27 C 22 — 0.0125 — — 0.004166 27 C 23 — — 0.6000 — 0.100020 1 C 24 — — 0.2000 — 0.033340 11 C 25 — — 0.2000 — 0.033340 11 C 26 — — — 0.6000 0.100020 1 C 27 — — — 0.2000 0.033340 11 C 28 — — — 0.2000 0.033340 11 表4. 危险部位权重总排序表 通过分析发现最重要的因素是C 23 (通风系统发生故障)和C 26 (氢气处理装置发生故障)，所以要经常排查设备和装置是否能正常运行。其次C 1 (明火)与C 2 (静电火花)也是造成氢气火灾发生的重要因素，这其中静电往往容易被忽视。同时也表明，尽管生产过程中产生或逸出的氢气(C 12 ~C 16 、C 18 ~C 22 )很难完全避免，但在装置正常运行时其引发燃爆的可能性较低。 3.3. 氢气风险与应急防控措施 根据以上事故树–层次方法分析结果，归纳起来可采取如下措施降低氢气火灾发生。 1) 加强排风系统的维护，包括排风设备定期的检查(每周的检查次数最好不要少于1次)，对氢气易聚集的区域加强通风。尽量使用防爆型机械通风方式，预防一旦出现危险状况，不能及时排除氢气，氢气含量逐渐达到4%，达到燃烧爆炸的临界点。 2) 重点排查可能导致氢气燃烧爆炸的火源，如雷击导致的火源。要对接地装备进行检查，对系统附近的地阻进行定期测定，一旦发现不符合标准，一定要进行改进。避免发生氢气超标，因为火源的因素而导致的氢气燃烧和爆炸。 3) 定期对于核电厂的各个系统进行排查，对氢气含量要实时监测，一旦发生氢气聚集接近安全临界值，一定要及时处置；对于没有条件进行实时监测的地方，一定要经常定期测量。 4) 经常检查氢气处理设备，一旦发生氢气超标，设备能够及时减少氢气，避免事故产生。 5) 使用计算模拟软件对于一旦发生的泄漏等危险条件进行模拟，便于在紧急时刻，控制危险和人员疏散，把损失控制在最小范围内。