核電廠預防性維修策略模板開發與應用研究

前 言

為在資源有限的條件下盡可能地在正確的時間對設備開展正確的維修和維護，需開發一種維修優化技術，以可靠性為中心的維修（RCM）正是人們對維修科學化追求過程中開發和應用的一種重要的維修優化技術。為了優化RCM分析過程，更好地使用同類設備的維修大綱經驗，有必要開發和廣泛應用維修模板。實踐經驗表明，維修模板的應用能夠顯著地提高制定和優化維修策略的效率。編制設備故障模式與維修任務表，并且簡要陳述編制故障模式與維修任務表，通常使用預防性維修策略模板（PM Template）。國內大亞灣核電站、田灣核電站、秦山核電廠開展RCM或簡化的以可靠性為中心的維修（SRCM）等分析多年，特別是大亞灣核電基地從1998年開展RCM分析，已有15 a分析與應用經驗，積累了豐富的設備故障分析和維修數據。目前國外發達核電國家早已有故障模式與維修策略模板的相關研究與應用。在國內各個核電基地實行群堆管理模式的大背景下，開發并建立國內核電廠預防性維修模板數據庫，可以為國內核電廠生產與維修等許多領域，尤其是維修優化與設備可靠性管理提供有價值的決策支持信息和數據。

圖1 設備維修模板開發流程圖

1 維修模板的定義及技術路線

1.1 維修模板的定義

維修模板是基于核電廠同類設備使用經驗和可靠性分析等知識，預先制定的該類型設備預防性維修任務模板。該模板概括了預防某類結構工藝相似的設備失效而采取的維修和監測任務，涵蓋了設備的監測手段（試驗、實驗、再鑒定等）及必要的檢修措施（更換部件、潤滑等），包括該類型設備主要故障模式、故障影響以及管理該故障模式的維修策略。

維修模板的開發考慮了該類型設備主要的故障模式以及可以實現預測或預防該類故障發生的預防性維修策略。希望維修模板能實現利用狀態維修來取代固定周期的定期任務，例如應用振動分析或溫度記錄與趨勢分析技術。對于具有固定頻度的預防性維修任務的設備，主要考慮維修的動機和目的，包括設備關鍵度（設備分級）、運行環境和運行頻度等。這將幫助實現預防性維修周期的合理化、科學化，并提高設備的運行可靠性和可用性，降低設備維修成本等，最終提高核電廠的安全性、可靠性和經濟性等。所以，維修模板是一個綜合的預防性維修（PM）知識庫，有助于PM分析員編制和優化維修項目。如果使用行業資源開發，這個存儲關于大多數設備類型的PM綜合知識庫在廣度和深度上將會比任何單個運行電廠擁有的設備類型PM知識庫更豐富、質量更高。這樣一個知識庫還包括幾個簡單的表格，稱為PM模板（每個設備類型有一個PM模版），它包括建議的PM任務執行間隔，可以通過PM模板來編制或優化維修大綱。

1.2 技術路線

主要通過調研和借鑒國外維修模板數據（庫）開發與應用方面的成功經驗，結合國內核電廠15 a來RCM（SRCM）積累的故障分析和維修數據成果進行總結和提煉，同時結合核電廠設備關鍵度、運行環境、運行環境和可靠性分析（包括定量和定性）等，研究開發國內壓水堆核電廠設備故障模式與維修策略模板數據庫。

2 維修模板開發

PM任務執行頻度取決于設備降級的方式及速率、設備的類型、運行周期和服役環境，運行周期和服役環境與運行環境相關。故障模式與影響分析（FMEA）中僅10%左右的信息與具體的運行環境相關，其他90%是基于同類型的設備在電廠何處以及如何使用。但是，與運行環境相關的10%對PM的工作建議有極大影響，管理與運行環境相關項需要花費一定的時間并且不容易管理。對于每種設備類型，開發PM模板方法中僅有預防性維修的設備分析（PMEA）是完全獨立于運行環境的。將PMEA應用于每種具體的設備類型時，不同的運作環境會得出不同的PM工作建議。

結合國外的實踐，根據國內核電廠實際情況，維修模板的開發一般包括設備分類、收集分析參考資料、選擇周期和任務以及錄入平臺管理（方便持續優化）。圖1給出了設備維修模板開發流程。

2.1 開發過程所需設備信息

開發過程需要以下設備信息：設備邊界定義及部件清單；②設備類的使用環境和使用頻度的定義；③該設備類主要的故障和故障模式、降級機理以及主要的故障影響；④該設備類降級過程的時間特性；⑤部件的故障機理；⑥部件的降級過程以及主要的降級影響；⑦設備狀態監測和預防性維修措施及其有效性（高、中、低）；預防性維修的范圍和內容；⑧執行維修時的典型工作方式和所需資源；⑨制定維修任務及其頻度的依據；⑩推薦PM任務及其任務周期的組合，取決于功能重要度、使用頻度和服役環境，即PM Template；每種PM任務的主要目標，以及當任務周期變動時對任務有效性的影響；體現PM大綱中各項任務交迭情況，以及所有任務覆蓋完整性的表格；其他參考信息。

表1 設備具體分類情況

2.2 開發步驟

設備維修模板開發主要步驟如下：

（1）選取設備類：國內壓水堆核電廠機組設備類型較多，針對特定類型設備，結合設備重要程度分級（4種）、使用頻度（2種）和運行工況（2種）進行劃分，通常可將設備分成12種類型，即從以上三個角度形成的12種組合類型。設備分類可以提高設備維修模板開發與使用的針對性，方便開發出適用于不同場合的設備維修模板。設備具體分類情況見表1。

（2）收集并分析參考文件：在模板分類階段，分析設備維修任務的參考文件，包括:①運行維修手冊（EOMM）；②設備故障模式及其影響分析（RCM分析成果）；③定期試驗大綱等；④系統、設備的經驗反饋；⑤美國核電廠 /法國EDF群堆已有的模板。

（3）識別維修監測任務，分析維修監測任務與相應的故障模式。

（4）選擇合理維修任務和周期。

（5）審查、生效。

（6）輸入維修模板管理平臺。

2.3 維修模板編寫原則

（1）模板是保證設備可靠性等級的技術文件，編寫時不應過多考慮經濟或者人力資源因素。

（2）模板應參考借鑒國內外壓水堆核電廠在設備維護方面的實踐經驗以及與國外運營商和組織相互交流的維修實踐：①美國核電廠Exelon、Constellation及美國電力研究協會（EPRI）現有的模板；②法國EDF核電廠現有的維修模板；③國內外經驗反饋；④設備供應商建議等。

（3）模板應使設備保持長久的可靠性，為此提出一系列保證設備良好運行的手段，同時在編制之初就需要考慮一些必要的調整手段（如物項替代），以使機組能夠可靠運行60 a。

（4）每份模板適用于具有相似制造工藝的同類設備。

（5）模板要與設備數據庫中的功能位置碼相關聯。因為一個給定功能位置碼的設備，其部件也擁有同樣的功能碼，所以模板應包括整個設備，即設備的主要部件。如：氣動閥由限位器、調節器、執行機構等構成，則模板要包括氣動閥及其限位器、調節器、執行機構的所有維修和監測手段。

（6）不同的設備或設備相同但維修工作不同，則模板也不同。

（7）為了在維修大綱編寫與優化的過程中更方便地將模板和設備分級結合在一起，應盡量避免在屬于一類設備的模板中包括特殊工作任務。

（8）為了更好地建立與優化維修大綱，對于某些數量較多但具有不同功能位置的設備，可以看作一個設備（如給水泵等），此時可以建立一個覆蓋所有設備的模板。

（9）模板后需附加表格以說明與維修任務有關的各種設備參數、定值等。以大亞灣核電站群堆鉛蓄電池的模板為例，需包含與900 MW機組鉛蓄電池監測和維修任務相關的所有參數。

（10）模板的任務描述，不必明確描述各設備制造商或電廠使用的特殊技術或專用工具，但可以給出相應參考說明。如在閥門模板中，應避免此類編寫：“進行閥門電機Quiklook試驗”，而應是“進行閥門電機可操作試驗”。

（11）由于對極少數新類型設備認識不夠，系統設備檢修計劃所覆蓋的范圍有限，同時缺少實踐驗證的維修策略和檢修標準，因此，該類設備模板應隨著認識深入和經驗積累不斷優化。

表2 過濾減壓閥維修模板

2.4 模板任務

（1）模板的維修和監測任務類別：①監測活動：包括運行人員、系統負責人和設備負責人巡檢，油樣分析測試，紅外測溫，振動測量記錄等；②核安全相關定期試驗：該類任務涉及到提高機組設備可維護性和可用性的定期試驗；③狀態維修：僅在診斷分析結果（如振動高）要求時才開展狀態檢修所列任務；④日常定期維護：保證設備正常運行的定期維護，如軸承潤滑等；⑤定期檢修：該類任務主要為大修時的工作任務；⑥承壓設備監測任務：對承壓設備要求的所有維修監測任務；⑦法規任務：監管要求或行業規范等條例所要求的任務。

需要特別注意的是，維修任務的描述要規范。上述類別中的任務，可能適用于某一個系統或某一類設備，應在任務名稱前明確指出該任務的適用范圍，如設備冷卻水系統（RRI）-更換密封墊。

（2）模板任務對應的故障模式：模板給出每個維修任務所預防的設備故障模式，對于每一個故障模式，模板編寫時應該確定以下內容：①涉及到的設備功能；②最嚴重的故障影響；③發生故障的設備部件；④可能的故障原因；⑤故障優先級；⑥所采取的措施：根據診斷結果進行的維修或日常維護任務，避免已達報警閾值的故障繼續惡化引起停機、停堆（可以參考美國EPRI MADE設備故障模式及其影響分析數據庫）。

將維修任務與故障模式結合起來，其目的如下：①確定該維修任務所能夠預防的故障模式；②便于維修大綱優化階段，檢查模板維修任務是否滿足維修中心（MADE）的要求，如不滿足則需要重新考慮模板或者尋找另外的解決措施。

2.5 周期選擇

對每一個維修監測任務，其所適用的設備類共有12個，應根據設備關鍵度，結合運行頻度和環境確定各類設備的維修周期。

（1）周期單位“C”，適用于必須在換料停堆期間或其前后立即進行的維修任務，如換料停堆前對機械設備的振動檢查。

（2）根據設備等級和設備可靠性管理流程（AP913）的目標，選擇相應的周期。周期主要參考文件有：①EOMM；②設備運行經驗反饋；③對設備的認識、專業技能；④設備故障模式及其影響分析（RCM分析成果）；⑤定量化分析。

圖2 維修模板在大綱編制及優化中的流程

3 應用

本文以氣動閥門氣動部件為例，簡單說明氣動閥門氣動部件的預防性維修模板的開發過程，為國內各核電廠氣動閥門維修策略優化提供參考。首先確定分析對象是氣動閥門所使用的氣動部件（不是氣動閥門本體），它們被廣泛應用于氣動調節閥（包括基地式調節閥）、氣動開關閥上，氣動頭的種類包括隔膜式、活塞式等。涉及到的氣動部件主要包括：①過濾減壓閥；②電氣轉換器；③定位器（機械式和數字式）；④流量放大器；⑤氣動鎖氣器；⑥電磁閥；⑦基地式調節器。

3.1 設備類定義

（1）關鍵/非關鍵設備：①關鍵和重要設備：指氣動閥門故障后果嚴重的設備，包括關鍵設備和重要設備；②經濟設備：指氣動閥門故障后果不嚴重，但仍不允許運行至失效的設備，即經濟型（MIN）設備。

（2）使用頻率：①高使用頻率：指處于連續調節狀態或者頻繁開關的閥門，或長期帶電勵磁的電磁閥。正常運行期間一般在常關或常開狀態的閥門，不屬于該范疇；②低使用頻率：不適用。

（3）工作環境：

惡劣工作環境：氣動部件處于下列任何一種工作環境即稱為惡劣工作環境：①高溫；②高濕度；③高振動；④高輻射；⑤腐蝕性環境；⑥腐蝕性介質；⑦臟污介質。

正常工作環境：不具備以上任何一種的工作環境稱為正常工作環境。

3.2 維修模板制定

根據氣動閥門氣動部件的工作原理及內部經驗反饋，結合氣動部件故障模式及可靠性分析，以過濾減壓閥為例制定不同氣動部件的維修模板，如表2所示。

4 維修模板優化

維修模板建立完善后，不應該是靜態的，即模板內容需要根據模板在現場應用的反饋進行及時調整和升版，例如新增維修技術類型或調整維修任務對應的周期等。一般每2 a集中升版一次，維修模板升版后，維修大綱也要相應升版。圖2為維修模板在大綱編制及優化中的流程。

5 總 結

該研究成果可對國內核電廠設備可靠性管理中維修決策、故障分析與系統評估等相關各個環節提供重要技術支持。開發國內核電廠設備維修策略模板，可以固化和傳承核電廠維修與故障管理的良好實踐，增強對維修優化理念及維修優化成果的運用，有利于國內新建及在運機組運維水平提升。本研究成果及后續相應模板數據庫的建立將為國內核電廠的運行及維修管理奠定良好的基礎，為國內核電廠設備可靠性管理實現標準化、高效化提供重要支撐，具有廣闊的應用前景。PM維修模板的開發應用，展示了其在PM優化效率方面的巨大發展前景，可以進一步推廣應用。