核電廠基于COFA分析方法的RCM維修體系比較研究

曾利民，陳建新，吳建文

（海南核電有限公司，海南 昌江 572700）

核電廠基于COFA分析方法的RCM維修體系比較研究

曾利民，陳建新，吳建文

（海南核電有限公司，海南 昌江 572700）

文章介紹了RCM的來源以及實施RCM檢修的必要性，闡述了RCM分析方法和RCM維修體系之間的關系。通過與傳統RCM分析方法比較，詳細介紹了一種適合一般工程技術人員使用的RCM分析方法，即COFA分析方法，以及如何用該方法建立一個動態的RCM維修體系。另外通過與AP913設備可靠性管理流程對比，闡述了RCM分析在以可靠性為中心的維修體系中的重要性。

可靠性；RCM分析方法；COFA；RCM維修體系

傳統的預防性維修的目標是防止設備在運行期間發生故障，因此其預防性策略主要是基于設備類別制訂的。這種維修策略在應對設備數量不多、組成不太復雜的系統時基本有效，但在針對由幾百個系統和數十萬臺不同設備組成的核電廠時，這種預防性維護策略就顯得不適應了。一方面，由于需要維護的設備數量眾多，要確保每個設備在運行期間不出任何故障不論是經濟上還是技術上都幾乎是不可能實現的；另一方面，傳統的預防性維修理念是按照設備的類型進行預防性維修，同一類設備的維修計劃及內容往往存在“一刀切”，其結果就是不可避免地造成大量的維修資源浪費，更重要的是設備過度檢修不僅達不到預期的避免故障的效果，甚至可能會適得其反。因為相關研究表明，設備在檢修后一段時間內故障率反而比檢修前更高［1］。正因為如此，以可靠性為中心的維修方式正越來越多地被人們重視并廣泛采用。

1　RCM維修簡介

以可靠性為中心的維修（Reliability-Centered Maintenance，RCM）是20世紀70年代在北美航空業界由Stanley Nowlan和Howard Heap等首先提出并用于制訂民用飛機的維修大綱，結果取得極大成效。從那以后，RCM維修理論幾乎在所有的工業化國家的多數領域（包括軍事裝備、能源、工業運輸等）獲得廣泛的應用［2］。與此同時，RCM術語的廣泛使用導致許多被標榜為RCM的分析方法本身根本不具備RCM應有的含義，以致后來SAE發布了關于RCM的評價標準JA1011，用于檢驗相關所謂的“RCM”分析方法是否可以被稱為RCM。標準中給出了一個最低的要求：即只有標準中列出的7個問題都得到了完整回答的RCM分析過程或分析方法才能被稱為RCM［3］，這就是眾所周知的關于RCM的7個問題。國內有些RCM研究文獻通常將RCM定義為一種維修優化方法，并將RCM分析等同于回答這7個問題的過程。這種理解本質上并沒有太大問題，但是過于局限，實際上完整的RCM應該包括一整套維修體系，它至少包括以下3個必不可少的環節［4］：

1）通過科學嚴謹的分析方法識別出與指定關鍵功能密切相關的系統和設備及其關鍵失效方式。

2）為前一環節識別出來的關鍵設備制定有效并可行的防止其關鍵功能失效的措施，包括預防性維修，狀態監測，定期試驗、定期更換等。

3）確保前一環節制訂的每一項措施得到有效的執行。

其中第一個環節最為關鍵，因為其決定了哪些設備必須采取有效措施預防故障發生，哪些設備可以采取失效后檢修的策略，如果分析的方法本身不夠嚴謹科學，那么將直接導致一些應該得到重點關注的關鍵設備被錯誤地忽略，其后果可想而知。JA1011標準中的7個問題給出了判斷一個RCM方法或流程能否被稱為RCM的準則，但回答這7個問題的過程本身還遠不能構成一個嚴謹的RCM分析方法或流程，因為它缺少一些核心的邏輯判斷過程。

2　RCM分析方法簡介

傳統的RCM分析方法主要為功能失效模式及其影響分析（Failure Modes and Effects Analysis，FMEA），這種方法一般選擇從系統開始，其基本流程如下［5］：

1）確定該系統的邊界；

2）定義系統的功能及性能指標；

3）列出系統的功能失效以及對應的功能失效的后果；

4）確定導致系統功能失效的所有故障模式；

5）在上述系統功能失效的故障模式中識別出可能導致該系統功能失效的設備；

6）根據功能失效后果的嚴重程度對識別出來的設備進行分級；

7） 根據上一環節識別出來的設備及其故障模式制訂針對性的維修策略。

文獻［6］中介紹了一種系統分析與設備分析相結合的方法，首先用系統功能分析識別出重要的設備清單，然后對識別出來的設備用設備失效模式分析確定其維修策略，因此基本上仍屬于傳統RCM分析方法的范疇。使用傳統RCM分析方法需要注意必須嚴格定義系統的邊界，否則很容易造成系統功能的遺漏，一旦遺漏系統某一重要功能將會導致與之相關的關鍵設備不能準確識別出來，造成后續RCM實施的效果大打折扣；由于列出系統功能故障及其所有功能故障模式等對分析者的系統知識和分析經驗有著較高的要求。COFA分析方法將提供一種簡單而有效的RCM分析流程，比較適合設備維護人員使用。

3　COFA分析方法

設備失效后果分析（Consequence of Failure Analysis，COFA）來自Neil B.Bloom逾40年的航空及核電可靠性維護工作經驗的總結，這種分析方法與傳統的RCM分析方法最大的區別在于，COFA分析不再拘泥于要求對系統進行精確的邊界劃分、功能定義及功能失效模式分析；而是直接從系統的最基本組成單元：單個設備開始進行分析，通過逐一對每臺設備故障失效后對系統（如果有）及電廠的影響進行分析，這種方法不僅可以快速地對成百上千臺設備的關鍵程度進行甄別，而且可以幫助分析者徹底厘清各設備在系統或電廠中的設計功能。COFA分析方法認為當一個系統中每臺設備的設計功能和失效后果都已分析清楚時，那么該系統的功能等同于系統內每臺設備設計功能的歸納和總結，因此和傳統分析方法相比，COFA分析不用擔心系統某項重要功能被遺漏。不僅如此，由于系統劃分或系統邊界對于COFA分析并不是必須的，這種分析方法徹底舍棄了傳統RCM分析方法中令人費神的系統邊界、系統功能、系統功能失效定義環節，使得RCM分析的技術門檻大大降低。當然采用這種分析方法也有缺點，那就是必須對系統包含的每臺符合要求的設備進行逐一分析。因此采用COFA分析處理的設備數量要明顯多于傳統的RCM分析方法。但筆者自身的實踐經驗表明，相對于費時費力的系統邊界和功能定義以及功能失效模式分析，電廠采用COFA分析方法增加的設備分析工作量是完全可以接受的。

3.1COFA分析的基本概念和原則

使用COFA分析方法需要了解一些RCM分析的基本概念，例如隱蔽性故障、可靠性、關鍵設備、RTF設備等。有些概念屬于RCM分析的通用概念，筆者不再贅述，只對個別核心的概念以及COFA特有的潛在關鍵概念加以說明。

關于隱蔽性故障指的是該故障發生后一般沒有后果，對操作人員而言是不明顯的，因此可能長期存在，其唯一后果是增加了多重故障的可能性［7］。大部分RCM分析方法通常將隱蔽性故障單獨作為一類故障后果進行分析處理，并從能否有效降低多重故障發生的概率［7］或管理多重故障的經濟成本大小的角度判斷采取預防性措施的必要性。

COFA分析方法認為相對于那些故障后即直接導致嚴重故障后果的關鍵設備，隱蔽性故障導致的系統可靠性降低才是引發嚴重故障的最主要因素，為了加強對重要的隱蔽性故障的管控，COFA分析方法提出了一個重要的概念：潛在關鍵設備。如果1臺設備失效后其故障后果為隱性，意味著該故障在很長的時間內都不會被相關人員察覺，因此必須進行多重故障分析，如果此時疊加其他設備失效、正常運行方式切換或其他正常操作就會導致嚴重故障后果，那么該設備即具備導致嚴重故障后果的潛在可能，因此定義其為潛在關鍵設備。

3.2COFA分析關于設備失效后果影響的判斷邏輯

COFA分析方法關于設備失效后果影響的判斷邏輯比較簡單。如圖1中的典型案例所示，圖中的設備A、B可以為承擔某一關鍵功能的任意設備，比如泵、閥門、保護裝置、斷路器、傳感器等，甚至可以是設備零部件，因此幾乎任何需要分析的設備都可以等效為其中的某一種案例。

對于這4種典型案例的COFA分析結果詳見表1。

3.3COFA分析流程

3.3.1確定關鍵功能指標

確定關鍵功能指標的意義其實就相當于確定以可靠性為中心（RCM）維修中的那個“中心”，即RCM維修的最終目標。為便于分析，一般列寫為需要避免的某些嚴重的故障后果，例如對于一座核電廠而言，其典型關鍵功能指標為避免以下任意一個故障后果發生：

1）導致操作人員人身安全事件；2）導致電廠非計劃停機或停堆；3）導致機組降負荷超過20%；

4）導致某一重要的核安全功能不可用。

在對設備進行失效后果分析時，如果設備失效導致以上任意一條故障后果發生，那么該設備即為關鍵設備。

3.3.2確定分析對象

COFA分析一般情況下只對系統中有主動功能的設備進行分析，例如電動閥門、斷路器、泵、風機、傳感器、安全閥等設備，對于只有被動功能的設備例如手動閥門，隔離開關，管道，容器等除非該設備出現過故障或有相關經驗反饋，否則一般不對此類設備進行分析。這主要是因為此類設備功能簡單且發生故障的概率較小（已發生過故障的除外）；或者這些設備實現其功能需要人員操作，因此其功能失效多屬人因管理范疇，不在RCM分析討論的范圍內。3.3.3 設備失效后果分析和設備分級

圖1　典型案例示意圖Fig. 1　Typical examples

表1　典型案例COFA分析結果Table 1　The analysis results of typical COFA

COFA分析要求對每一個符合分析對象的設備逐一進行失效后果分析并確定其設備分級，具體流程如下：

1）列出該設備的功能及對應的功能失效；

2）分析造成設備功能失效的所有可能故障模式；

3）判斷設備故障模式是否顯性，如是則進入下一步，否則應進行多重故障分析；

4）分析設備功能失效或多重故障失效對系統（如果有）及電廠的影響；

5）根據是否滿足關鍵功能指標給出設備的分級。

COFA根據設備的失效后果與關鍵功能的相關度將設備按重要性分為4個等級，依次為關鍵設備、潛在關鍵設備、重要設備和RTF設備。關于設備分級的邏輯決斷流程如圖2所示。

3.3.4選擇合適的維修策略

要保證系統的可靠性不降低，僅僅根據設備失效后果分析將與電廠關鍵功能相關的設備識別出來顯然是不夠的，必須對識別出來的設備所有關鍵失效模式一一制訂針對性的預防性措施并加以執行才有意義。COFA將設備預防性措施分為三大類，第一類為預測性檢修措施，這類檢修往往通過一些技術手段對設備進行一些外部的監測或檢測，包括在線或離線監測，例如取樣化驗、滲透探傷、超聲波檢測、振動檢測、電流監測、局放監測、紅外檢測、內窺鏡檢查、絕緣直阻等常規電氣檢測等，此類維修措施一般對設備無影響，正常情況優先采用此類措施；第二類為介入式檢修，此類檢修措施一般針對那些存在使用時效的設備或部件，主要包括定期更換部件、定期解體檢查等，此類檢修對設備有較大改動，存在增加設備故障率的風險；第三類為定期試驗，這類方法又被稱為“找故障”。當無法找到有效預防性措施時，可以采用此方法驗證相應系統或設備重要功能是否已經失效，但這種方法一般適用于潛在關鍵設備。COFA對于維修策略的選擇邏輯如圖3所示。

無論是預測性維修、定期檢修還是定期試驗，都涉及一個周期選擇的問題。對于檢修周期如何確定，有些RCM分析理論提供了一種基于設備故障概率及檢修經濟性比較的選擇方法，從理論上說不失為一種科學量化的周期選擇策略，但實際應用中檢修周期的選擇遠沒有那么復雜，主要是因為設備的檢修周期選擇主要取決于設備自身的運行環境、故障歷史、檢修先決條件（換料周期）、廠家維護要求、法規標準要求、檢修經濟成本等方面的綜合考慮，這方面完全可以借鑒傳統設備預防性維修和狀態檢修方面的經驗，但需要說明的是RCM分析確定的周期并不是傳統預防性檢修標準規定的那樣一成不變的，它是一個不斷修正的過程。

4　建立基于COFA分析的動態RCM維修體系

圖2　COFA維修策略選擇邏輯Fig.2　Logic tree of PM task selection

通過嚴謹的RCM分析建立起來的以可靠性為中心的預維大綱是否可以一勞永逸地解決系統或電廠的可靠性問題呢？答案是否定的。這主要因為現場設備的新故障失效模式總是在不斷地出現，這些新的故障模式可能在此前的RCM分析過程中根本沒有考慮到，需要補充進行RCM分析并根據失效后果的嚴重程度重新制訂相應的預防性措施；另外系統的變更改造也會導致原有的一些RCM分析結果發生變化；一些關鍵設備的預防性措施的有效性及周期的合理性都有待檢驗，這些都需要根據檢修措施的執行結果不斷地反饋并加以修正，因此建立一個動態的以可靠性為中心的維修體系同RCM分析過程一樣重要。基于COFA分析的RCM維修體系如圖4所示，和其他以可靠性為中心的維修體系一樣，RCM分析是驅動整個RCM維修體系不斷改進完善的核心。

圖3　COFA維修策略選擇邏輯Fig.3　PM task selection logic tree

5　基于COFA分析方法的RCM維修體系與AP-913比較

AP-913是INPO（美國核動力研究院）發布的用于核電廠的設備可靠性管理標準流程。它將核電廠的設備管理按照RCM的維修理念分為關鍵設備篩選和識別、性能監測、預防性維修的實施、糾正性維修、設備可靠性改進（PM優化）、壽期/老化管理6個板塊并將各板塊有機地組合起來，形成一個自身不斷循環改進的維修體系。與基于COFA的RCM維修體系比較可以發現，AP-913已經包含了一個完整的以可靠性為中心的維修體系所必需的各個要素，并結合核電廠設備管理的特點對部分要素進行了擴展，因此可以認為AP-913是RCM維修在核電廠系統實施的規范化和標準化。對于國內正在建立或計劃引進設備可靠性維修體系的核電廠而言，AP-913提供的設備可靠性管理標準流程無疑是非常好的指導書。

值得說明的是，有效實施AP-913的一個關鍵因素是準確地篩選和識別出電廠的關鍵設備［8］，這其中的原因是不言而喻的。AP-913雖然也包括了關鍵設備篩選與識別板塊，但對于關鍵設備的識別只提供了相關關鍵功能指標和一個類似FMEA過程的簡要說明，這與AP-913的功能定位是相符的，它提供的是一套經實踐證明的最佳的設備可靠性管理流程，并不是一種RCM分析方法。因此電廠建立AP-913的設備可靠性管理體系并不能取代RCM分析，恰恰相反的是，RCM分析仍然是保證整個AP-913體系有效運作必不可少的內在核心。

6　結束語

傳統的基于設備類別的預防性維修策略已無法滿足核電系統對設備可靠性的高要求，RCM維修是目前唯一能夠科學地將預防性維修、狀態監測、狀態檢修、預測性檢修等多種現有檢修方法或理論有機地結合起來加以綜合運用的一種先進的設備管理體系，采用這種維修體系不僅可以有效保障核電廠重要功能的可靠性，而且可以科學地配置核電廠維修資源，在保障核電廠關鍵功能可靠性不降低的同時最大限度地降低核電廠維修成本，創造最大的經濟效益。

一個嚴謹的RCM分析流程是所有RCM維修體系有效運作不可缺少的核心。傳統的RCM分析方法一般采用的是從設計功能到關鍵設備的正向分析方法，存在技術門檻高，實施難度較大的缺點，而COFA分析方法采用的從設備功能分析到系統設計功能的逆向分析過程，整個分析過程不僅完整回答了JA1011標準的7個問題，同時還大大降低了RCM分析的技術門檻，為核電廠一般工程技術人員實施RCM分析提供了另外一種選擇。

圖4　基于COFA分析的動態RCM維修體系Fig. 4　A RCM living program based on COFA

［1］ 杜永恩，龐南生，等.RCM在核電站變電設備檢修中的研究與應用［D］. 華北電力大學工商管理碩士專業學位論文，2009.（DU Yong-en， PANG Nansheng， et al. The Study and Application for the Maintenance of Nuclear Power Plant Substation Equipment［D］. MBA thesis of North China Electric Power University， 2009. ）

［2］ 曹先常，蔣眾安，史進淵. 以可靠性為中心的發電設備維修技術研究［J］.發電設備，2002（4）：18.（CAO Xian-chang， JIANG Zhong-an， SHI Jin-yuan. The Study on Reliability-centered Maintenance Process for Power Equipment［J］. Power Equipment， 2002（4）：18. ）

［3］ International Society of Automotive Engineers：JA1011-Evaluation Criteria for Reliabilitycentered Maintenance （RCM） Processes［S］. USA.1999.

［4］ Neil B. Bloom. Reliability-centered Maintenance—Implementation Made Simple［M］. New York：McGraw-Hill Inc.， 2006：30.

［5］ 李曉明，陳世均，武濤，等.以可靠性為中心的維修在核電站維修優化中的應用與創新［J］. 核動力工程，2005.12（26）：73.（LI Xiao-ming， CHEN Shi-jun， WU Tao， et al. The Application and Innovation of Reliability-centered Maintenance in the Optimization of Nuclear Power Plant Maintenance［J］. Nuclear Power Engineering，2005.12（26）：73. ）

［6］ 陳宇，黃立軍，等.一種RCM分析方法［P］.中華人民共和國.專利號：CN 103745293 A. 2014，4：23.（CHEN Yu， HUANG Li-jun， et al. An RCM Analysis Method［P］. China Patent No.：103745293 A. April 23， 2014. ）

［7］ J莫布雷，著.以可靠性為中心的檢修［M］. 石磊，谷寧昌，譯. 北京：機械工業出版社，1995.（J. Mowbray. Reliability-centered Maintenance［M］. Translated by SHI Lei and GU Ning-chang. Beijing： Mechanical Industry Press， 1995. ）

［8］ Institute of Nuclear Power Operations： AP-913 Equipment Reliability Process Description［R］. Revision 4. USA： 2013，10.

The Comparative Study on RCM Program Based on COFA Approach

ZENG Li-min，CHEN Jian-xin，WU Jian-wen
（Hainan Nuclear Power Company， Changjiang， Hainan Prov. 572700， China）

This paper introduced the origin and necessity of RCM. The relation between RCM approach and RCM program was also explained. As one of the classic RCM approaches，COFA approach，which is much more suitable for engineers in power-plants， was detailed in this paper by comparing to traditional RCM approaches. The RCM Living Program based by COFA was also introduced. The importance of the RCM approach in a RCM program was emphasized by comparing the RCM Living Program based by COFA to the Equipment Reliability Process Description （AP-913）.

reliability； RCM approach； COFA； RCM program

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0267-07

TM623

A

1674-1617（2016）03-0267-07

2016-05-12

曾利民（1984—），男，湖北洪湖人，工程師，主要從事核電廠電氣設備可靠性管理工作。