以可靠性為中心的維修在CAP1400爆破閥中的應用

李 瑋，尹緒雨，楊 濤，簡海林，俞照輝

（國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

0 引言

RCM（Reliability Centered Maintenance，以可靠性為中心的維修）是目前國際上通用的、用以確定資產預防性維修需求、優化維修策略的一種系統工程方法。它向用戶提供一個邏輯圖，按照邏輯圖，使用戶根據故障后果以及故障模式技術特點的不同，按照狀態監測、定期維護、定期更換、定期試驗、糾正性維修、設計變更等維修類型的順序，選擇合適的維修方式來管理設備的故障模式，從而提高設備的可靠性，降低維修成本。

CAP1400爆破閥是在AP1000核電廠爆破閥基礎上開發出來的，以適應CAP1400核電廠需求的，具有我國自主知識產權的爆破閥，主要用于控制CAP1400核電廠的事故后緩解、建立反應堆非能動的安全殼再循環、使反應堆的堆芯余熱（剩余衰變熱）能夠順利導出。爆破閥是CAP1400核電站安注、泄壓和噴淋系統上的核心控制組元，是啟動非能動安全系統維護核島安全的關鍵設備，屬于核一級部件，是CAP1400第三代壓水堆核電的核心技術之一。保障爆破閥的可靠性，不僅是核電站安全運行的先決條件，也是事故工況下延長事故響應時間，緩減事故故障后果，降低事故處理成本的保證。因此非常有必要在CAP1400爆破閥上應用RCM。

1 RCM技術分析流程

（1）邊界劃分。邊界就是具有功能關系的設備集合體，而邊界劃分則把該集合體分解為若干互不包含的元素，以確保RCM分析對象的獨立性和準確性，并防止分析范圍過大或過小而影響整個系統RCM分析的進度和質量。邊界可為設備邊界或者系統邊界。下面為爆破閥進行設備邊界劃分。

（2）設備/部件分級。根據 SSC（Structures，Systems，Compo-nents，構筑物，系統，部件）的關鍵度將其分為3類，即關鍵部件、重要部件以及運行至失效（RTF，Run To Fail）。

（3）FMEA（Function，Failure，Failure Mode&Effect Analy-sis，功能、故障、故障模式、故障后果分析）。按嚴密的邏輯分析原則依次分析系統構成元素的功能、故障、故障模式和故障后果及類型，將有安全性故障后果、隱蔽性故障后果和對整個系統有嚴重使用性故障后果的故障歸納、記錄為重要故障模式匯總表。

（4）LTA（Logic Tree Analysis，邏輯決斷分析）。針對重要故障模式匯總表中的每一故障，確定故障對應元素合適的維修工作類型。

2 CAP1400爆破閥的RCM技術分析

2.1 爆破閥邊界劃分、設備/部件分級以及風險分析評定

CAP1400爆破閥為重要設備，其邊界劃分可根據其重要零部件來進行。以拉緊螺栓、點火器、閥體、閥蓋、閥蓋C形環、閥蓋螺栓、剪切蓋、活塞、法蘭墊片為例進行分析。其中，關鍵部件有拉緊螺栓、點火器、剪切蓋、活塞；重要部件有閥體、閥蓋、閥蓋螺栓；運行至失效部件有閥蓋C形環、法蘭墊片。

風險分析評定是一種用于確定每種故障模式故障后果的保守方法。分級包括了依靠操作人員的反應及干預以避免已被定義的故障后果。風險等級矩陣的劃分見表1，其中，S為嚴重性，L為可能性。

嚴重性（S）：3——導致重大失去動力或反應性事件的故障；2——導致最小程度失去動力事故的故障；1——沒有導致失去動力事故的故障。

可能性（L）：3——預期故障發生率最高；2——預期故障發生率中等；1——預期故障發生率最低。

風險等級（RR）=嚴重性（S）×可能性（L）。風險等級（RR）：9——最大嚴重性——最大可能性；6——（中等嚴重性—最大可能性）或（最大嚴重性—中等可能性）；4——中等嚴重性—中等可能性；3——（最小嚴重性—最大可能性）或（最大嚴重性—最小可能性）；2——（最小嚴重性—中等可能性）或（中等嚴重性—最小可能性）；1——最小嚴重性—最小可能性。

在一個事件中，故障模式分為嚴重性及可能性。大多數爆破閥的故障模式的可能性為“1”，出現的概率最低，雖然該故障模式被設定出來，但不可能發生。

表1 風險等級（RR）矩陣

2.2 CAP1400爆破閥FMEA

FMEA是一種歸納分析系統性細節的技術，以逐個部件為基礎，識別故障模式以及對系統或周邊部件推測其產生的故障后果（圖 1）。

圖1 FMEA流程

爆破閥FMEA的工作是對爆破閥每個部件逐個對進行故障模式分析，然后分析其結果對系統或周圍部件的影響，每個部件會形成一套譜系。CAP1400爆破閥故障模式和故障分析匯總如下。

2.2.1 拉緊螺栓

部件功能：淤在額定載荷下斷裂；于在設計失效位置斷裂；盂在不同加載率下斷裂；榆固定活塞在初始位置；虞裝配時為活塞提供拉力。

（1）低載荷下斷裂模式。

原因：淤材料變質；于加壓速率過慢；盂疲勞斷裂；榆輻射；虞螺栓已斷；愚腐蝕。

后果：淤閥門無法全開或部分開啟（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

（2）其他斷裂失效模式。

原因：淤活塞故障；于火藥失效；盂火藥不足；榆活塞室泄漏；虞螺栓材料變質；愚裝配錯誤。

后果：淤閥門無法開啟（使用性后果）；于活塞室超壓（安全性后果）；盂堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.2 點火器

部件功能：淤接收電子脈沖信號；于起爆火藥室的爆破組件。（1）點火失敗。

原因：淤電子連接短路；于點火器老化；盂S-glass失效；榆電纜橋接不連續。

后果：淤閥門無法開啟（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

（2）點火正常但藥量不足，難以以點燃腔室的火藥。

原因：淤火藥填充不足；于因密封不足的點火器；盂ZPP老化；榆點火器圓盤故障。

后果：淤閥門無法開啟（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

（3）結構故障。

原因：淤螺紋失效；于螺紋腐蝕；盂S-glass失效。

后果：無法裝配（非使用性后果）。

風險等級（RR）：1（S）×1（L）。

2.2.3 閥體

部件功能：淤壓力邊界和火藥邊界；于閥門爆破前后維持閥門各組件的位置，同時維持閥門在管道中的位置。

（1）失去壓力邊界或火藥邊界。

原因：淤材料缺陷；于過量的火藥超壓；盂水錘；榆沖擊破壞；虞地震；愚振動。

后果：淤閥門無法實現其功能（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）；盂LOCA（Loss of Coolant Accident失水工況模擬試驗）工況下失去冷卻（使用性后果）；榆再流通閥無法運行（使用性后果）；虞產生飛濺物（安全性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

（2）變形。

原因：殘余應力。

后果：淤活塞未對準（使用性后果）；于活塞卡滯（使用性后果）；盂閥門無法開啟（使用性后果）；榆堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

（3）閥體損毀。

原因：閥門爆破。

后果：淤閥門難以解體（非使用性后果）；于需替換閥體（非使用性后果）；盂停堆大修（非使用性后果）。

風險等級（RR）：2（S）×1（L）。

（4）閥體和閥蓋的連接螺紋失效。

原因：淤材料缺陷；于過量的火藥或水錘的超壓。

后果：淤發生LOCA事故（使用性后果）；于再流通閥無法運行（使用性后果）；盂產生閥門內漏（隱蔽的使用性后果）；榆產生飛濺物（安全性后果）；虞閥門無法開啟或部分開啟（使用性后果）；愚堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

（5）閥體和法蘭面之間的螺紋失效。

原因：淤材料缺陷；于水錘的過壓；盂螺紋失效；榆爆破時過載。

后果：淤發生LOCA事故（使用性后果）；于再流通閥無法運行（使用性后果）；盂產生閥門內漏（隱蔽的使用性后果）；榆產生飛濺物（安全性后果）；虞閥門無法開啟或部分開啟（使用性后果）；愚堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.4 閥蓋

部件功能：淤壓力邊界和火藥邊界；于閥門爆破前支撐部分閥門組件，保持火藥室的位置

（1）失去壓力邊界和火藥邊界。

原因：淤材料缺陷；于過量的火藥的超壓；盂地震；榆振動。

后果：淤閥門無法實現其功能（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）；盂發生LOCA事故（使用性后果）；榆再流通閥無法運行（使用性后果）；虞產生飛濺物（安全性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

（2）螺紋失效（閥蓋盤螺栓）。

原因：淤材質缺陷；于過量火藥或水錘導致超壓；盂裝配錯誤。

后果：淤發生LOCA事故（使用性后果）；于再流通閥無法運行（使用性后果）；盂產生閥門內漏（隱蔽的使用性后果）；榆產生飛濺物（安全性后果）；虞閥門無法開啟或部分開啟（使用性后果）；愚堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.5 閥蓋C形環

部件功能：密封活塞上部空間。

故障模式：流體內漏或氣體外漏。

原因：淤安裝位置錯誤；于鍍銀不一致；盂C形環不平整。

后果：淤閥門被淹（使用性后果）；于活塞卡滯（使用性后果）；

盂閥門無法開啟（使用性后果）；榆堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.6 閥蓋螺栓

部件功能：淤壓力/火藥邊界；于維持閥蓋的位置。

故障模式：失去壓力邊界或火藥邊界。

原因：淤材料缺陷；于火藥過量導致超壓；盂地震；榆振動。

后果：淤閥門無法實現其功能（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）；盂發生LOCA事故（使用性后果）；榆再流通閥無法運行（使用性后果）；虞產生飛濺物（安全性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.7 剪切蓋

部件功能：淤壓力邊界；于閥門爆破時剪切斷開；盂根據流量和L/D要求，構成閥芯密封面。

（1）泄漏或失去閥門完整性。

原因：淤材料缺陷；于蠕變；盂應力腐蝕開裂；榆系統超壓；虞輻射；愚地震；輿振動；余疲勞。

后果：淤密封面完整性破壞（使用性后果）；于閥門無法運行（使用性后果）；盂堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

（2）閥門爆破時剪切斷開失敗。

原因：淤活塞速度不足；于角度有偏差；盂材質缺陷和變質；榆輻射；虞溫度壓力的影響。

后果：淤閥門無法運行（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

（3）未提供適當的密封座。

原因：淤剪切蓋輪緣表面不規整；于閥體內輪緣彎曲。

后果：淤密封墊泄漏（使用性后果）；于改變系統壓力（使用性后果）；盂機組停堆（使用性后果）。

風險等級（RR）：2（S）×1（L）。

（4）未提供適當的L/D或流量。

原因：剪切蓋變形影響流道。

后果：淤減少流量（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.8 活塞

部件功能：推開剪切蓋，使流體通過閥門。

（1）拉緊螺栓或者活塞連接失效。

原因：淤材料缺陷；于腐蝕；盂裝配不適。

后果：淤剪切蓋無法推開（使用性后果）；于流體無法流動（使用性后果）；盂剪切蓋部分被推開（使用性后果）；榆堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

（2）活塞卡滯。

原因：淤腐蝕；于閥體損壞；盂被止動震干涉；榆因剪切蓋的厚度差異；虞活塞載荷不均衡。

后果：淤不能推開剪切蓋（使用性后果）；于流體無法流動（使用性后果）；盂剪切蓋部分被推開（使用性后果）；榆堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.9 法蘭墊片

部件功能：密封閥門法蘭面。

故障模式：泄漏。

原因：淤安裝錯誤；于材料缺陷。

后果：淤剪切蓋側溫度增加（使用性后果）；于反應堆冷卻液泄漏致房間（使用性后果）；盂房間被淹（使用性后果）；榆機組停堆（使用性后果）。

風險等級（RR）：3（S）×2（L）。

2.3 CAP1400爆破閥邏輯決斷分析與維修任務選擇

在確定設備維修需求的RCM邏輯決斷分析時，首先分析故障后果類型（隱蔽性后果、安全性后果、環境性后果、非使用性后果、使用性后果），然后按照故障特點確認維修類型。對非使用性后果故障以及預防維修成本高于故障維修的使用性后果故障，采用狀態監測；對隱蔽性后果故障，采用隱患檢測、定時報廢或更改設計；對安全性、環境性和使用性后果故障，采用視情維修、定期更換或定時報廢的維修手段。

假定原設計合理，不更改設計，用上述RCM邏輯決斷分析原則確定核心設備和分系統的維修工作類型如下。

（1）拉緊螺栓：狀態監測為主，視情維修為輔。

（2）點火器：定期更換。

（3）閥體：狀態監測為主，視情維修為輔。

（4）閥蓋：狀態監測為主，視情維修為輔。

（5）閥蓋C型環：定期更換。

（6）閥蓋螺栓：狀態監測為主，視情維修為輔。

（7）剪切蓋：狀態監測為主，視情維修為輔。

（8）活塞：狀態監測為主，視情維修為輔。

（9）法蘭墊片：定期更換。

3 結論

CAP1400爆破閥的RCM技術分析表明，大量故障適合采取狀態監測和視情維修的工作類型，在充分保障爆破閥可靠性的前提下，有望取得以下收益：淤爆破閥維修項目少、工期短；于爆破閥維修周期合理；盂爆破閥備品、備件的消耗費用和存儲費用合理。