改進型RCM維修優化技術在核電廠主變壓器的應用實踐

馬海龍,江 虹,張 圣

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

確保核電廠系統、設備具有足夠的可靠性是實現核電廠安全和運營業績穩步提升的重要保證。維修優化技術作為保障核電廠系統和設備使用可靠性的重要方法，是設備管理和維修領域研究的熱點。以可靠性為中心的維修(Reliability Centered Maintenance,簡稱RCM)是國際上通用的、用以確定設備預防性維修需求、優化維修策略的一種系統工程方法[1-2]。自20世紀80年代，美國電力科學研究院(EPRI)將RCM技術從航空業引入核能領域以來，解決了核電廠定期檢修帶來的“維修不足”和“維修過度”的問題，顯著提升了核電機組的安全性和設備的可靠性，有效降低了運行維護成本。但由于RCM技術要廣泛適用于航空、電力、石油、化工和鐵路等工業領域，決定了其在技術方法、決斷邏輯等方面的針對性不強，在核電廠實施RCM分析過程中存在資源投入大、分析周期長、分析結果主觀性強等不足，阻礙了其在核能領域的進一步推廣應用[3]。為此，本文結合RCM的技術特點和核能領域RCM分析的實踐經驗，通過融合INPO AP-913(設備可靠性管理程序)中設備關鍵度分級和技術特性分析，形成了一種改進型RCM維修優化技術，并將其應用于核電廠常規島電氣設備中唯一受核安全監管的發電機出口升壓變壓器(核電廠主變壓器)的預防性維修大綱優化，為核電廠高電壓大容量的主變壓器安全、可靠、經濟運行提供了技術保障。

1 改進型RCM維修優化技術介紹

改進型RCM維修優化技術是在傳統RCM實踐應用的基礎上，融合INPO AP-913設備可靠性管理理念，在分析過程中引入了設備關鍵度識別和技術特性分析，結合維修模板數據庫等資源，優化分析流程和決斷邏輯，是一種經濟高效的用以確定設備預防性維修需求、優化維修策略的一種系統工程方法。與傳統RCM分析過程類似[4]，改進型RCM分析主要集中于以下8個問題的提問與回答。

1)用戶需要設備提供什么功能及相關的性能標準是什么(功能分析) ？

2)什么情況下設備無法實現其功能(功能故障)？

3)功能失效后會導致哪些故障后果(功能故障及后果分析)？

4)哪些功能故障相關設備值得管理(設備關鍵度分類)？

5)引起設備失效的故障模式有哪些(故障模式分析)？

6)故障模式發生后的影響及后果是什么(故障影響分析) ？

7)什么工作能預防或預測該故障模式(維修策略分析)？

8)如果無法預防或預測該故障模式，如何管理其后果(故障后果管理)？

在具體分析過程中通過設備分類識別將設備分為需要進行管理的設備和不需要進行管理的設備，其中需進行管理的設備主要來源于兩類：①功能故障后果分析對應的重要功能，支持該重要功能完成的全部設備。②對于非重要功能關聯的設備，按照RTM判斷準則進行二次篩選，對于滿足如表1 RTM篩選準則中任意一條的納入需進行管理的設備范圍。

表1 RTM篩選準則Table 1 RTM screening criteria

對于RTM篩選后不需要管理的設備可直接讓其運行至維修或更換(執行糾正性維修)。將分析工作集中于需要進行管理的設備，實現分析資源的優化配置，并充分利用設備類維修模板數據庫，減少重復分析，并對設備開展技術特性分析，即按照設備的重要度、使用頻度和運行環境等不同維度的組合選取針對性的維修策略，提升分析效率和質量。其主要分析流程如圖1所示。

圖1 改進型RCM分析流程圖Fig.1 Improved RCM analysis flow chart

2 RCM技術在核電廠主變壓器中的應用

某核電基地一期工程有2臺CPR1000核電機組，每臺機組分別擁有一組1200 MVA主變壓器按“發電機-斷路器-變壓器組”的單元接線方式與GIS開關站相連，向500 kV電網供電。每組主變壓器由3臺DFP-40000/500TH型單相變壓器組成,其主要技術參數如表2所示。

表2 DFP-40000/500TH型主變壓器技術參數表Table 2 Technical parametersof the DFP-40000/500THmain transformer

2.1 邊界定義

通過對主變壓器邊界定義明確分析范圍，防止設備遺漏，根據輸電系統(GEV)接線圖定義邊界如下：低壓側與同步并網(GSY)系統分相隔離強迫空氣冷卻封閉母線相連，以低壓側軟連接為界；高壓側與開關站SF6絕緣母線(GIC)相連，以高壓套管為界；中性點側以隔直裝置接地點為界。

2.2 功能分析

通過主變壓器系統設計手冊(SDM)和設備運行維護手冊(EOMM)等資料對主變壓器的主要功能和輔助功能進行分析，如圖2所示。由于主變壓器結構復雜，功能較多，本文以主變壓器冷卻功能為例進行說明。

主變壓器冷卻系統的主要功能是通過強迫油循環導向空氣冷卻器對運行中變壓器的鐵心、繞組等所產生的熱量進行冷卻，使變壓器不至因溫升過高而損壞。

2.3 功能故障及對應的故障后果

功能故障包括功能的完全失效或部分失效，導致用戶期望的功能指標不能滿足要求，對于變壓器冷卻失效將導致變壓器冷卻功能完全喪失或者冷卻效率降低。導致變壓器鐵心、線圈內部溫度升高，長時間運行會導致變壓器內部熱點溫度過高從而損壞變壓器固體絕緣，影響變壓器的正常運行與使用壽命，重要度高。

2.4 設備分類識別

通過設備分類識別篩選出需要進行管理的設備，根據工藝流程圖分析,該主變壓器冷卻系統共配有4組冷卻器。每組冷卻器包括1臺油泵及3臺風機。各冷卻器組整組投入或切除。

支持變壓器冷卻功能的設備主要有：冷卻器、風機、潛油泵、油流繼電器、冷卻器控制柜、蝶閥和管道等。根據以上設備分類準則(滿足判斷準則①)識別為需管理的設備。

圖2 核電主變壓器功能分析Fig.2 Functional analysis for the main transformer

2.5 故障模式與故障影響分析

在確定需管理的設備清單后，對清單設備逐個進行故障模式與故障影響分析。潛油泵是強迫油循環變壓器的關鍵設備，也是冷卻系統的唯一動力來源，它的可靠運行直接關系到變壓器的冷卻效果和安全穩定運行，本文分析的潛油泵為國內某廠家生產的盤式電機油泵，采用軸向氣隙感應電機，電機直接嵌入泵殼內裝配，其電動機轉子安裝在油泵葉輪上組成泵機一體,額定流量為135 m3/h,額定流量時的揚程為4.6 m，轉速為900 r/min。根據潛油泵EOMM并結合內外部經驗反饋信息對潛油泵分析如表3所示。

表3 潛油泵故障模式與故障影響分析表Table 3 FMEA analysis for the submersible pump

2.6 維修策略分析

在進行維修策略分析，需根據決斷邏輯綜合故障后果、故障模式特性、維修技術可行性及經濟性等多方面因素，考慮如何通過狀態監測、定期翻新、定期更換、定期試驗來管理故障，將故障導致的風險降低至可容忍的程度，若無法通過預防性維修策略來管理故障時，可通過設計改進等方式來將風險降低至可接受的程度。

結合潛油泵設備類維修模板數據庫和故障歷史數據對潛油泵進行維修策略分析，確定潛油泵的維修任務如表4所示。

表4 潛油泵維修任務匯總表Table 4 Maintenance task summaryof the submersible pump

2.7 維修任務匯總

由于每個設備具有多種故障模式，而每個故障模式也可能存在多種維修任務同時對該故障模式進行管理，在對各設備維修決策分析的基礎上，按照執行專業，周期等順序匯總所有維修任務，完成預防性維修任務匯總表，并與變壓器相關行業法規標準(比如DL/T596 電力設備預防性試驗規程等)進行對比分析，確保相關法規標準得到遵守，重要設備預防性維修任務沒有遺漏，進而形成最終的預防性維修大綱。

2.8 分析成果

通過與優化前主變預防性維修大綱比較分析，新增任務3項、刪除任務1項，周期延長2項，周期縮短1項，具體變化項如表5所示。

表5 預防性維修大綱優化前后對比表Table 5 Comparison of the preventive maintenanceprogram before and after optimization

通過延長存在過度維修的預防性維修任務的周期(含取消不必要的維修任務，可認為優化后周期為無窮大)，減少了維修風險的引入，同時降低了維修產生的人工費、消耗品費用和備品備件費用等。通過縮短存在欠維修的預防性維修任務的周期(含新增預防性維修任務，可認為優化前周期為無窮大)，有效管理了安全和生產相關的故障后果，保障了設備的運行可靠性。

此外，對在分析過程中發現的設計隱患，提出了工程改造建議。比如：針對主變總動力箱及冷卻器控制柜照明和加熱器回路共用一路電源，存在照明和加熱器回路發生短路故障導致主變冷卻器全部停運的風險，提出將主變總動力箱及控制柜照明和加熱器回路電源改造為獨立供電方式，以保障變壓器的可靠運行。

3 結論

改進型RCM維修優化技術是在傳統RCM實踐的基礎上，通過融合INPO AP-913 設備可靠性管理理念形成的一種經濟高效的確定設備維修需求、優化設備維修大綱的系統工程方法。本文將其應用于核電廠主變壓器的預防性維修大綱優化，取消或延長了部分大綱項目，降低了維修成本，同時減少了維修風險的引入，新增了一些管理嚴重故障后果的維修任務，降低了嚴重故障的發生概率，進一步提高了主變壓器的運行可靠性，同時對分析過程中發現的可靠性薄弱環節提出了改進建議，為核電廠主變壓器的安全穩定運行提供了技術保障，也為核電及其他領域推行可靠性維修優化技術提供了參考。