基于維修規則的一回路海水系統可用性指標開發研究

李 云

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

美國核電廠自1996年正式實施維修規則(MR)至今，已有20余年，其機組平均能力因子水平大幅提升，平均換料大修時間顯著減少，平均重大事件次數逐步降低，核電廠業績處于世界領先水平[1-4]。美國核電實施維修規則的實踐經驗對中國核電發展具有非常重要的參考價值及借鑒意義。2017年國家核安全局發布《改進核電廠維修有效性的技術政策(試行)》，鼓勵各核電廠采用試點、示范方式逐步開展相關研究；并明確要求對申請運行許可證延期的核電廠，必須在批準之前建立維修有效性評價體系(維修規則)[5]。秦山300 MW機組由于延壽需要，于2016年開始了維修規則試點工作。本文概述了維修規則的監管范圍、監管方式及實施流程，再以300 MW機組一回路海水系統為例，詳細介紹了依據歷史運維數據，利用正態分布開發維修規則范圍內構筑物、系統和設備(SSCs)可用性指標的方法，可供同行參考，以滿足國內核電廠執行監管部門技術政策的需求。

1 MR內容簡介

1.1 MR監管范圍

維修規則b條款[6]規定了其監管的范圍，主要包括：

b1：安全相關SSCs。在設計基準事故中/后，用以維持反應堆冷卻劑系統壓力邊界完整性的SSCs；實現安全停堆和保持安全停堆狀態的SSCs以及防止或緩解放射性事故后果的SSCs。

b2：部分重要非安全相關SSCs。核電廠最終安全分析報告(FSAR)中用于緩解事故或瞬態后果的SSCs；核電廠應急運行規程(EOP)中的SSCs；失效導致安全相關SSCs無法執行安全功能的SSCs；失效觸發非計劃停堆或安全系統動作的SSCs。

1.2 MR監管方式

維修規則a條款[6]規定了其監管的方式，主要包括：

a1：特殊管理。監測SSCs不滿足性能指標，則進行原因分析、采取糾正行動，設置a1目標，直至滿足設定目標后，進入a2管理。

a2：正常管理。監測SSCs滿足性能指標，則繼續保持原預防性維修、定期試驗等維修活動不變。

a3：定期評估。至少每個燃料循環，對維修活動有效性進行評估，持續改進不當之處。

a4：風險評估管理。開展維修活動之前，應對其可能引起的風險增量進行評估和管理。

2 MR實施流程

維修規則的實施主要分成兩個過程[7]：開發性能指標及執行性能監測，如圖1所示。主要流程包括：1)范圍篩選；2)風險重要性判定；3)性能指標開發；4)性能監測；5)定期評估；6)維修活動風險評估與管理。

圖1 維修規則流程圖

范圍篩選：首先從系統功能入手，分析出系統的MR功能，然后再識別出支持該功能實現的SSCs，即為維修規則管理范圍內的SSCs，范圍以外的SSCs繼續執行原有的維修大綱。

風險重要性判定：當PSA分析模型完備時，采用NUMARC93-01推薦的風險增加值(RAW)、風險減少值(RRW)以及堆芯損傷頻率(CDF)貢獻度來判定風險重要性；當缺少PSA分析模型時，采用NUMARC93-02推薦的“DELPHI RISK RANKING”專家判斷來確定風險重要性[8]。

性能指標開發：通常，性能指標分為兩層三類，一層是核電廠層級的性能指標，適用于所有的SSCs；另一層是系列或設備層級的性能指標，適用于具體的SSCs；第一類是可靠性指標(RPC)，即監測周期內SSCs的失效次數；第二類是可用性指標(APC)，即監測周期內SSCs的不可用時間；第三類是狀態監測指標(CPC)，即SSCs狀態表征參數，例如壁厚、泄漏率等。

性能監測：定期收集運行、維修、試驗等相關數據，結合開發的性能指標，開展SSCs維修有效性監測活動。對于滿足性能指標的SSCs，進行正常管理；對于不滿足性能指標的SSCs，采用特殊管理，直至滿足設定目標后，再改為正常管理。

定期評估：每個燃料循環對監測情況進行評估。評估內容包括：性能指標是否合理，糾正行動是否合適，可靠性與可用性是否平衡等。對于評估中發現的不合理/不合適的地方需要持續優化。

維修活動風險評估與管理：針對風險重要性高的SSCs，在開展預防性維修、糾正性維修或者修后試驗等維修活動之前，應對其可能引起的風險增量進行評估并對風險采取相應的措施進行管控。

3 指標開發

3.1 范圍篩選

秦山300 MW機組一回路海水系統滿足單一故障準則，由兩個獨立的回路構成；每個回路又包括兩個泵列(共A/B/C/D四個泵列)，由海水泵及相關閥門管道等組成。只要有一臺海水泵運行，本系統即可提供100%的容量，保證海水系統各用戶的用水要求。其功能與M310機組SEC系統功能類似，屬于安全相關系統。

一回路海水系統識別出一個MR功能，即在機組各種運行工況下把設備冷卻水系統、應急柴油發電機組冷卻器收集的熱負荷由兩條安全有關的冗余回路輸送到最終熱阱(大海)；針對MR功能，識別出支持該功能實現的SSCs及其失效模式清單，即為維修規則的監管范圍。因設備數量較多，僅以部分典型數據為例，見表1。

表1 MR設備及失效模式清單(部分)

3.2 風險重要性判定

NUMARC93-01推薦的風險重要性判定準則[7]如下：

RAW>2.00：如果假設此功能失效，由此帶來的CDF或LERF(放射性物質大量早期釋放頻率)風險增加值大于2，則認為此功能風險重要性高；

RRW>1.005：如果假設此功能100%可靠，由此帶來的CDF或LERF風險減少值大于1.005，則認為此功能風險重要性高；

90%CDF：如果某一項功能包含在若干割集中，這些割集遞減排序且累計對CDF的貢獻大于90%，則認為此功能風險重要性高。

一回路海水系統的PSA分析模型完備，利用分析軟件RISKSPECTRUM對4個泵列進行計算，其風險增加值RAW>2.00，根據風險重要性判定準則，判定為高風險重要性。

3.3 可用性指標開發

根據NUMARC93-01中性能指標開發的一般原則，一回路海水系統風險重要性高且運行，應按系列(泵列)層次開發可靠性指標及可用性指標。本文僅討論可用性指標開發。通常，在維修規則中采用不可用時間作為可用性指標。可用性指標基于自身的歷史運行數據，即通過給SSCs設置一個依據歷史數據的不可用時間，來判斷SSCs性能優劣。

為避免隨機失效造成的不可用時間增加，依據識別出的MR設備及失效模式清單(見表1)，收集統計4個泵列過去5年(2013—2017年)的不可用歷史數據，包括不可用時間和要求可用時間，并計算出不可用率，見表2。

表2 不可用歷史數據

注：不可用率=實際不可用時間/要求可用時間。

參考美國核電廠維修規則實踐，假設數據(不可用率)服從正態分布，按90%置信度要求反算出不可用時間。其中，監督周期為2個燃料循環，按30個月，21 600 h計算。正態分布函數的數學公式[9]為：

(1)

式中：μ——常數，隨機變量的均值；

σ——常數，隨機變量的標準差。

(2)

由式(2)得

t=σu+μ

(3)

對式(3)兩邊微分得dt=σdu

(4)

(5)

將式(2)(4)(5)代入式(1)，轉化為標準正態分布函數：

(6)

(7)

表3 標準正態分布函數表

依據表2中的不可用率數據，經過計算得：均值μ=1.40×10-2，標準差σ=1.57×10-2，代入式(7)則x=3.41×10-2，即90%置信度要求下的不可用率為3.41×10-2，則在2個燃料循環21 600 h內，單個泵列不可用時間的理論計算值為：21 600×3.41×10-2=736.56 h。

再收集統計出4個泵列最近兩個燃料循環(C16&C17)的實際不可用時間分別為：A列362.71 h，B列281.42 h，C列0 h，D列21.16 h。經歷史不可用數據驗證，理論計算值作為監督周期內的不可用時間指標值是合理的。

目前，一回路海水系統沒有采用在線維修策略，按歷史數據計算的維修不可用時間只適用于糾正性維修，還需要考慮預防性維修的時間。查詢系統預防性維修大綱，海水泵及相關閥門等主要MR設備的預防性維修周期均在3個燃料循環及以上，為平衡SSCs的可用性與可靠性，假設在監督周期內進行1次主要設備的預防性維修。

查詢技術規格書，當只有一條海水回路可運行時，應在72 h內恢復至兩條回路均可運行狀態，否則需要降模式運行直至冷停堆。由于本系統具有2個回路，每個回路包含2個泵列，1個泵列可用即可提供100%的容量，在單一故障準則下，選擇1個合適的泵列進行主要設備的預防性維修超過72 h，不會違反技術規格書限制。亦即可以不用考慮技術規格書中的允許維修時間限制，只需考慮采用維修經驗來確定預防性維修時間，例如：柴油機估計為336 h，水泵估計為168 h，閥門估計為48 h等。

因此，在一個監督周期內，作為最終性能指標的不可用時間應該是糾正性維修的時間加上一次海水泵預防性維修的時間，見表4。

表4 最終不可用時間

最后，需要特別強調幾點：1)對于在反應堆功率運行期間沒有開展預防性維修的系統設備，利用正態分布計算得出的不可用時間，只適用于糾正性維修；可用性指標還必須包括預防性維修時間;2)可用性指標必須包含一定裕度，避免隨機失效造成的不可用時間增加而突破指標值，但是也不能過于寬松而無法暴露出維修活動的問題;3)必須定期評估可用性等其他性能指標設置是否合理，持續優化評估中發現的不合理之處，才能不斷提升核電廠維修有效性。

4 結束語

依據歷史運維數據，采用正態分布反算要求置信度下的不可用率，進而得出不可用時間，該方法合理可行，能夠滿足執行技術政策的需求，具有行業參考價值。