維修規則范圍設備可靠性指標設定方法研究

李艷良

（中核武漢核電運行技術股份有限公司核動力維修技術中心，湖北武漢 430223）

0 引言

系統設備長期運行后，其性能會由于各種原因發生劣化，系統設備執行預定設計功能的能力，要靠有效的維修來維持。2017年8 月9 日，國家核安全局（NNSA）借鑒美國核管會（NRC）關于維修有效性的監管體系，發布《改進核電廠維修有效性的技術政策（試行）》，對我國核電廠實施維修規則提出指導意見。技術政策指出，應當對納入維修規則管理的構筑物、系統和設備（SSC）設置性能指標，用于判斷這些構筑物、系統和設備是否仍具備執行相應功能的能力。研究對維修規則體系文件開發過程中可靠性指標的設定方法，給出實例分析。

1 維修規則的監管要求

美國核管會提出的維修規則（MR）包括條款（a）和（b）兩部分內容，維修規則（b）部分規定了維修規則適用的SSC 范圍，維修規則（a）部分規定了4 項監管要求，其中（a）-（2）部分要求執照持有者應當證明在條款（b）所界定的系統或設備的性能或狀態能滿足預定要求，而是否滿足預定要求的判斷標準就是性能指標，可靠性指標是性能指標之一。為維修規則范圍內SSC 設定性能指標并進行監測是（a）-（2）條款內容，也是核電廠實施維修規則的重要環節。

2 可靠性指標的意義

可靠性是對SSC 完成預定功能能力的一個度量，本質上是一個概率值。國際標準化組織（ISO 8402）對可靠性的定義是：單元在給定的環境和運行條件下和在給定的時間內完成規定功能的概率[3]。這里的單元可以是一個元器件或者一個設備，也可以是一個系統。通常用時間間隔（0，t）內的失效次數來表示單元的可靠性更直觀，在時間間隔（0，t）內失效次數越少，表明單元的可靠性越高。維修規則中用失效次數來表示SSC 的可靠性，可靠性指標的意義是SSC 在連續2 個燃料循環內發生不超過多少次的功能失效。

3 可靠性指標的設定方法

可靠性指標按照維修規則功能的風險重要度來確定，可靠性指標是設置在電廠層級、系統層級、列級或設備級。風險重要度高的SSC 都要設置可靠性指標，對于低風險備用功能也需要設置可靠性指標，此處的備用是指SSC 的功能是備用的，即如果一項SSC 只有通過自動或手動指令信號予以啟動才執行其預定功能的話，則該SSC 是處于備用狀態。除此以外，SSC 的功能是正常運行所需要的。

3.1 功能組的可靠性指標設定

經過維修規則范圍篩選，每個維修規則功能都有一組設備來支持功能的實現，這樣的一組設備稱為功能設備組或功能組。在設備的壽命周期中，故障率函數呈現著名的浴盆曲線形式，即：早期的故障率遞減期，中期的故障率近乎為常量，后期的故障率遞增期。在設備的正常使用期，設備的故障率可簡化為常數，這意味著在正常使用期，設備的性能狀況不再惡化，而是發生隨機故障，直到性能開始降級，也就是進入耗損期。

Rs（t）的意義是，在一段時間內發生不超過S 次失效的可信度，如果Rs（t）95%，則表示在一段時間內發生不超過S 次失效的可信度超過95%，也表示發生超過S 次失效的概率在5%以下，是個小概率事件。

3.2 功能組的可靠性指標設定步驟

功能組可靠性指標的設定包含初步計算、概率驗算和最終確定3 步。

3.2.1 初步計算失效次數

設備的失效模式分為需求失效和運行失效2 類，如泵的啟動失效、閥門的打開/關閉失效這類發生狀態轉換的故障都屬于需求失效，而閥門不能保持關、泵的運行故障這類不發生狀態改變的故障模式屬于運行失效。假如組內含有i 個設備，功能組的失效次數計算方法為：

其中mi為第i 個設備2 個循環內的需求次數，pi為第i 個設備單次需求失效概率，i為第i 個設備的運行失效率，Ti為第i 個設備2 個循環內的運行時間，為該功能組的預期失效次數。

對于單個設備的需求失效概率和運行失效率，電廠的概率安全評價（PSA）中已經模化，可以運用PSA 軟件進行計算。如果1 個燃料循環為18 個月，設備在2 個燃料循環中的需求失效次數和運行時間取值方法建議如下：對于連續運轉的泵/風機，2個燃料循環內運行時間一般為去掉大修時間的有效運行時間，取30 個月；對于故障模式為不能保持開的閥門，其運行時間也取30 個月；閥門的電源開關和接觸器運行時間按動作1 次2 min 計算，閥門開關1 次按4 min 計算；泵/風機的需求次數可根據定期試驗周期來定，比如每月1 次的泵啟動試驗，在2 個燃料循環內需求次數為30 次。

3.2.2 概率驗算

假定功能組的預期失效次數S，計算功能組2 個循環內設備失效次數S 次的概率Rs（t）。通常是假定S 為0 次、1 次、2次進行試算。取Rs（t）95%對應的失效次數作為初步的可靠性指標。

3.2.3 最終確定

3.3 備用設備的可靠性指標設定

備用設備的需求失效只有成功和失敗2 種結果，其失效分布為二項分布，假如設備的需求失效概率為p，需求次數為m次，發生r 次失效的概率為：

需求失效概率可參考電廠的PSA 分析結果，設備的需求失效次數設置方法同上。

設定備用設備的可靠性指標時，首先計算設備在2 個燃料循環中的預期失效次數mp，然后取整代入式（5）中進行驗算，取P（r）95%對應的失效次數作為初步可靠性指標，同樣經過綜合權衡后確定最終的可靠性指標。

3.4 無失效數據的可靠性指標設定

非風險重要類SSC 在電廠的PSA 中沒有分析，沒有失效率數據，則可采用歷史數據分析法設定可靠性指標。其方法為：搜集功能組內所有設備的歷史失效數據，數據來源一般為工單、事件報告、狀態報告；篩選出與導致維修規則功能失效的設備相關的歷史數據，注意剔除運行操作失誤、設計缺陷、外部環境導致的功能故障，因為這些不屬于維修可預防的功能故障（MPFF）；根據連續2 個燃料循環內導致功能失效的次數，綜合考慮后設定為可靠性指標。

4 計算舉例

某核電廠安噴系統1 組設備的可靠性指標設定過程如下。

4.1 初步計算

首先計算組內設備在2 個燃料循環內的預期失效次數，根據式（3）計算的本組內設備所有預期失效次數之和為0.190 次（表1）。

4.2 概率驗算

取0.190 作為泊松分布的數學期望，分別計算失效次數為0次、1 次、2 次的概率，根據式（2）計算的結果見表2。

根據計算結果，可靠性指標初步確定為2 個循環內失效1次或2 次。

4.3 最終確定

綜合考慮因素有組內設備的歷史失效次數、技術規格書限制、主設備安噴泵的維修時間。結果如下：經查組內設備的歷史失效信息，在過去的連續2 個燃料循環內，本組設備曾發生了1 次維修可預防的功能失效；在技術規格書中，1 列安全殼噴淋泵不可運行，需要在7 天內恢復運行；主設備安噴泵的修復時間約為7 天。

根據本系統的歷史失效情況，可靠性指標設為1 次能反映系統當前的可靠性狀態，考慮到安全殼噴淋系統的實際配置（有2 列獨立的噴淋泵組），在2 個燃料循環內允許單列泵組失效1次。如果能有效維修，仍可保證系統的可靠性的。如果設為2 次與當前系統的可靠性水平不相符。

5 總結

設定的性能指標應能對SSC 維修的有效性起到監測作用，設定的性能指標數量不易過多，以免增加管理的負擔，也不宜太少，以至于監測不到SSC 的降級。此外，設置可靠性指標的目的是為了更好地監測，促使核電廠改進維修。在維修規則體系建立之初，建議按照當前的可靠性水平設置可靠性指標，一段時間之后再尋求系統設備可靠性的改進，設置更嚴格的指標，追求更好的業績。

表1 某電廠安全殼噴淋泵單列可靠性指標計算表（示例）

表2 概率驗算表