RCM技術在CPR1000核電機組的創新發展與應用

楊立飛，陳 宇，江 虹，馬沂藎，青 晨，張 濤，武 濤，曹智鵬

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

大亞灣核電站自1998年引進以可靠性為中心的維修(Reliability-centered Maintenance，簡稱RCM)，1999年對試點系統凝結水抽取系統(CEX)RCM分析后，發現了影響汽輪機跳閘和機組停堆備用泵的隱蔽性故障模式，通過完善試驗方法、內容和頻度將備用泵可用率由33.3%提升至100%。鑒于RCM的良好應用成效，大亞灣和嶺澳一期核電站后期陸續開展超過100個系統的RCM分析[1-3]。然而，隨著核電機組的不斷增多、設備自動化與機械化程度的提高、核電技術人員的稀釋，傳統RCM分析方法在核電站的應用實施受到限制，表現出如分析資源投入大、分析資源配置平均化、設備類分析指導不足、定量化分析缺乏、自動化程度低等，因此如何在核電發展的新時期，減少RCM的資源投入、提升其應用成效，持續發揮RCM在維修優化領域的優勢作用，成為RCM在核電領域持續有效推行亟待解決的問題。基于大亞灣核電基地十余年的RCM應用實踐，RCM團隊經過總結和研究，創新性地提出了改進型RCM技術，即RtCM(Reliability and Technique Centered Maintenance，簡稱RtCM)以可靠性與技術特性為中心的維修，為提升RCM應用成效和活力提供了新的思路。

1 RtCM定義和應用優勢介紹

RtCM技術方法是對傳統RCM方法的改進和優化，繼承了RCM的主要流程和技術特點，在分析流程前端引入了分級理念、分析過程引入了維修模板、策略周期分析引入了定量化計算，更加注重關鍵設備分析資源的投入，是一種快速、高效的用于確定設備在其使用背景下維修需求的系統工程方法。

RtCM技術相對于RCM的改進和提升主要體現在如下三個方面。

(1)引入分級理念：分級管理是INPO AP 913先進管理流程的首要環節，RtCM方法將該理念合理的嵌入分析流程中，通過功能級故障影響分析和RTM(Run To Maintenance)準則評判，篩選出需要重點管理的系統設備以及允許運行至失效的設備，為后續分析資源的有效投入提供了目標對象。

(2)引入維修模板：維修模板集運維技術人員的技能于一體，按照設備類別全面性的給出了該類設備所有可能的失效模式，并結合其運行環境、使用頻度、重要度給出了針對性的維修策略，為RCM分析提供了有效的參考數據，弱化了對分析小組成員的技能依賴，提升了分析速度和分析質量，同時還為程序化開展RtCM分析和提高小組成員技能提供了支持。

(3)引入定量化計算：維修策略的實施頻度是維修策略的重要組成，RtCM方法基于設備故障歷史數據、現場維修及生產過程，按需構建了定量化的維修決策模型，尤其是重大關鍵設備，綜合決策其維修周期，如定量分析預防性維修及糾正性維修的經濟投入與產出，不同維修周期產生的設備失效率等，目前仍為熱點研究問題，國內學者也在積極開展相關工作[4-8]。

2 RtCM的7個問題和分析流程

2.1 RtCM的7個問題

與RCM分析過程類似[9]，RtCM開展維修優化工作同樣需要回答七個問題，具體如下。

(1)用戶需要設備提供的功能及相關的性能標準是什么？

(2)什么情況下設備無法實現其功能？

(3)哪些功能故障相關設備是值得管理的？

(4)引起設備失效的故障模式有哪些？

(5)故障模式發生后的影響及后果是什么？

(6)做什么可以預測或預防該故障？

(7)如果無法預測或預防該故障，如何管理其后果？

其中第三個問題強調了設備分級的理念，將待分析的設備分為值得管理與不值得管理的設備，按照重要度分析將資源配置于關鍵設備的分析中，實現了資源優化配置的目的。第四、六個問題的回答則需要借助于維修模板、現場維修反饋及定量化計算，以制定或優化設備維修策略。

2.2 RtCM的分析流程

RtCM與RCM分析的第①步、第②步相同，均是列寫系統的功能和功能故障[1]。RtCM的第③步是識別值得管理的設備，該設備來源于兩部分，一部分為Ⅰ類設備(見RtCM分析流程，圖1)，該類設備相關的功能級故障影響符合故障嚴重度判斷準則；另一部分為Ⅱ類設備，該類設備相關的功能故障雖不符合功能故障嚴重度判斷準則，但該類設備不允許運行至失效(即不符合RTM準則，Run To Maintenance)，亦作為維修策略分析的主體；其他均為Ⅲ類設備，均執行糾正性維修。

圖1 RtCM分析流程Fig.1 RtCM technology flow chart

(1)功能故障嚴重度判斷準則示例

安全/環境影響：導致核安全降級、導致工業安全風險上升、導致重要設備冗余度下降。

生產影響：導致停機停堆、導致降負荷。

(2)RTM評判準則示例

設備故障后維修恢復實施困難、更換成本高，或導致其他設備運行成本增加，或會導致其他設備故障。

RtCM的第④步、第⑤步為故障模式分析、故障影響及后果分析，在RCM的基礎上引入維修模板，按照設備類給出全面的故障模式、運行環境、使用頻度、重要度，在分析過程中與待分析的設備相結合，并選擇和制定適應性維修策略。

RtCM的第⑥步為預測及預防性維修任務制定，在RCM的基礎上引入定量化計算，如對生產相關的設備從經濟投入上考慮，分析其是糾正性維修合理還是預防性維修合理。

RtCM的第⑦步與RCM相同，如果無法預防或預測某一故障模式，則需要選擇合適的措施管理其故障后果。

3 RtCM技術在CPR1000核電機組的應用

RtCM技術經過逐步完善，從2014年至2019年在CPR1000核電機組完成多個系統的應用分析，優化了設備維修策略，縮短了分析時間，提升了分析效力，取得較好成效。

3.1 分級理念在RtCM分析中的應用

汽水分離再熱系統GSS是介于汽輪機高壓缸和中壓缸之間的一個蒸汽除濕加熱系統，主要功能是除去高壓缸輸出蒸汽中約98%的水分，同時提高進入中壓缸蒸汽的溫度，使之成為過熱蒸汽。該系統覆蓋機電儀多類設備，包括水泵、閥門、孔板、溫度儀表、壓力儀表、電機和電動頭等，設備數量約300個。通過引入分級理念，在重要設備識別階段，識別出GSS系統可接受糾正性維修的設備達到30.1%，減少了后續需要進行詳細故障模式、故障影響和維修策略分析的設備數量及分析資源投入(見表1)。

表1 識別出GSS系統可糾正性維修的設備比例Table 1 Proportion of equipment that GSS systems can perform corrective maintenance

根據多年RtCM分析經驗，RtCM分析在重要設備識別階段，能夠識別出20%～40%可接受糾正性維修的設備，其占比與系統重要程度有關。

3.2 維修模板在RtCM分析中的應用

在傳統RCM分析過程中，需要項目組成員召開會議，詳細分析和列寫每個設備的故障模式，并根據其故障影響和故障后果，制定或優化其維修策略，該環節時間投入占整個項目的1/3以上。RtCM分析引入了維修模板，維修模板集成了專家智慧，給出了該類設備較為全面的故障模式，并通過待分析設備相關的“重要度、使用頻度、運行環境”三個維度，給出了適用、合理的維修策略，大大縮減了RtCM分析時間。

如下，以一回路冷卻劑系統RCP212VP閘閥為例，對維修模板的應用和維修策略的制定過程進行了說明。表2給出了閘閥的維修模板(部分內容)。表2中給出了閘閥的組成部件、部件故障模式、維修策略，以及適用于不同“重要度、使用頻度、運行環境”設備的實施周期。閘閥RCP212VP處于反應堆廠房內，日常無法接近，閥門對應的“重要度、使用頻度、運行環境”為CLS，實施周期對應CLS列周期，結合RCP212VP閥門所處地理位置、上下游設備布置，對維修模板給出的維修任務適用性進行了逐條核實，核實情況如表2的“任務適用性分析”列。同時結合閘閥RCP212VP可實施的維修窗口、法規要求，對維修周期進行了合理優化，最終的維修任務如表3所示。

表2 閘閥維修模板(部分內容)Table 2 Gate valve preventive maintenance template (partial content)

表3 結合維修模板制定的RCP212VP閘閥維修策略Table 3 RCP212VP gate valve maintenance strategy based on preventive maintenance template

根據RtCM分析經驗，使用維修模板制定或優化設備維修策略，該環節可節省約40%的工作量，且豐富的故障模式信息及維修策略，降低了對小組成員的技能要求，提升了分析效率。

3.3 定量化分析在RtCM分析中的應用

RtCM方法在維修策略周期制定過程中強調定量化分析，對重要設備的決策結合其生產過程、維修需求等構建定量化分析模型，分為經濟性模型和安全性模型。以下以循環水處理系統CTE為例對其相關設備預防性及糾正性維修的定量化經濟模型進行了構建和決策說明。

某核電廠CTE制氯系統生產NaClO溶液，用于加注至循環水過濾系統CFI中，消殺和抑制冷源系統中的海生物。CTE系統連續生產的NaClO溶液分別存放至兩個玻璃鋼儲罐，通過管線排至CFI系統海水中，如果一個儲罐老化或腐蝕破損，則需要通過CTF系統向下游加注外購的NaClO溶液，以滿足海生物消殺需求；在此期間，維修人員需要購置新的玻璃鋼罐，并進行現場安裝，直到恢復玻璃鋼罐可用性后才停止加注外購的NaClO溶液。目前玻璃鋼儲罐執行N年一次的內部檢修維護，根據現場維修人員及廠家反饋，玻璃鋼罐在當前使用狀態下的自然老化周期為MTBF1年，如果定期檢查和按需修復，使用壽命可延長至MTBF2年。該CTE系統加注NaClO溶液簡化后的系統流程如圖2所示。

圖2 CTE系統簡化流程圖Fig.2 The CTE system simplifies flow diagram

為明確是否有必要對玻璃鋼儲罐進行預防性維修及其收益情況，RtCM項目組成員經過全面信息了解和模型構建，對該兩個罐子執行預防性維修費用Cp及糾正性維修費用Cc費用進行了定量分析和對比，計算模型如公式(1)、公式(2)：

Cp=(L/N)×2×Y+(L/MTBF2)×2×D

(1)

Cc=(L/MTBF1)×2×D+(L/MTBF1)
×2×t×X

(2)

式中:Cp——預防性維修費用;

Cc——糾正性維修費用;

L——核電站的壽期;

N——維護周期;

Y——每次每個玻璃鋼罐子檢修及修復平均費用;

X——外購每噸NaClO溶液的價格;

t——玻璃鋼罐故障后更換所需時間;

D——每個玻璃鋼罐子的購買和運輸總價;

MTBF1——無修復條件下玻璃鋼罐的平均故障時間間隔;

MTBF2——玻璃鋼罐在定期維護下的平均故障時間間隔。

參數如表4所示。

表4 CTE系統定量化分析參數列表Table 4 CTE system quantitative analysis parameter list

將各參數帶入公式(1)、公式(2)后，Cc-Cp=156-110=46萬元，因此，在核電機組的壽期內，玻璃鋼罐執行2年一次的預防性檢查維護相對于糾正性維修而言可節省46萬元，因此預防性維護更經濟。

3.4 RtCM分析在CPR1000機組中的應用成效

RtCM技術在CPR1000核電機組得到廣泛應用，提升了電廠系統設備的可靠性和可用性，分析成顯著：(1)為電廠維修大綱的制定提供了依據，使得維修大綱具有可追溯性；(2)加強了系統設備的安全性和環境保護，降低了其故障發生的風險；(3)發現了可能導致停機停堆、降功率的故障模式，并進行了維護管理，消除了潛在生產隱患；(4)提高了設備的使用性能，延長了重要部件的壽命，提升了經濟效益，如僅GSS系統壽期內就節省維修費用225萬元；(5)提出了系統設備技術改造需求，系統的設計/運行/維修程序及文件得到系統梳理、糾錯和改進。目前，多個CPR1000機組的核電廠制定了5年規劃并持續開展RtCM分析，僅2014年至2019年CPR1000機組共開展83個RtCM系統分析，年度分布量見圖3。

圖3 2014至2019年CPR1000機組RtCM分析數量Fig.3 RtCM analysis quantity of CPR1000 units from 2014 to 2019 year

4 RtCM技術的應用展望及提升方向

實踐證明，改進后的RCM技術(RtCM)克服了RCM分析資源投入相對大，分析速度慢、分析效能低、定量化分析不足的弱勢，較好地適應了新時期核電廠系統設備的維修優化需求，取得了良好的成效，未來RtCM技術有望應用于更廣泛的領域。與此同時，RtCM技術仍有不足之處，需不斷完善：(1)維修模板需要不斷優化，使其適用于更廣泛的設備應用背景；(2)維修策略的定量化分析模型需要結合概率安全分析計算，進一步平衡機組安全及經濟投入之間的關系；(3)建立RtCM軟件分析平臺，進一步提升RtCM分析效率，滿足更多企業用戶的需求。