核電廠關鍵敏感設備故障模式管理探索

韓 偉，趙國輝，周哲俊，滕建剛，黃瑩廣，史才義

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

關鍵敏感設備(Single Point Vulnerability，簡稱“SPV設備”)是指單一設備故障，將產生下列任意一項后果的設備：

1)引起自動或手動停堆、停機；

2)引起功率擾動，幅度≥10%FP；

3)非計劃進入LCO(運行限制條件)要求的降模式，無法在線檢修或不能在限期內完成修復的設備；

4)無法在線對其進行檢修，且該設備的故障使得機組無法保持長期穩定運行。

確保SPV設備可靠運行是電站設備可靠性管理的重點，是電站“減非停”工作的關鍵，也是提升電站設備可靠性的重要抓手。電站提升SPV設備可靠性最有效的措施是通過對SPV設備進行故障模式識別和失效分析，制定針對SPV設備全部故障模式的管控措施，來緩解SPV設備的功能失效。

目前,核電廠在制定預防性維修大綱過程中不同程度上考慮了設備的故障模式，但分析層次上僅停留在設備層面，不能有效的確定設備的失效部件及失效位置，從而導致依據此方法制定的預防性維修大綱缺乏針對性，有效性方面也存在不足，導致不能從根本上杜絕SPV設備功能失效事件的發生。

為有效解決上述問題，本文研究提出了適用于核電廠SPV設備全面故障模式分析和管控策略制定的技術方法和流程，以單個SPV設備為基本單元，全面分析SPV設備部件及其故障模式和失效影響，依次構建SPV設備部件、部件級故障模式、功能級故障模式、系統功能、失效監督參數和預防性維修項目等管控措施之間的對應關系，梳理關鍵敏感設備所有的預防性維修文件，甄別出關鍵敏感設備目前預防性維修文件中未覆蓋的故障模式，有針對性的進行改進，實現對關鍵敏感設備故障模式的全面和有效管理，降低機組非停風險，保障機組安全穩定運行。

1 全面故障模式管理的目標

自國內核電廠開展設備可靠性管理工作以來，已圍繞機組SPV設備開展了區域標識、SPV設備監督、SPV設備緩解策略分析等一系列工作，同時在電站的年度預算、人力資源需求、設計變更優先級等資源需求方面都對SPV設備相關管理活動進行優先投入，取得了一定的成效，但因SPV設備故障導致機組非計劃停機停堆的情況每年仍時有發生，因此有必要深入開展全面故障模式管理工作來解決目前面臨的困難局面。

全面故障模式管理的目標是從根本上杜絕影響SPV設備功能喪失事件的發生，實現對關鍵敏感設備的所有故障模式進行全面和有效的管理,主要包括：a)所有故障模式均已建立了管控措施；b)針對典型故障模式，建立了對應的失效參數并開展系統或設備監督；c)建立預維項目與故障模式之間的對應關系；d)預防性維修文件全面和有效，可以覆蓋關鍵敏感設備的故障模式。

2 關鍵敏感設備全面故障模式識別和失效分析流程

2.1 關鍵敏感設備全面故障模式識別和失效分析流程

設備故障模式識別與失效分析實施流程以選定分析的設備開始，以輸出該設備的故障模式管控措施(如失效監督參數以及系列化的預防性維修文件)為結果，主要實施流程如圖1所示。

圖1 SPV設備故障模式識別與失效分析流程Fig.1 The process of failure mode recognition and analysis on SPV

2.2 關鍵敏感設備全面故障模式識別和失效分析流程說明

2.2.1 選擇設備

目前國內運行核電廠普遍已開展過設備分級工作，一般來說對電廠的所有關鍵、重要設備開展設備故障模式識別與失效分析工作是有益的。但考慮設備故障模式識別與失效分析是一項耗時長、對分析人員能力要求較高的工作，建議優先選擇SPV設備開展故障模式識別與分析工作。

2.2.2 資料收集

開展故障模式識別和失效分析工作首先應做好資料收集工作，收集的資料包括但不限于：設備圖紙、設備分級分析報告、預防性維修模板文件、運行規程、系統流程圖、預防性維修大綱、在役檢查大綱、金屬監督大綱、定期試驗大綱和定期測量(化學、振動、熱紅外成像等)。

(1)梳理設備所有預防性維修文件

梳理針對該設備的所有預防性維修文件并形成清單，包括設備的預防性維修大綱、在役檢查大綱、金屬監督大綱、定期試驗和定期測量等所有旨在兩個預防性維修周期之間，為監測和緩解該設備出現非預期功能失效而開展的工作，都是廣義上的預防性維修文件。

(2)梳理設備失效參數

梳理該SPV設備現有的失效參數，包括系統監督參數和設備監督參數。

(3)構建標準設備類的故障模式分析數據庫

包括構建標準設備類部件庫、標準設備類部件級故障模式庫、標準設備類功能故障模式庫以及系統功能數據庫等，形成“部件—設備—系統”和“應對策略”三位一體的設備故障模式分析數據庫。

同時在構建故障模式數據庫時，為保障故障模式識別盡可能的做到“全面”，需要盡可能的拓寬故障模式識別的途徑，以下是幾條主要的途徑：

·參考標準設備類及部件故障模式清單；

·參考有類似功能和結構的設備及部件的故障模式；

·參考設備供應商提供的設備潛在故障模式清單；

·通過系統運行的功能參數和物理參數來推演；

·系統設備運行維修歷史數據；

·電廠工程師系統設備運行維護經驗。

2.2.3 劃分設備邊界

一般來說，設備邊界和電廠的設備編碼保持一致。但是為了保證分析的完整性，必須對邊界進行驗證。不同編碼的設備，只要是與設備功能相關，都應該包括在邊界以內一同進行分析。

2.2.4 識別故障部件

對每個設備功能失效，分析人員要識別會造成該功能失效的所有部件。列寫部件時，設備邊界內的所有部件都應包括進去，包括所有機械、電氣和儀表設備的部件。

對于凝汽器等此類大型設備，同種部件很多，而且不同位置的部件可能存在不同的故障影響，從而影響不同的設備功能。因此梳理大型設備的部件時，部件以“位置+部件”的方式進行描述，如“人孔法蘭”“人孔墊片”等。

2.2.5 分析部件故障模式

列寫完故障部件后，需要進一步分析部件故障模式。分析部件故障模式時，可以借助標準設備類部件故障模式數據庫，以簡化分析過程，減少人因失誤。

同時，同一部件通常具有多種故障模式，為清楚表示部件的不同故障模式，在列寫部件故障時可以采用“部位+故障”的方式對部件故障模式進行描述，如凝汽器海水室管板的故障模式表述為“管板微生物腐蝕(附著)”“管板機械損傷”等。

2.2.6 分析部件故障原因

針對每種可能的故障模式，都要深入分析故障產生的原因，來制定針對性的管控措施。分析故障原因時可以從是否滿足基本的使用條件、是否滿足規定的使用條件、是否存在設計或制造上的缺陷、是否為人為因素導致等方面進行考慮。

2.2.7 分析部件故障時間相關性

通過分析部件故障時間相關性，優化設備的預防性維修周期。

2.2.8 分析導致的設備功能故障

為進一步分析部件故障對設備功能的影響，應建立部件級故障模式與設備功能故障模式之間的對應關系。

2.2.9 計算部件故障模式影響權重

不同的部件故障模式對同一設備功能的影響程度不同。為制定更加具有針對性的監督參數和預防措施，使對設備功能影響大、發生頻率高、故障后果嚴重的部件故障模式得到更加有效的管控，需要計算不同部件故障模式對設備功能影響的權重。

2.2.10 分析影響的系統功能

為進一步明確部件故障導致的故障后果，應建立部件故障與系統功能之間的關聯關系。

2.2.11 計算設備故障模式影響權重

類似于部件故障模式影響權重的計算，為提高監督參數和預防措施的針對性和有效性，同樣需要計算不同設備故障模式對系統功能影響的權重。

2.2.12 分析監督參數

針對設備功能故障，分析反映設備故障的失效參數即設備監督參數。以凝汽器汽側壁板之間焊縫開裂為例，該部件故障模式會導致“空氣內漏”的設備功能故障，而凝結水中的溶氧量可反映該設備功能故障。

確定可監督的設備故障參數后，需要進一步分析設備故障參數目前的獲取狀態，對于通過線下獲取的設備參數，分析是否可以通過增加測點的方式轉化為在線監督；對于目前未進行監督的設備故障參數，應該建立有效的設備故障監測手段。

2.2.13 制定預防措施

針對每一個設備部件故障模式及影響權重，要針對性的制定預防性措施，包括性能監測、檢查與監督、定期試驗、設備防腐、狀態維修和一般預防性維修等。

將按照此流程制定的預防性維修措施與該SPV設備現有的預防性維修項目(包括預防性維修大綱、在役檢查大綱、金屬監督大綱、定期試驗大綱、設備防腐大綱、油務監督大綱和設備老化大綱等)進行比對分析，并制定改進行動，優化SPV設備的預防性維修管理方式。

3 應用案例

本章節以VVER機組凝汽器為例，簡介SPV設備故障模式識別與失效分析流程。

3.1 劃分設備邊界

分析邊界主要以原廠家提供的總裝圖為準，只涉及機械部分，具體為：

(1)與汽輪機的邊界

以凝汽器頂部與低壓缸連接的第一道焊縫為邊界。

(2)與管道連接的邊界

與所有管道連接邊界為：焊接管道為第一道環焊縫，法蘭連接的管道為第一道法蘭。

(3)與旁排閥的邊界

與旁排閥的邊界以凝汽器殼側壁板為界。

(4)與土建基礎的邊界

與土建基礎的邊界為凝汽器底部彈簧支座。

(5)與1號低加邊界

與1號低加的邊界為凝汽器殼側壁板。

3.2 部件故障模式及原因梳理分析

圖2為凝汽器部件鈦管的故障模式和故障原因簡化分析過程。

圖2 凝汽器鈦管故障模式和故障原因分析簡化過程Fig.2 The simplified process of failure mode and reason for the titanium tube of the condenser

3.3 部件故障模式時間相關性分析

表1 凝汽器海水室壁板故障模式的時間相關性舉例

3.4 建立部件故障模式與設備功能故障模式以及系統功能之間的關系

圖3為凝汽器鈦管的故障模式與設備功能故障模式以及系統功能之間的關聯關系。

3.5 計算故障模式影響權重

3.5.1 構建可靠性關系結構模型

首先構建凝汽器鈦管部件故障模式、設備故障模式、系統功能三個層次的可靠性關系模型(如圖3所示)，第一層為1種設備故障模式，即X={X1}；第二層為9種部件故障模式，即X1={X11，X12，X13，X14，X15}，X2={X21，X22，X23，X24}。

其中定義部件故障模式X11-X15對凝汽器海水內漏的影響權重分別為b11、b12、b13、b14、b15，權重集為B1={b11，b12，b13，b14，b15}。

圖3 凝汽器鈦管部件故障模式與設備功能故障模式以及系統功能關聯關系Fig.3 The relationship between of the failure mode of the titanium tube components, the functional failure mode of equipment, and the system function of the condenser

本節以凝汽器鈦管的沖蝕(外部)、開裂、機械損傷、制造缺陷、沖蝕(內部)5種故障模式對凝汽器海水內漏影響權重的計算為例對此步驟進行說明，不同設備故障模式對系統功能影響權重計算與此類似。

3.5.2 構建比較判斷矩陣

由于部件故障模式為非定量因素，因此需要構建比較矩陣，通過部件故障模式間的兩兩比較來計算得出其對設備故障模式的影響權重。兩兩比較采用1～9標度，其中1～9標度的含義如表2所示[1]。

表2 1～9標度的含義

根據上述標度，構建第二層次的判斷矩陣為：

B1=(b1i1j)n×n

3.5.3 計算影響權重向量

由上述計算結果可知：凝汽器鈦管的沖蝕(外部)、開裂、機械損傷、制造缺陷、沖蝕(內部)5種故障模式中開裂對海水內漏的設備故障模式影響最大，因此在制定鈦管的監督參數和預防性措施時應對開裂的故障模式重點考慮。

采用上述類似方法，可計算不同設備及設備功能故障對系統功能影響的權重[2]。

3.6 輸出成果

(1)建立基于部件故障模式的凝汽器失效參數數據庫

通過設備部件及故障模式的全面梳理，建立基于部件故障模式的失效參數數據庫，表3為凝汽器部分部件故障模式監督參數舉例。

表3 凝汽器部分部件故障模式監督參數舉例

(2)實現對凝汽器故障模式的全面管理

通過設備部件及故障模式的全面梳理，制定基于部件故障模式的預防措施，實現對故障模式的全面管理，表4為凝汽器部分部件故障模式發現或預防措施及管理方式舉例。

表4 凝汽器部分部件故障模式發現或預防措施及管理方式

4 結論

為從根本上杜絕SPV設備功能喪失事件的發生，有必要對關鍵敏感設備的所有故障模式進行全面和有效的管理。本文研究制定了關鍵敏感設備故障模式識別和分析方法，以設備部件為最小分析單元，全面分析SPV設備部件及其故障模式和失效影響，構建了SPV設備部件故障模式和失效參數以及預防性維修項目之間的對應關系，可以實現對關鍵敏感設備故障模式的全面和有效管理，降低機組非停風險，保障機組安全穩定運行。

同時通過開展關鍵敏感設備故障模式識別和分析工作，電站能夠對具有相同的運行原理、故障模式、故障機理的設備進行全面梳理，形成適用于電站特點的標準設備類部件故障模式數據庫、設備功能故障模式數據庫以及系統功能數據庫，為電站開展大數據應用、狀態報告開發、維修缺陷管理工作奠定堅實的基礎。