根本原因分析方法在核電廠設備故障分析中的應用

王銘昌，李 楠

（蘇州熱工研究院有限公司，廣東深圳 518026）

0 引言

設備管理是核電廠高效、安全、可靠運行的重要組成部分。核電廠是一個復雜的工業系統，其設備數量龐大、結構復雜、性能要求高，且連續在線運行。如此復雜的系統必然存在設備發生偏差或故障的風險及可能。當設備發生故障時，如何制定有效糾正措施是防止此類事件重發的關鍵。為保證制定的糾正措施能夠防止設備故障重發，需要對設備故障進行根本原因分析[1-3]，以透過現象發現問題本質。

RCA（Root Cause Analysis，根本原因分析）是國際領域先進的事件原因分析方法，該分析方法在核工業、航天工業及石油化工等工業領域廣泛應用。國外根本原因分析方法眾多，如APOLLO、TapRoot等[4]。國內主要通過學習借鑒國外研究經驗，也取得了一定成果。蘇州院RCA 團隊研究總結國內外RCA 分析案例和經驗，結合10 多年的分析經驗，形成了自主的分析方法——六步驟法。

1 根本原因分析方法

RCA 分析方法——六步驟法，主要包括6 個步驟：事件確認，數據收集，故障模式分析，確定原因，制定糾正行動以及效果評估[5]，每個步驟又包括多個子步驟，具體分析流程如圖1 所示。該方法已成功應用于國內核電廠300 多項重大設備事件分析，在核能行業得到了廣泛認可。該方法在石油化工領域也有應用，并取得了不錯的效果。

圖1 六步驟法分析流程

2 根本原因分析案例

以某核電廠GCT（汽輪機旁路排放系統）系統閥門紊流罩破裂為例，闡述該方法在核電廠設備故障分析中的應用流程和實施過程。

2.1 事件確認

事件確認是開展根本原因分析的首要環節，決定了根本原因分析的目的，范圍和深度。事件確認要確認事件，包括事件的過程、后果與性質等，對事件進行篩選分級。某核電廠GCT 系統閥門紊流罩破裂事件確認如下。

2016 年，某核電廠1 號機組臨停檢修期間，對GCT121VV進行解體檢查，發現GCT121VV 閥門紊流罩破損嚴重（圖2），破損碎片約為40 塊。GCT121VV 閥門紊流罩一旦發生破裂，可能導致破裂的碎片進入下游凝汽器，進而導致凝汽器鈦管磨損破裂。因此，需要對GCT 閥門紊流罩破裂原因進行根本原因分析，以避免事件重發。

圖2 GCT121VV 破裂紊流罩

汽輪機旁路排放系統（GCT）作用是將多余的蒸汽排往冷凝器、除氧器和大氣，避免核蒸汽系統超溫、超壓，確保機組安全。GCT121VV 閥門是每次啟停機GCT 系統首先動作的閥門。該閥門類型是帶紊流罩的籠形先導式調節閥，紊流罩作用是防沖刷與減噪。

2.2 數據收集

數據收集包括實物證據、數據記錄及設計制造圖紙、調查訪談以及經驗反饋。數據收集是根本原因調查分析的重要步驟之一，貫穿于整個事件根本原因分析的始終。

針對紊流罩破裂事件，現場收集了破裂紊流罩樣品和紊流罩套筒數據信息，梳理統計了閥門開啟次數及帶負荷運行時間，并對比分析同類型機組相同功能位置紊流罩檢查情況等。查詢經驗反饋信息可知，國內同類型機組相同功能位置共有6 個紊流罩發生破裂。

2.3 故障模式分析

根據收集到的數據信息和設備相關經驗反饋，分析設備問題征兆，列舉所有可能故障模式。針對所列故障模式分析收集數據，借助合適的工具和數據庫，通過分析驗證等以確定最可能的故障模式。

針對此次GCT121VV 紊流罩破裂事件，列舉可能故障模式為材料缺陷、設計問題、制造加工缺陷、安裝不當和運行工況異常等。根據所列故障模式對GCT121VV 紊流罩進行金屬學分析、安裝分析、運行數據分析和綜合分析等分析工作。

2.3.1 金屬學分析

（1）宏觀觀察：各電廠紊流罩破裂特征相似，紊流罩斷口及整體均呈現為脆性斷裂特征。

（2）微觀觀察：通過對破裂紊流罩斷口微觀形貌和擴展觀察得出如下結論：①斷口具有明顯的疲勞開裂特征，且為脆性斷口；②由裂紋棱線擴展方向，確定斷口源區位于下部凸臺；③源區原始機加工條紋已消失，可以推斷紊流罩底部材料存在碰撞缺失。破裂紊流罩微觀圖像如圖3 所示。

圖3 破裂紊流罩微觀圖像

（3）金相分析：各紊流罩化學成分均符合ASTM（美國材料與試驗協會）A351/A351M 標準（316 不銹鋼鑄件）的要求。

（4）力學性能分析：各電廠紊流罩的抗拉強度、屈服強度和延伸率均滿足標準要求。

2.3.2 制造尺寸分析

紊流罩現場安裝結構如圖4 所示，紊流罩安裝在套筒的凸臺上，紊流罩底部和套筒之間上下左右均存在間隙。

圖4 紊流罩現場安裝結構

現場用千分尺對套筒底部圓周直徑D1，套筒高度H1進行測量。在備件庫選取同批次紊流罩備件，測量其底部凸臺外徑d1以及高度h1。由測量數據可知：①下部凸臺水平間隙量部分實測值為0.66～0.72 mm，不滿足廠家設計值；②下部凸臺垂直間隙量為3.879 mm，滿足廠家設計值。

2.3.3 安裝偏差影響分析

紊流罩頂部平臺舊墊片受壓后存在厚度不均勻現象，會造成水平偏斜。經計算分析，底部水平偏斜量最大可達到0.116 mm。分析表明，現場安裝偏差會導致底部水平間隙量進一步減小，墊片不均勻壓縮及安裝偏差造成紊流罩偏斜（圖5）。

圖5 安裝偏差造成紊流罩偏斜

2.3.4 運行數據分析

（1）振動異常分析：GCT121VV 閥門管道振動情況與其他閥門管道振動相比，不是振動最大的管道，不存在振動異常現象。

（2）系統超溫超壓分析：上游主管段溫度最大值為290 ℃，壓力最大值為7.42 MPa。溫度及壓力未出現過超出設計值的現象。

（3）水錘影響分析：GCT121VV 閥前設置疏水箱，疏水箱位置低于主管道。另外閥籠無異常，排除閥前積水沖擊的影響。閥后管道坡度為0.5%，且閥后減溫減壓器位于閥門下游凝汽器內，正常運行下，凝汽器為真空，閥后積水影響可排除。

通過以上分析，運行工況異常導致紊流罩破裂的可能性低。

2.3.5 紊流罩受力分析計算

通過建立有限元模型，對閥門不同開啟方式對應的紊流罩受力及變形量進行模擬分析。閥門快開工況下，最大應力和最大變形量均明顯超出紊流罩底部間隙量。最大應變位置位于紊流罩出口處下端，與紊流罩下部磨損位置吻合。紊流罩在快開工況下有限元分析應變如圖6 所示。

圖6 快開工況下受力分析

2.3.6 綜合分析

綜合以上分析，對故障模式的可能性高低排查見表1，紊流罩存在制造偏差和在快開工況下的適應性差可能性高。

表1 故障模式的可能性

2.4 確認原因

確認根本原因是對故障模式應逐項進行排除論證并逐層分析，直至確認根本原因為止。分析流程是從所有可能故障模式中確定直接原因，進而分析出導致這一直接原因的間接原因、促成原因和根本原因。事件和原因因素圖（E&CF）分析是事件調查分析中一種很強有力的分析工具。它可應用于各類事件及對多重復雜原因因素的分析。

根據故障模式分析，可以確定GCT121VV 閥門紊流罩破裂的直接原因為紊流罩下部凸臺與套筒接觸磨損區萌生裂紋源。GCT121VV 閥門紊流罩破裂的根本原因為紊流罩底部間隙量小于設計要求；紊流罩在閥門快開工況下的適應性差。GCT121VV閥門紊流罩破裂的原因如圖7 所示。

圖7 GCT121VV 閥門紊流罩破裂原因

2.5 糾正行動

糾正行動是指為了消除或改善事件后果、事件根本原因、促成因素和其他不利條件所采取的改進行動，以及所有其他用于改進核電廠管理和運行質量而采取的措施。

針對GCT121VV 閥門紊流罩破裂的根本原因制定相應糾正行動（表2）。

表2 GCT121VV 閥門紊流罩破裂糾正行動

2.6 效果評估

對完成的根本原因調查分析和糾正行動的有效性應進行評估驗證，以確定根本原因分析的總體質量。效果跟蹤目的在于對糾正行動的實施情形進行記錄，確保所有糾正行動按計劃落實，以及證實糾正行動的適宜性和有效性。糾正行動實施后，解體檢查GCT121VV 閥門紊流罩未發現破裂，證實糾正行動的有效性。

3 總結

設備故障分析是核電廠設備管理的重要組成部分。本文介紹了中廣核集團自創根本原因分析——六步驟法。應用六步驟法分析了某核電廠紊流罩破裂事件，并對列舉的紊流罩破裂可能的故障模式進行逐一分析，確定了紊流罩破裂的根本原因，制定了相應糾正行動。通過實踐驗證，該方法在核電廠設備故障管理中效果顯著，有助于核電廠高效、安全、可靠運行。