AP1000核電廠設(shè)備可靠性分級(jí)研究與探討

陳秀娟

（三門(mén)核電有限公司，三門(mén) 317112）

設(shè)備可靠性管理理念已廣泛應(yīng)用于國(guó)外核電廠的設(shè)備管理中，并為其帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益［1，2］。美國(guó)核電運(yùn)行研究所（INPO）總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并編制了一系列以設(shè)備可靠性為中心的管理程序。在我國(guó)，隨著三門(mén)核電AP1000首堆工程調(diào)試工作的展開(kāi)，三門(mén)核電在借鑒國(guó)外核電廠管理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，逐步將設(shè)備可靠性管理理念應(yīng)用于三門(mén)核電AP1000機(jī)組的設(shè)備管理中。設(shè)備可靠性管理首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行了等級(jí)劃分，然后針對(duì)不同等級(jí)的設(shè)備，采取不同的可靠性管理策略。因此，借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，建立一套科學(xué)合理的，適用于AP1000機(jī)組的設(shè)備可靠性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，是設(shè)備可靠性管理的基礎(chǔ)和前提。

1 AP1000核電廠設(shè)備可靠性分級(jí)原則制定依據(jù)

開(kāi)展設(shè)備可靠性管理的首要工作是設(shè)備的可靠性（Equipment Reliability，ER）分級(jí)。引進(jìn)INPO的可靠性理念［3-5］，管理總體流程如圖1所示，同時(shí)結(jié)合自身設(shè)計(jì)特點(diǎn)，根據(jù)設(shè)備在核電廠安全運(yùn)行中的重要程度，從核安全、風(fēng)險(xiǎn)、電力生產(chǎn)、工業(yè)安全、環(huán)境安全、法律法規(guī)要求、維修經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)角度綜合考慮，制定出設(shè)備的可靠性分級(jí)原則。三門(mén)核電一期工程采用的是美國(guó)西屋公司的AP1000核電技術(shù)，現(xiàn)有的設(shè)備分級(jí)方法有3種：核安全等級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、電力生產(chǎn)關(guān)鍵性等級(jí)。這3種分級(jí)分別是從不同的角度考慮制定出的，將作為可靠性分級(jí)原則的制定依據(jù)。

圖1 設(shè)備可靠性管理流程圖Fig.1 Equipment reliability process diagram

核安全分級(jí)原則是基于設(shè)備對(duì)核安全的影響程度，參考美國(guó)核學(xué)會(huì)（ANS）［6］的核安全要求，將設(shè)備分為安全相關(guān)設(shè)備與非安全相關(guān)設(shè)備［7，8］。其中A、B、C級(jí)被用于限制廠區(qū)外照射，保證冷卻劑壓力邊界完整性，或用于反應(yīng)堆安全停堆并保持其處于安全停堆狀態(tài)的安全相關(guān)構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備的分組，相當(dāng)于美國(guó)核學(xué)會(huì)的安全1、2、3級(jí)［9］。非安全相關(guān)設(shè)備對(duì)核安全的影響程度很小。

從核電廠堆芯損壞的概率和對(duì)公眾安全影響的角度出發(fā)，通過(guò)建立模型，應(yīng)用概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（PRA）、確定論分析和專家決策等方法，得出設(shè)備對(duì)核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件的貢獻(xiàn)程度。根據(jù)貢獻(xiàn)程度的不同，將設(shè)備定義為風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備和非風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備。AP1000 的PRA的主要內(nèi)容包括：始發(fā)事件及事件樹(shù)分析，成功準(zhǔn)則分析，單個(gè)系統(tǒng)分析，人因可靠性分析，共因失效分析，嚴(yán)重事故分析，劑量分析，氫氣控制分析和地震裕度分析等［10］。這樣，既保證系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性，又做到合理性，經(jīng)濟(jì)性。滿足了安全管理部門(mén)要求營(yíng)運(yùn)單位遞交確定論的安全分析報(bào)告和PSA分析報(bào)告［11］。

AP1000合同中要求：核電廠的平均可用性93%，可靠性目標(biāo)為非計(jì)劃停堆率每年少于1次［12］。要達(dá)到這一目標(biāo)，需要分析設(shè)備故障對(duì)電力生產(chǎn)的影響，如反應(yīng)堆停堆、強(qiáng)迫停堆、降功率等。與前面描述的核安全分級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)不同，該分級(jí)是根據(jù)設(shè)備對(duì)核電廠電力生產(chǎn)影響的嚴(yán)重程度，將其分為R-1、R-2、R-3和NR4個(gè)等級(jí)。

此外，還首次引入了10CFR50.65“核電廠維修有效性的監(jiān)測(cè)要求”（簡(jiǎn)稱維修規(guī)則，Maintenance Rule，MR）［13］和 INPOAP-913 的設(shè)備篩選原則［14］。根據(jù)MR中的設(shè)備篩選原則，核安全等級(jí)與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)將有助于進(jìn)行MR范圍內(nèi)設(shè)備的篩選。MR范圍內(nèi)的設(shè)備包括核安全A、B、C類(lèi)設(shè)備及部分非安全相關(guān)設(shè)備，也包含高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備。

2 AP1000核電廠設(shè)備可靠性等級(jí)

INPO將設(shè)備分為關(guān)鍵（CC）、非關(guān)鍵（NC）、運(yùn)行至失效（RTF）3個(gè)等級(jí)。通過(guò)與國(guó)外電廠的交流與對(duì)標(biāo)，國(guó)外電廠如Voglte等均在借鑒INPO的基礎(chǔ)上，根據(jù)自身實(shí)際對(duì)設(shè)備可靠性等級(jí)進(jìn)行細(xì)化。結(jié)合三門(mén)核電AP1000項(xiàng)目的實(shí)際設(shè)計(jì)特點(diǎn)，又將CC級(jí)設(shè)備細(xì)分為CC1級(jí)設(shè)備和CC2級(jí)設(shè)備。

CC1級(jí)設(shè)備，滿足下列一種或多種情況：

（1）失效后將喪失高風(fēng)險(xiǎn)的MR功能（等同于高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)）；

（2）失效后短期內(nèi)（7天內(nèi)）對(duì)生產(chǎn)有直接或重大影響（包括生產(chǎn)R-1、R-2級(jí)設(shè)備）；

（3）失效后會(huì)觸發(fā)專設(shè)安全設(shè)施。

CC2級(jí)設(shè)備，滿足下列一種或多種情況：

（1）包含于技術(shù)規(guī)格書(shū)、應(yīng)急運(yùn)行規(guī)程中的設(shè)備；

（2）失效7天或以上，對(duì)生產(chǎn)造成影響，或存在潛在風(fēng)險(xiǎn)（包括生產(chǎn)R-3類(lèi)設(shè)備）；

（3）失效后完全喪失對(duì)放射性廢物的處理能力；

（4）失效導(dǎo)致關(guān)鍵換料途徑延長(zhǎng)。

NC級(jí)設(shè)備，下列一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題回答為“是”即可：

（1）是否為重要系統(tǒng)功能的冗余設(shè)備？

（2）設(shè)備失效是否會(huì)導(dǎo)致其他關(guān)鍵設(shè)備的失效？

（3）設(shè)備失效是否會(huì)導(dǎo)致人員所受輻射增加？

（4）設(shè)備失效是否有任何工業(yè)安全問(wèn)題？

（5）設(shè)備是否涉及相關(guān)法律法規(guī)的要求，失效后將導(dǎo)致管理當(dāng)局采取行動(dòng)？

（6）設(shè)備失效是否會(huì)阻礙關(guān)鍵設(shè)備的及時(shí)修復(fù)？

（7）部件的更換時(shí)間是否過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致所需維修的設(shè)備得不到及時(shí)修復(fù)？

（8）設(shè)備或類(lèi)似設(shè)備是否有應(yīng)被消除的過(guò)度糾正性維修？

（9）相比故障后的修復(fù)或替換，是否存在更為經(jīng)濟(jì)的預(yù)防性維修？

RTF級(jí)設(shè)備：此類(lèi)設(shè)備失效后的風(fēng)險(xiǎn)和后果可接受，不需安排任何預(yù)測(cè)性和預(yù)防性維修，且延長(zhǎng)這類(lèi)設(shè)備的壽命既有難度又不經(jīng)濟(jì)。

因此，根據(jù)上述判定原則，將設(shè)備最終劃分為4個(gè)等級(jí)：CC1、CC2、NC、RTF。

根據(jù)設(shè)備對(duì)核電廠安全、生產(chǎn)影響的緊急程度對(duì)CC級(jí)設(shè)備再細(xì)化，將CC1級(jí)設(shè)備作為核電廠管理的重中之重，有利于設(shè)備的精細(xì)化管理。

此外，在等級(jí)判定的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了分級(jí)的延伸。增加了設(shè)備的工作頻度、工作環(huán)境以及功能設(shè)備組（FEG）的判定。

表1 ER分組矩陣表Table 1 Equipment reliability（ER）group matrix

根據(jù)設(shè)備的工作循環(huán)和加載的數(shù)量來(lái)判定工作頻度，分為“高（H）”和“低（L）”；根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)內(nèi)部和外部環(huán)境條件，將工作環(huán)境狀況分為“良好（M）”和“惡劣（S）”。然后與設(shè)備可靠性等級(jí)結(jié)合，形成12個(gè)ER分組，見(jiàn)表1。這項(xiàng)分組采用了美國(guó)電科院（EPRI）［15］的預(yù)防性維修模板，為預(yù)防性維修大綱的開(kāi)發(fā)工作提供支持，可在一定程度上減少預(yù)防性維修大綱的編制難度。

功能設(shè)備組（Functional Equipment Group，F(xiàn)EG）由圍繞主設(shè)備的多個(gè)設(shè)備/子設(shè)備組成，具有共同的系統(tǒng)隔離特征或者可同時(shí)退出運(yùn)行。FEG中各個(gè)設(shè)備的全部工作可以同時(shí)判定、同時(shí)安排。如圖2所示，一臺(tái)泵的FEG需要由電機(jī)或驅(qū)動(dòng)單元，泵的零部件，支持或輔助系統(tǒng)（潤(rùn)滑油或密封油設(shè)備）以及供應(yīng)電源等組成。

圖2 泵功能設(shè)備組的示意圖Fig.2 Diagran of functional equipment group for a pump

FEG可應(yīng)用于運(yùn)行隔離、維修計(jì)劃的安排與維修活動(dòng)的實(shí)施。將具有相同隔離特征的FEG內(nèi)各設(shè)備的維修工作合理地安排在一起，在盡量減少運(yùn)行隔離的同時(shí)，也簡(jiǎn)化了維修計(jì)劃的安排，有利于減少維修活動(dòng)的管理周期。

3 AP1000核電廠設(shè)備可靠性分級(jí)過(guò)程

設(shè)備分級(jí)工作以系統(tǒng)為單位進(jìn)行。分級(jí)過(guò)程主要由設(shè)備可靠性管理工程師組織，由系統(tǒng)工程師負(fù)責(zé)實(shí)施，由各領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富的專家組成的專業(yè)技術(shù)小組審查。

分級(jí)之前需要收集系統(tǒng)相關(guān)的資料，如系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)、圖紙、技術(shù)規(guī)格書(shū)、核電廠運(yùn)行規(guī)程、設(shè)計(jì)文件、PRA文件等。分級(jí)時(shí)主要有3個(gè)層次的內(nèi)容：系統(tǒng)層級(jí)的功能分析，設(shè)備層級(jí)的故障模式和影響分析以及設(shè)備的等級(jí)判定。首先，分析系統(tǒng)功能重要性。即依照MR重要性、風(fēng)險(xiǎn)重要性、電力生產(chǎn)關(guān)鍵性3方面的判定原則，分析每個(gè)系統(tǒng)功能對(duì)核電廠的重要程度。其次是設(shè)備層級(jí)的故障模式和影響分析。分析設(shè)備可能的失效模式，以及失效后對(duì)系統(tǒng)功能有何影響。第三是設(shè)備的等級(jí)判定。依照上述設(shè)備可靠性分級(jí)原則，劃分相應(yīng)的等級(jí)。如果某設(shè)備滿足多個(gè)判斷依據(jù)，則依照“從高原則”進(jìn)行劃分。具體分析過(guò)程如圖3所示。

圖3 ER分級(jí)分析過(guò)程Fig.3 Analytical process of the ER classification

4 設(shè)備分級(jí)過(guò)程中需注意的幾個(gè)問(wèn)題

隨著分級(jí)工作的逐步深入，總結(jié)了幾個(gè)需特別注意的問(wèn)題。

（1）需要分級(jí)的設(shè)備范圍：可靠性分級(jí)主要涉及生產(chǎn)設(shè)備，作為設(shè)備的一項(xiàng)基礎(chǔ)信息，需納入設(shè)備的信息管理中。非生產(chǎn)類(lèi)設(shè)備（如工器具等）不采用可靠性管理模式，故無(wú)需進(jìn)行可靠性分級(jí)。

（2）分析過(guò)程中，要把握一條主線，即分析設(shè)備可能出現(xiàn)的故障模式，設(shè)備的失效是否會(huì)使相應(yīng)的系統(tǒng)喪失功能，系統(tǒng)功能喪失對(duì)核電廠又會(huì)產(chǎn)生何種影響。因此，最好按照設(shè)備所支持的系統(tǒng)功能將設(shè)備分組，這樣按組依次分析，既能夠理清思路，不致出錯(cuò)，又能提高工作效率。

（3）CC級(jí)設(shè)備主要是對(duì)核安全、生產(chǎn)有重要影響且不允許有非計(jì)劃故障的設(shè)備，其判定需依據(jù)核電廠各方面的資料，如系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件、計(jì)算書(shū)、運(yùn)行規(guī)程以及系統(tǒng)在核電廠各種工況下的要求等文件。NC級(jí)設(shè)備主要是從工業(yè)安全、環(huán)境安全、輻射安全、法律法規(guī)要求、維修經(jīng)濟(jì)性等角度考慮篩選出的設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)核電廠安全生產(chǎn)的影響通常不大，采取可靠性管理策略通常能夠節(jié)約核電廠人力、物力、財(cái)力資源。另外，NC級(jí)設(shè)備的數(shù)量與核電廠的計(jì)劃成本有關(guān)。RTF設(shè)備的失效后果和風(fēng)險(xiǎn)是可接受的，延長(zhǎng)它們的壽命既有難度又不經(jīng)濟(jì)，允許其運(yùn)行直到需要維修。

（4）分級(jí)時(shí)采用“單一故障”原理，即只考慮單個(gè)設(shè)備失效后對(duì)相應(yīng)系統(tǒng)、核電廠產(chǎn)生的影響。如某設(shè)備存有冗余或備用設(shè)備，則冗余或備用的設(shè)備與該設(shè)備的等級(jí)一致。

（5）特種設(shè)備的分級(jí)：核電廠的特種設(shè)備主要有壓力容器、鍋爐、安全閥、國(guó)家強(qiáng)制類(lèi)儀表等。法律法規(guī)對(duì)這些設(shè)備有人員資質(zhì)或產(chǎn)品質(zhì)量等強(qiáng)制要求，若對(duì)核電廠的核安全、生產(chǎn)運(yùn)行無(wú)重大影響時(shí)，建議將這類(lèi)設(shè)備定為NC級(jí)。

5 應(yīng)用簡(jiǎn)析

對(duì)設(shè)備進(jìn)行分級(jí)管理，將核電廠的人力、財(cái)力、物力資源重點(diǎn)放在關(guān)鍵重要設(shè)備上，保證關(guān)鍵重要設(shè)備的可靠性和可用性，能夠減少工作量和管理成本，用有限的資源獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

設(shè)備的分級(jí)管理將影響核電廠多個(gè)領(lǐng)域的程序和工作過(guò)程。如預(yù)防性維修、預(yù)測(cè)性維修、維修規(guī)則管理、糾正性維修、工作過(guò)程管理、壽期管理、長(zhǎng)期計(jì)劃制定等。不同等級(jí)的設(shè)備需綜合各領(lǐng)域的管理目標(biāo)，采取不同的管理策略。

目前三門(mén)核電已開(kāi)展設(shè)備可靠性分級(jí)及預(yù)防性維修工作。如從設(shè)備可靠性分級(jí)結(jié)果在除鹽水處理系統(tǒng)（DTS）預(yù)防性維修大綱中的應(yīng)用來(lái)看，設(shè)備可靠性分級(jí)對(duì)預(yù)防性維修有一定程度的影響。

DTS共有設(shè)備1 273件。分別以傳統(tǒng)方式和設(shè)備可靠性分級(jí)結(jié)果兩種方式為輸入，編制預(yù)防性維修大綱的數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 經(jīng)設(shè)備可靠性分級(jí)修改前后的DTS預(yù)防性維修大綱數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of preventive maintenance before ER classification and after

以傳統(tǒng)方式編制的DTS預(yù)防性維修大綱中，需要預(yù)防性維修的設(shè)備有390臺(tái)件，預(yù)防性維修項(xiàng)目共有680項(xiàng)。經(jīng)AP1000設(shè)備可靠性分級(jí)后，該系統(tǒng)無(wú)關(guān)鍵設(shè)備，NC級(jí)設(shè)備有159臺(tái)件，RTF設(shè)備有1 114臺(tái)件。修改后的預(yù)防性維修大綱中只有159臺(tái)件設(shè)備需要預(yù)防性維修，維修項(xiàng)目共232項(xiàng)，修改后的預(yù)防性維修大綱將大大減少后續(xù)的工作量和管理成本。仔細(xì)分析，可看出設(shè)備可靠性分級(jí)的3大優(yōu)點(diǎn)：第一，可靠性分級(jí)結(jié)果的應(yīng)用在一定程度上減少了預(yù)防性維修工作對(duì)于經(jīng)驗(yàn)的依賴。傳統(tǒng)方式?jīng)]有對(duì)DTS設(shè)備在核電廠中的重要性進(jìn)行分析、判定，完全依靠經(jīng)驗(yàn)給出，只有具有一定經(jīng)驗(yàn)的編制人員才能編制出切合核電廠實(shí)際的大綱。這種大綱編制方式對(duì)于三門(mén)AP1000這類(lèi)新建核電廠并不適用，而設(shè)備可靠性分級(jí)可以指導(dǎo)一些工作經(jīng)驗(yàn)較少的員工，通過(guò)科學(xué)的分析，認(rèn)知設(shè)備及相應(yīng)系統(tǒng)在核電廠安全運(yùn)行中的重要性，從而判定設(shè)備等級(jí)，更能有的放矢地編制出切實(shí)可行的大綱。第二，可靠性分級(jí)方法提供了一種規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的流程，有效減少了因人因失誤導(dǎo)致的結(jié)果偏差，使不同人員得出了相對(duì)一致的結(jié)果。第三，該分級(jí)結(jié)果的應(yīng)用能有效減少設(shè)備不必要的維修，減少設(shè)備的非計(jì)劃停役時(shí)間，對(duì)運(yùn)行電廠也具有很好的借鑒意義。

目前，三門(mén)核電已完成了工藝系統(tǒng)的設(shè)備可靠性分級(jí)工作，經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，設(shè)備臺(tái)件數(shù)共3萬(wàn)有余，其中CC1級(jí)、CC2級(jí)、NC級(jí)和RTF級(jí)設(shè)備的占比分別為4%、2%、24%、70%，如圖4所示。工藝系統(tǒng)中的主要設(shè)備類(lèi)型（泵、閥門(mén)、儀表）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。該項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表征了電廠資源在工藝系統(tǒng)中的配置狀況。工藝系統(tǒng)約有七成設(shè)備可采取糾正性維修，可納入可靠性管理范疇，采取可靠性管理策略的設(shè)備約占三成。設(shè)備管理的重中之重約為4%，隨著后續(xù)資源配置的逐步豐富與完善，可逐漸擴(kuò)大管理范圍。

圖5 泵、儀表、閥門(mén)的等級(jí)比例圖Fig.5 A proportional diagram of pumps，instrumentation，valves

6 結(jié)論

AP1000設(shè)備可靠性分級(jí)融合了INPO與AP1000的技術(shù)特點(diǎn)，綜合考慮多種因素，并進(jìn)行了探索性的延伸，是一套綜合性的分級(jí)方法。該方法的結(jié)果可作為核電廠優(yōu)化資源配置的依據(jù)，對(duì)預(yù)防性維修等工作具有積極的指導(dǎo)作用。

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