核電廠預(yù)防性維修策略模板開發(fā)與應(yīng)用研究

前 言

為在資源有限的條件下盡可能地在正確的時間對設(shè)備開展正確的維修和維護(hù)，需開發(fā)一種維修優(yōu)化技術(shù)，以可靠性為中心的維修（RCM）正是人們對維修科學(xué)化追求過程中開發(fā)和應(yīng)用的一種重要的維修優(yōu)化技術(shù)。為了優(yōu)化RCM分析過程，更好地使用同類設(shè)備的維修大綱經(jīng)驗(yàn)，有必要開發(fā)和廣泛應(yīng)用維修模板。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，維修模板的應(yīng)用能夠顯著地提高制定和優(yōu)化維修策略的效率。編制設(shè)備故障模式與維修任務(wù)表，并且簡要陳述編制故障模式與維修任務(wù)表，通常使用預(yù)防性維修策略模板（PM Template）。國內(nèi)大亞灣核電站、田灣核電站、秦山核電廠開展RCM或簡化的以可靠性為中心的維修（SRCM）等分析多年，特別是大亞灣核電基地從1998年開展RCM分析，已有15 a分析與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，積累了豐富的設(shè)備故障分析和維修數(shù)據(jù)。目前國外發(fā)達(dá)核電國家早已有故障模式與維修策略模板的相關(guān)研究與應(yīng)用。在國內(nèi)各個核電基地實(shí)行群堆管理模式的大背景下，開發(fā)并建立國內(nèi)核電廠預(yù)防性維修模板數(shù)據(jù)庫，可以為國內(nèi)核電廠生產(chǎn)與維修等許多領(lǐng)域，尤其是維修優(yōu)化與設(shè)備可靠性管理提供有價值的決策支持信息和數(shù)據(jù)。

圖1 設(shè)備維修模板開發(fā)流程圖

1 維修模板的定義及技術(shù)路線

1.1 維修模板的定義

維修模板是基于核電廠同類設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)和可靠性分析等知識，預(yù)先制定的該類型設(shè)備預(yù)防性維修任務(wù)模板。該模板概括了預(yù)防某類結(jié)構(gòu)工藝相似的設(shè)備失效而采取的維修和監(jiān)測任務(wù)，涵蓋了設(shè)備的監(jiān)測手段（試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)、再鑒定等）及必要的檢修措施（更換部件、潤滑等），包括該類型設(shè)備主要故障模式、故障影響以及管理該故障模式的維修策略。

維修模板的開發(fā)考慮了該類型設(shè)備主要的故障模式以及可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測或預(yù)防該類故障發(fā)生的預(yù)防性維修策略。希望維修模板能實(shí)現(xiàn)利用狀態(tài)維修來取代固定周期的定期任務(wù)，例如應(yīng)用振動分析或溫度記錄與趨勢分析技術(shù)。對于具有固定頻度的預(yù)防性維修任務(wù)的設(shè)備，主要考慮維修的動機(jī)和目的，包括設(shè)備關(guān)鍵度（設(shè)備分級）、運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行頻度等。這將幫助實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維修周期的合理化、科學(xué)化，并提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性和可用性，降低設(shè)備維修成本等，最終提高核電廠的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等。所以，維修模板是一個綜合的預(yù)防性維修（PM）知識庫，有助于PM分析員編制和優(yōu)化維修項(xiàng)目。如果使用行業(yè)資源開發(fā)，這個存儲關(guān)于大多數(shù)設(shè)備類型的PM綜合知識庫在廣度和深度上將會比任何單個運(yùn)行電廠擁有的設(shè)備類型PM知識庫更豐富、質(zhì)量更高。這樣一個知識庫還包括幾個簡單的表格，稱為PM模板（每個設(shè)備類型有一個PM模版），它包括建議的PM任務(wù)執(zhí)行間隔，可以通過PM模板來編制或優(yōu)化維修大綱。

1.2 技術(shù)路線

主要通過調(diào)研和借鑒國外維修模板數(shù)據(jù)（庫）開發(fā)與應(yīng)用方面的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)核電廠15 a來RCM（SRCM）積累的故障分析和維修數(shù)據(jù)成果進(jìn)行總結(jié)和提煉，同時結(jié)合核電廠設(shè)備關(guān)鍵度、運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境和可靠性分析（包括定量和定性）等，研究開發(fā)國內(nèi)壓水堆核電廠設(shè)備故障模式與維修策略模板數(shù)據(jù)庫。

2 維修模板開發(fā)

PM任務(wù)執(zhí)行頻度取決于設(shè)備降級的方式及速率、設(shè)備的類型、運(yùn)行周期和服役環(huán)境，運(yùn)行周期和服役環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境相關(guān)。故障模式與影響分析（FMEA）中僅10%左右的信息與具體的運(yùn)行環(huán)境相關(guān)，其他90%是基于同類型的設(shè)備在電廠何處以及如何使用。但是，與運(yùn)行環(huán)境相關(guān)的10%對PM的工作建議有極大影響，管理與運(yùn)行環(huán)境相關(guān)項(xiàng)需要花費(fèi)一定的時間并且不容易管理。對于每種設(shè)備類型，開發(fā)PM模板方法中僅有預(yù)防性維修的設(shè)備分析（PMEA）是完全獨(dú)立于運(yùn)行環(huán)境的。將PMEA應(yīng)用于每種具體的設(shè)備類型時，不同的運(yùn)作環(huán)境會得出不同的PM工作建議。

結(jié)合國外的實(shí)踐，根據(jù)國內(nèi)核電廠實(shí)際情況，維修模板的開發(fā)一般包括設(shè)備分類、收集分析參考資料、選擇周期和任務(wù)以及錄入平臺管理（方便持續(xù)優(yōu)化）。圖1給出了設(shè)備維修模板開發(fā)流程。

2.1 開發(fā)過程所需設(shè)備信息

開發(fā)過程需要以下設(shè)備信息：設(shè)備邊界定義及部件清單；②設(shè)備類的使用環(huán)境和使用頻度的定義；③該設(shè)備類主要的故障和故障模式、降級機(jī)理以及主要的故障影響；④該設(shè)備類降級過程的時間特性；⑤部件的故障機(jī)理；⑥部件的降級過程以及主要的降級影響；⑦設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)防性維修措施及其有效性（高、中、低）；預(yù)防性維修的范圍和內(nèi)容；⑧執(zhí)行維修時的典型工作方式和所需資源；⑨制定維修任務(wù)及其頻度的依據(jù)；⑩推薦PM任務(wù)及其任務(wù)周期的組合，取決于功能重要度、使用頻度和服役環(huán)境，即PM Template；每種PM任務(wù)的主要目標(biāo)，以及當(dāng)任務(wù)周期變動時對任務(wù)有效性的影響；體現(xiàn)PM大綱中各項(xiàng)任務(wù)交迭情況，以及所有任務(wù)覆蓋完整性的表格；其他參考信息。

表1 設(shè)備具體分類情況

2.2 開發(fā)步驟

設(shè)備維修模板開發(fā)主要步驟如下：

（1）選取設(shè)備類：國內(nèi)壓水堆核電廠機(jī)組設(shè)備類型較多，針對特定類型設(shè)備，結(jié)合設(shè)備重要程度分級（4種）、使用頻度（2種）和運(yùn)行工況（2種）進(jìn)行劃分，通常可將設(shè)備分成12種類型，即從以上三個角度形成的12種組合類型。設(shè)備分類可以提高設(shè)備維修模板開發(fā)與使用的針對性，方便開發(fā)出適用于不同場合的設(shè)備維修模板。設(shè)備具體分類情況見表1。

（2）收集并分析參考文件：在模板分類階段，分析設(shè)備維修任務(wù)的參考文件，包括:①運(yùn)行維修手冊（EOMM）；②設(shè)備故障模式及其影響分析（RCM分析成果）；③定期試驗(yàn)大綱等；④系統(tǒng)、設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)反饋；⑤美國核電廠 /法國EDF群堆已有的模板。

（3）識別維修監(jiān)測任務(wù)，分析維修監(jiān)測任務(wù)與相應(yīng)的故障模式。

（4）選擇合理維修任務(wù)和周期。

（5）審查、生效。

（6）輸入維修模板管理平臺。

2.3 維修模板編寫原則

（1）模板是保證設(shè)備可靠性等級的技術(shù)文件，編寫時不應(yīng)過多考慮經(jīng)濟(jì)或者人力資源因素。

（2）模板應(yīng)參考借鑒國內(nèi)外壓水堆核電廠在設(shè)備維護(hù)方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及與國外運(yùn)營商和組織相互交流的維修實(shí)踐：①美國核電廠Exelon、Constellation及美國電力研究協(xié)會（EPRI）現(xiàn)有的模板；②法國EDF核電廠現(xiàn)有的維修模板；③國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)反饋；④設(shè)備供應(yīng)商建議等。

（3）模板應(yīng)使設(shè)備保持長久的可靠性，為此提出一系列保證設(shè)備良好運(yùn)行的手段，同時在編制之初就需要考慮一些必要的調(diào)整手段（如物項(xiàng)替代），以使機(jī)組能夠可靠運(yùn)行60 a。

（4）每份模板適用于具有相似制造工藝的同類設(shè)備。

（5）模板要與設(shè)備數(shù)據(jù)庫中的功能位置碼相關(guān)聯(lián)。因?yàn)橐粋€給定功能位置碼的設(shè)備，其部件也擁有同樣的功能碼，所以模板應(yīng)包括整個設(shè)備，即設(shè)備的主要部件。如：氣動閥由限位器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，則模板要包括氣動閥及其限位器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的所有維修和監(jiān)測手段。

（6）不同的設(shè)備或設(shè)備相同但維修工作不同，則模板也不同。

（7）為了在維修大綱編寫與優(yōu)化的過程中更方便地將模板和設(shè)備分級結(jié)合在一起，應(yīng)盡量避免在屬于一類設(shè)備的模板中包括特殊工作任務(wù)。

（8）為了更好地建立與優(yōu)化維修大綱，對于某些數(shù)量較多但具有不同功能位置的設(shè)備，可以看作一個設(shè)備（如給水泵等），此時可以建立一個覆蓋所有設(shè)備的模板。

（9）模板后需附加表格以說明與維修任務(wù)有關(guān)的各種設(shè)備參數(shù)、定值等。以大亞灣核電站群堆鉛蓄電池的模板為例，需包含與900 MW機(jī)組鉛蓄電池監(jiān)測和維修任務(wù)相關(guān)的所有參數(shù)。

（10）模板的任務(wù)描述，不必明確描述各設(shè)備制造商或電廠使用的特殊技術(shù)或?qū)Ｓ霉ぞ?，但可以給出相應(yīng)參考說明。如在閥門模板中，應(yīng)避免此類編寫：“進(jìn)行閥門電機(jī)Quiklook試驗(yàn)”，而應(yīng)是“進(jìn)行閥門電機(jī)可操作試驗(yàn)”。

（11）由于對極少數(shù)新類型設(shè)備認(rèn)識不夠，系統(tǒng)設(shè)備檢修計(jì)劃所覆蓋的范圍有限，同時缺少實(shí)踐驗(yàn)證的維修策略和檢修標(biāo)準(zhǔn)，因此，該類設(shè)備模板應(yīng)隨著認(rèn)識深入和經(jīng)驗(yàn)積累不斷優(yōu)化。

表2 過濾減壓閥維修模板

2.4 模板任務(wù)

（1）模板的維修和監(jiān)測任務(wù)類別：①監(jiān)測活動：包括運(yùn)行人員、系統(tǒng)負(fù)責(zé)人和設(shè)備負(fù)責(zé)人巡檢，油樣分析測試，紅外測溫，振動測量記錄等；②核安全相關(guān)定期試驗(yàn)：該類任務(wù)涉及到提高機(jī)組設(shè)備可維護(hù)性和可用性的定期試驗(yàn)；③狀態(tài)維修：僅在診斷分析結(jié)果（如振動高）要求時才開展?fàn)顟B(tài)檢修所列任務(wù)；④日常定期維護(hù)：保證設(shè)備正常運(yùn)行的定期維護(hù)，如軸承潤滑等；⑤定期檢修：該類任務(wù)主要為大修時的工作任務(wù)；⑥承壓設(shè)備監(jiān)測任務(wù)：對承壓設(shè)備要求的所有維修監(jiān)測任務(wù)；⑦法規(guī)任務(wù)：監(jiān)管要求或行業(yè)規(guī)范等條例所要求的任務(wù)。

需要特別注意的是，維修任務(wù)的描述要規(guī)范。上述類別中的任務(wù)，可能適用于某一個系統(tǒng)或某一類設(shè)備，應(yīng)在任務(wù)名稱前明確指出該任務(wù)的適用范圍，如設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）-更換密封墊。

（2）模板任務(wù)對應(yīng)的故障模式：模板給出每個維修任務(wù)所預(yù)防的設(shè)備故障模式，對于每一個故障模式，模板編寫時應(yīng)該確定以下內(nèi)容：①涉及到的設(shè)備功能；②最嚴(yán)重的故障影響；③發(fā)生故障的設(shè)備部件；④可能的故障原因；⑤故障優(yōu)先級；⑥所采取的措施：根據(jù)診斷結(jié)果進(jìn)行的維修或日常維護(hù)任務(wù)，避免已達(dá)報警閾值的故障繼續(xù)惡化引起停機(jī)、停堆（可以參考美國EPRI MADE設(shè)備故障模式及其影響分析數(shù)據(jù)庫）。

將維修任務(wù)與故障模式結(jié)合起來，其目的如下：①確定該維修任務(wù)所能夠預(yù)防的故障模式；②便于維修大綱優(yōu)化階段，檢查模板維修任務(wù)是否滿足維修中心（MADE）的要求，如不滿足則需要重新考慮模板或者尋找另外的解決措施。

2.5 周期選擇

對每一個維修監(jiān)測任務(wù)，其所適用的設(shè)備類共有12個，應(yīng)根據(jù)設(shè)備關(guān)鍵度，結(jié)合運(yùn)行頻度和環(huán)境確定各類設(shè)備的維修周期。

（1）周期單位“C”，適用于必須在換料停堆期間或其前后立即進(jìn)行的維修任務(wù)，如換料停堆前對機(jī)械設(shè)備的振動檢查。

（2）根據(jù)設(shè)備等級和設(shè)備可靠性管理流程（AP913）的目標(biāo)，選擇相應(yīng)的周期。周期主要參考文件有：①EOMM；②設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋；③對設(shè)備的認(rèn)識、專業(yè)技能；④設(shè)備故障模式及其影響分析（RCM分析成果）；⑤定量化分析。

圖2 維修模板在大綱編制及優(yōu)化中的流程

3 應(yīng)用

本文以氣動閥門氣動部件為例，簡單說明氣動閥門氣動部件的預(yù)防性維修模板的開發(fā)過程，為國內(nèi)各核電廠氣動閥門維修策略優(yōu)化提供參考。首先確定分析對象是氣動閥門所使用的氣動部件（不是氣動閥門本體），它們被廣泛應(yīng)用于氣動調(diào)節(jié)閥（包括基地式調(diào)節(jié)閥）、氣動開關(guān)閥上，氣動頭的種類包括隔膜式、活塞式等。涉及到的氣動部件主要包括：①過濾減壓閥；②電氣轉(zhuǎn)換器；③定位器（機(jī)械式和數(shù)字式）；④流量放大器；⑤氣動鎖氣器；⑥電磁閥；⑦基地式調(diào)節(jié)器。

3.1 設(shè)備類定義

（1）關(guān)鍵/非關(guān)鍵設(shè)備：①關(guān)鍵和重要設(shè)備：指氣動閥門故障后果嚴(yán)重的設(shè)備，包括關(guān)鍵設(shè)備和重要設(shè)備；②經(jīng)濟(jì)設(shè)備：指氣動閥門故障后果不嚴(yán)重，但仍不允許運(yùn)行至失效的設(shè)備，即經(jīng)濟(jì)型（MIN）設(shè)備。

（2）使用頻率：①高使用頻率：指處于連續(xù)調(diào)節(jié)狀態(tài)或者頻繁開關(guān)的閥門，或長期帶電勵磁的電磁閥。正常運(yùn)行期間一般在常關(guān)或常開狀態(tài)的閥門，不屬于該范疇；②低使用頻率：不適用。

（3）工作環(huán)境：

惡劣工作環(huán)境：氣動部件處于下列任何一種工作環(huán)境即稱為惡劣工作環(huán)境：①高溫；②高濕度；③高振動；④高輻射；⑤腐蝕性環(huán)境；⑥腐蝕性介質(zhì)；⑦臟污介質(zhì)。

正常工作環(huán)境：不具備以上任何一種的工作環(huán)境稱為正常工作環(huán)境。

3.2 維修模板制定

根據(jù)氣動閥門氣動部件的工作原理及內(nèi)部經(jīng)驗(yàn)反饋，結(jié)合氣動部件故障模式及可靠性分析，以過濾減壓閥為例制定不同氣動部件的維修模板，如表2所示。

4 維修模板優(yōu)化

維修模板建立完善后，不應(yīng)該是靜態(tài)的，即模板內(nèi)容需要根據(jù)模板在現(xiàn)場應(yīng)用的反饋進(jìn)行及時調(diào)整和升版，例如新增維修技術(shù)類型或調(diào)整維修任務(wù)對應(yīng)的周期等。一般每2 a集中升版一次，維修模板升版后，維修大綱也要相應(yīng)升版。圖2為維修模板在大綱編制及優(yōu)化中的流程。

5 總 結(jié)

該研究成果可對國內(nèi)核電廠設(shè)備可靠性管理中維修決策、故障分析與系統(tǒng)評估等相關(guān)各個環(huán)節(jié)提供重要技術(shù)支持。開發(fā)國內(nèi)核電廠設(shè)備維修策略模板，可以固化和傳承核電廠維修與故障管理的良好實(shí)踐，增強(qiáng)對維修優(yōu)化理念及維修優(yōu)化成果的運(yùn)用，有利于國內(nèi)新建及在運(yùn)機(jī)組運(yùn)維水平提升。本研究成果及后續(xù)相應(yīng)模板數(shù)據(jù)庫的建立將為國內(nèi)核電廠的運(yùn)行及維修管理奠定良好的基礎(chǔ)，為國內(nèi)核電廠設(shè)備可靠性管理實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、高效化提供重要支撐，具有廣闊的應(yīng)用前景。PM維修模板的開發(fā)應(yīng)用，展示了其在PM優(yōu)化效率方面的巨大發(fā)展前景，可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用。