核電廠高壓電動機FMEA分析及維修模板開發(fā)

杜預(yù)，陳宇，曹智鵬，青晨，馬沂藎

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

核電廠高壓電動機FMEA分析及維修模板開發(fā)

杜預(yù)，陳宇，曹智鵬，青晨，馬沂藎

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

本文在深入了解核電廠高壓電動機原理及結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上，對其展開故障模式及影響分析（FM EA），然后依托國內(nèi)外經(jīng)驗反饋為各種故障模式選擇合適管理任務(wù)，并結(jié)合設(shè)備等級分類選定維修周期，最后匯總各階段成果完成維修模板的開發(fā)。本維修模板可以為國內(nèi)核電廠高壓電動機的設(shè)備管理提供技術(shù)參考，對于實現(xiàn)核電廠設(shè)備可靠性管理的標準化、高效化具有重要意義。

核電廠高壓電動機；FM EA；維修模板

國家核安全局在《核安全與放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠景目標》中指出，核能與核技術(shù)利用事業(yè)應(yīng)進一步提高核安全設(shè)備可靠性。然而目前國內(nèi)各新投運核電廠在核安全設(shè)備管理上，通常既缺乏電廠自身運行數(shù)據(jù)的支撐，又沒有國內(nèi)核能行業(yè)統(tǒng)一的可靠性管理技術(shù)文件可供參考，不能及時為設(shè)備制定出高質(zhì)量的維修策略，給機組的安全可靠運行帶來隱患。

近20年來，預(yù)防性維修策略模板（PM Template）在工業(yè)領(lǐng)域尤其是核能行業(yè)得到了廣泛、成功應(yīng)用。實踐經(jīng)驗表明，維修模板的應(yīng)用能夠快速、高效地制定、優(yōu)化維修策略，顯著提高設(shè)備運行可靠性，為核電機組安全可靠運行掃除隱患。因此，為核安全相關(guān)設(shè)備開發(fā)預(yù)防性維修策略模板具有重要意義。

本文即是以核電廠主動力設(shè)備之一的高壓（6 kV/10 kV）電動機為開發(fā)對象，在深入了解高壓電動機結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上，對其進行故障模式及影響分析（FMEA），并依托經(jīng)驗反饋為各故障模式選擇維修任務(wù)，再結(jié)合設(shè)備關(guān)鍵度/運行頻度/運行環(huán)境分析，選定維修周期，最后匯總維修策略形成核電廠高壓電動機預(yù)防性維修策略模板。開發(fā)本維修模板，能夠為國內(nèi)核能行業(yè)高壓電動機的設(shè)備管理提供技術(shù)參考，具有重要價值和現(xiàn)實意義。

1　高壓電動機基本結(jié)構(gòu)介紹

1.1基本結(jié)構(gòu)

國內(nèi)核電廠在役機組的高壓電動機一般為三相交流感應(yīng)電機，電壓等級為6 kV（6.0/6.3/6.6）或10 kV，其轉(zhuǎn)子絕大部分為鼠籠式（圖1），少部分為繞線式（圖2）。高壓電動機在基本結(jié)構(gòu)方面與普通低壓（380V）三相交流感應(yīng)電動機一致，如圖1、圖2所示；但在冷卻方式、軸承及其組件、溫度監(jiān)測等方面卻有較大不同。

1.2冷卻方式

高壓電動機的冷卻方式，根據(jù)功率大小和功能重要性，通常采取以下兩種冷卻方式：

圖1　鼠籠式高壓電動機基本結(jié)構(gòu)

圖2　高壓電動機繞線式轉(zhuǎn)子基本結(jié)構(gòu)

（1）空水冷冷卻方式。在核電廠，通常功率大于1500 kW或關(guān)鍵敏感的高壓電動機采用空水冷冷卻方式（空水冷代碼為IC81W[2]），這是一種內(nèi)循環(huán)為空冷自循環(huán)，外循環(huán)為強迫水冷的電動機冷卻方式。典型空水冷高壓電動機及其空水冷卻器結(jié)構(gòu)如圖3所示：電動機兩端風(fēng)扇驅(qū)動內(nèi)循環(huán)空氣從兩端吸入，經(jīng)過與電機定、轉(zhuǎn)子熱交換后，從中間向上流入水冷卻器，再與冷水管進行熱交換后，流向兩邊進入下一循環(huán)。

（2）空空冷冷卻方式。空空冷冷卻方式（空空冷代碼為IC611[2]）是高壓電動機另一種較為常用的冷卻方式，這是一種內(nèi)循環(huán)為空冷自循環(huán)，外循環(huán)亦為空冷自循環(huán)的電機冷卻方式。典型空空冷高壓電動機基本結(jié)構(gòu)如圖4所示：定、轉(zhuǎn)子鐵心與軸驅(qū)內(nèi)風(fēng)扇組成內(nèi)風(fēng)路，把電機內(nèi)部熱量帶給冷卻器熱交換管外圓，風(fēng)罩與軸驅(qū)外風(fēng)扇共同組成外風(fēng)路，將熱量從空空冷卻器熱交換管內(nèi)圓帶走。

圖3　典型空水冷高壓電動機及其空水冷卻器

圖4　典型空空冷高壓電動機基本結(jié)構(gòu)

1.3軸承及潤滑方式

軸承是電動機的核心部件之一，高壓電動機的軸承及其潤滑方式較為復(fù)雜，是該設(shè)備在日常維護、解體檢修時需要重點關(guān)注的對象之一。

（1）軸承。軸承根據(jù)摩擦方式分為滾動軸承和滑動軸承，根據(jù)載荷方向分為徑向軸承和推力軸承。高壓電動機的兩端軸承可能為滾動軸承，或者滑動軸承，或者兩者的組合。大亞灣核電基地通常額定功率在大于或等于表1數(shù)值時，采用滑動軸承；否則，采用滾動軸承。

表1　大亞灣核電基地高壓電動機軸承選擇參照表

（2）潤滑方式。高壓電動機軸承的潤滑方式有3種：第一，脂潤滑，主要適用于載荷、轉(zhuǎn)速較小的滾動軸承；第二，自循環(huán)稀油潤滑，主要適用于載荷較高的滾動軸承和對散熱要求不高的滑動軸承；第三，強迫循環(huán)稀油潤滑，主要適用于載荷較大、散熱要求較高的滑動軸承。

高壓電動機軸承及其組件典型結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。

圖5　高壓電動機滾動軸承組件典型結(jié)構(gòu)圖

圖6　高壓電動機滑動軸承組件典型結(jié)構(gòu)圖

1.4溫度監(jiān)測及加熱器

從安全性、可靠性和經(jīng)濟性角度考慮，核電廠高壓電動機一般配置了較多的測溫裝置，包括：驅(qū)動端軸承測溫裝置，非驅(qū)動端軸承測溫裝置和定子繞組（A、B、C相）測溫裝置。

核電廠高壓電動機均帶有加熱器系統(tǒng)，保持電動機繞組干燥，啟停方式包括兩種：（1）電機停運時，自動投運加熱器系統(tǒng)；（2）根據(jù)現(xiàn)場溫度，由溫度開關(guān)控制加熱器啟停。

核電廠高壓電動機測溫裝置和加熱器系統(tǒng)典型配置如圖7所示。

圖7　核電廠高壓電動機測溫裝置和加熱器系統(tǒng)典型配置圖

1.5接線盒及接地端子

核電廠高壓電動機機身裝有較多的接線盒，通常包括：主出線盒；中性點出線盒；溫度傳感器接線盒；加熱器接線盒。其中，主出線盒和中性點出線盒附近，通常設(shè)有接地端子。

2　FMEA分析及維修任務(wù)選擇

本文在深入了解核電廠高壓電動機基本結(jié)構(gòu)組成后，對其展開了故障模式及影響分析（FMEA），并依托經(jīng)驗反饋，為每個故障模式選擇了相應(yīng)的維修任務(wù)。

2.1邊界劃分

本文在進行FMEA分析之前，對核電廠高壓電動機設(shè)備邊界界定如下：（1）主電源電氣接口：包含電動機的動力電纜，但不包含電動機動力電源開關(guān)饋線側(cè)的接線端子；（2）防潮加熱系統(tǒng)接口：包括加熱器電源接線盒、指示燈、溫控開關(guān)、就地控制開關(guān)和就地控制開關(guān)連接的動力電纜，不包括該動力電纜另一端的接線端子；（3）儀控接口：包括儀控探頭及其連接的儀控電纜，不包括該儀控電纜另一側(cè)的接線端子；（4）電動機驅(qū)動端機械接口：包含電機側(cè)的靠背輪或傳動輪，不包括電機負荷側(cè)靠背輪及兩側(cè)靠背輪的連接螺栓或傳動帶；（5）軸承強迫循環(huán)稀油潤滑系統(tǒng)機械接口：僅包括潤滑油進入軸承的進油孔或噴油嘴，不包括除此之外的整個強迫循環(huán)稀油潤滑系統(tǒng)；（6）電動機空水冷卻器機械接口：截止到水冷器進、出水口法蘭；（7）土建接口：包含電機底座地腳螺栓，不包括電機的支撐平臺或地基。

2.2FMEA分析

本文將核電廠高壓電動機分為8個功能模塊，針對每個模塊中的零部件，展開故障模式及其影響向分析。本文共分析了40種故障模式及其影響，簡述如下：（1）定子繞組模塊，有定子繞組短路、絕緣老化、斷線、槽楔松動等4種主要故障模式，故障影響主要為定子繞組絕緣損壞燒毀電機或電機三相電流不平衡，有異常噪聲或振動大，甚至無法啟動；（2）轉(zhuǎn)子模塊，有轉(zhuǎn)軸或鼠籠導(dǎo)條斷裂、集電環(huán)表面不光潔、電刷磨損等5種主要故障模式，故障影響主要為電機出力下降、振動加劇直至不可用，或者集電環(huán)、電刷過熱燒毀，電機不可用；（3）軸承及其組件模塊，有軸承潤滑油脂過少、軸承潤滑油脂老化、甩油道（盤）堵塞、加油嘴彈簧松脫、軸承電流腐蝕、潤滑油冷卻水管堵塞等6種主要故障模式，故障影響主要為軸承磨損加劇或冷卻不足，最終導(dǎo)致軸承損壞，電機停運；（4）電機本體緊固/外殼/接地模塊，有電動機本體緊固件或地腳螺栓松動、表面污垢多、通風(fēng)道堵塞、接地線斷線或螺栓松脫等5種主要故障模式，故障影響主要為電機振動加劇直至不可用，或本體溫度升高，或危害人身安全等；（5）動力電纜/接線盒模塊，有電纜絕緣層老化、接線端子松動/銹蝕或氧化、接線盒密封件老化、引出線絕緣支撐柱老化破裂等4種主要故障模式，故障影響主要為電纜或接線端子絕緣擊穿引發(fā)電源接地短路故障，或接線端子、繞組受潮絕緣下降等；（6）防潮加熱系統(tǒng)模塊，有加熱器損壞、接線端子松動/斷裂/銹（腐）蝕、電纜絕緣老化、溫控開關(guān)損壞等4種主要故障模式，故障影響主要為無法保持定子繞組充分干燥，加速定子繞組絕緣老化，降低電機壽命；（7）冷卻系統(tǒng)模塊，有冷卻器外表面或冷水管/風(fēng)管內(nèi)部污垢多、冷水管/管板接口內(nèi)外表面腐蝕或銹蝕、冷卻器法蘭泄漏、風(fēng)扇葉片斷裂或風(fēng)扇蓋板變形、風(fēng)扇防護罩鎖緊螺栓松動、冷卻器端面的密封材料老化等6種主要故障模式，故障影響主要為電機散熱不良，本體溫度升高，繞組絕緣加速老化，或者冷卻水進入電機本體繞組，加速定子繞組絕緣老化，或者電機振動加劇直至不可用等；（8）儀控探頭模塊，有溫度探頭損壞或接觸不良或絕緣低、測振探頭損壞或接觸不良或絕緣低等6種故障模式，故障影響主要為導(dǎo)致運行人員無法及時發(fā)現(xiàn)電機故障先兆，嚴重時造成電機損壞。

2.3維修任務(wù)選擇

本文在分析高壓電動機的故障模式及其影響時，均為其選擇了能有效管理該故障模式的維修任務(wù)，其中部分維修任務(wù)可管理高壓電動機的多種故障模式。

本文為高壓電動機選取的維修任務(wù)可分為三類：狀態(tài)監(jiān)測（C），共41種；定期翻新（R），共4種；定期更換（D），共4種。

3　周期選擇

3.1設(shè)備分類

為維修任務(wù)選擇周期之前，需要結(jié)合設(shè)備重要程度、使用頻度和運行工況，對高壓電動機進行設(shè)備分類。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。

本文設(shè)備分類具體如下：

（1）重要程度分級。根據(jù)高壓電動機的故障后果，將該設(shè)備分為：①重要設(shè)備（C），涉及安全和機組可用性的設(shè)備，其失效導(dǎo)致的后果非常嚴重不可接受；②功能不重要但經(jīng)濟重要設(shè)備（M），不直接影響機組安全和可用性，但會造成較大經(jīng)濟損失設(shè)備。

（2）使用頻度分類。根據(jù)高壓電動機的使用頻度，將該設(shè)備分為：①使用頻度高設(shè)備（H）；②使用頻度低設(shè)備（L）。

（3）運行工況分類。根據(jù)高壓電動機的運行工況，將該設(shè)備分為：①惡劣工況設(shè)備（S）；②正常工況設(shè)備（M）。

本文經(jīng)統(tǒng)計分析，認為核電廠高壓電動機均為重要設(shè)備（C），因此將所有核電廠高壓電動機分為四類設(shè)備：CHS、CHM、CLS、CLM。

3.2周期選擇

如前所述，本文將核電廠高壓電動機分為四類，因此每一個維修任務(wù)需要針對這四類設(shè)備選擇維修周期。

本文在選擇周期時，根據(jù)設(shè)備等級和AP913目標，遵循如下原則：（1）“CHj”=>“CLj”，j={S，M}：設(shè)備運行頻度由高到底，分析檢修周期是否需要改變；（2）“CiS”=>“CiM”，i={H，L}：設(shè)備運行環(huán)境變化，分析檢修周期是否需要改變。

周期主要參考：（1）核電廠高壓電動機運行維修手冊；（2）核電廠高壓電動機運行經(jīng)驗反饋；（3）對高壓電動機設(shè)備的認識、專業(yè)技能；（4）核電廠高壓電動機的FMEA分析；（5）定量化分析。

表2　核電廠高壓電動機維修模板（圖）

4　維修模板

本文在完成以上各階段工作以后，將各階段成果匯總，并錄入規(guī)定格式，即為核電廠高壓電動機維修模板，如表2（圖）所示。

本核電廠高壓電動機維修模板中共有40種故障模式，49種維修任務(wù)，每種維修任務(wù)均有4種維修周期，以適應(yīng)四類不同運行頻度不同運行工況的高壓電動機。

5　總結(jié)

本文結(jié)合國內(nèi)外核能行業(yè)維修模板開發(fā)與應(yīng)用的良好實踐，根據(jù)國內(nèi)核電廠的實際情況，深入了解了核電廠高壓電動機的結(jié)構(gòu)及組成，然后對其開展FMEA分析，為每個故障模式選擇合適的維修任務(wù)，并結(jié)合設(shè)備的重要度、運行頻度和運行工況，為每個維修任務(wù)選定了四個設(shè)備等級的維修周期，最后匯總各階段成果，完成本次維修模板的開發(fā)。本文開發(fā)的核電廠高壓電動機維修模板，經(jīng)過評審得到了業(yè)界評審專家的肯定。本維修模板可以為國內(nèi)核電廠高壓電動機的設(shè) 備管理提供技術(shù)參考，對于實現(xiàn)核電廠設(shè)備可靠性管理的標準化、高效化具有重要意義。

[1] 張圣.壓水堆核電廠維修模板開發(fā)與應(yīng)用研究.核動力運行研究，2015,Vol.28,No.2:26-31.

[2] GB/T 1993《旋轉(zhuǎn)電機冷卻方法》.1993,第7章.

TM 315

A

1671-0711（2016）09（下）-0037-04