維修規(guī)則范圍設備可靠性指標設定方法研究

李艷良

（中核武漢核電運行技術股份有限公司核動力維修技術中心，湖北武漢 430223）

0 引言

系統(tǒng)設備長期運行后，其性能會由于各種原因發(fā)生劣化，系統(tǒng)設備執(zhí)行預定設計功能的能力，要靠有效的維修來維持。2017年8 月9 日，國家核安全局（NNSA）借鑒美國核管會（NRC）關于維修有效性的監(jiān)管體系，發(fā)布《改進核電廠維修有效性的技術政策（試行）》，對我國核電廠實施維修規(guī)則提出指導意見。技術政策指出，應當對納入維修規(guī)則管理的構筑物、系統(tǒng)和設備（SSC）設置性能指標，用于判斷這些構筑物、系統(tǒng)和設備是否仍具備執(zhí)行相應功能的能力。研究對維修規(guī)則體系文件開發(fā)過程中可靠性指標的設定方法，給出實例分析。

1 維修規(guī)則的監(jiān)管要求

美國核管會提出的維修規(guī)則（MR）包括條款（a）和（b）兩部分內容，維修規(guī)則（b）部分規(guī)定了維修規(guī)則適用的SSC 范圍，維修規(guī)則（a）部分規(guī)定了4 項監(jiān)管要求，其中（a）-（2）部分要求執(zhí)照持有者應當證明在條款（b）所界定的系統(tǒng)或設備的性能或狀態(tài)能滿足預定要求，而是否滿足預定要求的判斷標準就是性能指標，可靠性指標是性能指標之一。為維修規(guī)則范圍內SSC 設定性能指標并進行監(jiān)測是（a）-（2）條款內容，也是核電廠實施維修規(guī)則的重要環(huán)節(jié)。

2 可靠性指標的意義

可靠性是對SSC 完成預定功能能力的一個度量，本質上是一個概率值。國際標準化組織（ISO 8402）對可靠性的定義是：單元在給定的環(huán)境和運行條件下和在給定的時間內完成規(guī)定功能的概率[3]。這里的單元可以是一個元器件或者一個設備，也可以是一個系統(tǒng)。通常用時間間隔（0，t）內的失效次數(shù)來表示單元的可靠性更直觀，在時間間隔（0，t）內失效次數(shù)越少，表明單元的可靠性越高。維修規(guī)則中用失效次數(shù)來表示SSC 的可靠性，可靠性指標的意義是SSC 在連續(xù)2 個燃料循環(huán)內發(fā)生不超過多少次的功能失效。

3 可靠性指標的設定方法

可靠性指標按照維修規(guī)則功能的風險重要度來確定，可靠性指標是設置在電廠層級、系統(tǒng)層級、列級或設備級。風險重要度高的SSC 都要設置可靠性指標，對于低風險備用功能也需要設置可靠性指標，此處的備用是指SSC 的功能是備用的，即如果一項SSC 只有通過自動或手動指令信號予以啟動才執(zhí)行其預定功能的話，則該SSC 是處于備用狀態(tài)。除此以外，SSC 的功能是正常運行所需要的。

3.1 功能組的可靠性指標設定

經(jīng)過維修規(guī)則范圍篩選，每個維修規(guī)則功能都有一組設備來支持功能的實現(xiàn)，這樣的一組設備稱為功能設備組或功能組。在設備的壽命周期中，故障率函數(shù)呈現(xiàn)著名的浴盆曲線形式，即：早期的故障率遞減期，中期的故障率近乎為常量，后期的故障率遞增期。在設備的正常使用期，設備的故障率可簡化為常數(shù)，這意味著在正常使用期，設備的性能狀況不再惡化，而是發(fā)生隨機故障，直到性能開始降級，也就是進入耗損期。

Rs（t）的意義是，在一段時間內發(fā)生不超過S 次失效的可信度，如果Rs（t）95%，則表示在一段時間內發(fā)生不超過S 次失效的可信度超過95%，也表示發(fā)生超過S 次失效的概率在5%以下，是個小概率事件。

3.2 功能組的可靠性指標設定步驟

功能組可靠性指標的設定包含初步計算、概率驗算和最終確定3 步。

3.2.1 初步計算失效次數(shù)

設備的失效模式分為需求失效和運行失效2 類，如泵的啟動失效、閥門的打開/關閉失效這類發(fā)生狀態(tài)轉換的故障都屬于需求失效，而閥門不能保持關、泵的運行故障這類不發(fā)生狀態(tài)改變的故障模式屬于運行失效。假如組內含有i 個設備，功能組的失效次數(shù)計算方法為：

其中mi為第i 個設備2 個循環(huán)內的需求次數(shù)，pi為第i 個設備單次需求失效概率，i為第i 個設備的運行失效率，Ti為第i 個設備2 個循環(huán)內的運行時間，為該功能組的預期失效次數(shù)。

對于單個設備的需求失效概率和運行失效率，電廠的概率安全評價（PSA）中已經(jīng)模化，可以運用PSA 軟件進行計算。如果1 個燃料循環(huán)為18 個月，設備在2 個燃料循環(huán)中的需求失效次數(shù)和運行時間取值方法建議如下：對于連續(xù)運轉的泵/風機，2個燃料循環(huán)內運行時間一般為去掉大修時間的有效運行時間，取30 個月；對于故障模式為不能保持開的閥門，其運行時間也取30 個月；閥門的電源開關和接觸器運行時間按動作1 次2 min 計算，閥門開關1 次按4 min 計算；泵/風機的需求次數(shù)可根據(jù)定期試驗周期來定，比如每月1 次的泵啟動試驗，在2 個燃料循環(huán)內需求次數(shù)為30 次。

3.2.2 概率驗算

假定功能組的預期失效次數(shù)S，計算功能組2 個循環(huán)內設備失效次數(shù)S 次的概率Rs（t）。通常是假定S 為0 次、1 次、2次進行試算。取Rs（t）95%對應的失效次數(shù)作為初步的可靠性指標。

3.2.3 最終確定

3.3 備用設備的可靠性指標設定

備用設備的需求失效只有成功和失敗2 種結果，其失效分布為二項分布，假如設備的需求失效概率為p，需求次數(shù)為m次，發(fā)生r 次失效的概率為：

需求失效概率可參考電廠的PSA 分析結果，設備的需求失效次數(shù)設置方法同上。

設定備用設備的可靠性指標時，首先計算設備在2 個燃料循環(huán)中的預期失效次數(shù)mp，然后取整代入式（5）中進行驗算，取P（r）95%對應的失效次數(shù)作為初步可靠性指標，同樣經(jīng)過綜合權衡后確定最終的可靠性指標。

3.4 無失效數(shù)據(jù)的可靠性指標設定

非風險重要類SSC 在電廠的PSA 中沒有分析，沒有失效率數(shù)據(jù)，則可采用歷史數(shù)據(jù)分析法設定可靠性指標。其方法為：搜集功能組內所有設備的歷史失效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源一般為工單、事件報告、狀態(tài)報告；篩選出與導致維修規(guī)則功能失效的設備相關的歷史數(shù)據(jù)，注意剔除運行操作失誤、設計缺陷、外部環(huán)境導致的功能故障，因為這些不屬于維修可預防的功能故障（MPFF）；根據(jù)連續(xù)2 個燃料循環(huán)內導致功能失效的次數(shù)，綜合考慮后設定為可靠性指標。

4 計算舉例

某核電廠安噴系統(tǒng)1 組設備的可靠性指標設定過程如下。

4.1 初步計算

首先計算組內設備在2 個燃料循環(huán)內的預期失效次數(shù)，根據(jù)式（3）計算的本組內設備所有預期失效次數(shù)之和為0.190 次（表1）。

4.2 概率驗算

取0.190 作為泊松分布的數(shù)學期望，分別計算失效次數(shù)為0次、1 次、2 次的概率，根據(jù)式（2）計算的結果見表2。

根據(jù)計算結果，可靠性指標初步確定為2 個循環(huán)內失效1次或2 次。

4.3 最終確定

綜合考慮因素有組內設備的歷史失效次數(shù)、技術規(guī)格書限制、主設備安噴泵的維修時間。結果如下：經(jīng)查組內設備的歷史失效信息，在過去的連續(xù)2 個燃料循環(huán)內，本組設備曾發(fā)生了1 次維修可預防的功能失效；在技術規(guī)格書中，1 列安全殼噴淋泵不可運行，需要在7 天內恢復運行；主設備安噴泵的修復時間約為7 天。

根據(jù)本系統(tǒng)的歷史失效情況，可靠性指標設為1 次能反映系統(tǒng)當前的可靠性狀態(tài)，考慮到安全殼噴淋系統(tǒng)的實際配置（有2 列獨立的噴淋泵組），在2 個燃料循環(huán)內允許單列泵組失效1次。如果能有效維修，仍可保證系統(tǒng)的可靠性的。如果設為2 次與當前系統(tǒng)的可靠性水平不相符。

5 總結

設定的性能指標應能對SSC 維修的有效性起到監(jiān)測作用，設定的性能指標數(shù)量不易過多，以免增加管理的負擔，也不宜太少，以至于監(jiān)測不到SSC 的降級。此外，設置可靠性指標的目的是為了更好地監(jiān)測，促使核電廠改進維修。在維修規(guī)則體系建立之初，建議按照當前的可靠性水平設置可靠性指標，一段時間之后再尋求系統(tǒng)設備可靠性的改進，設置更嚴格的指標，追求更好的業(yè)績。

表1 某電廠安全殼噴淋泵單列可靠性指標計算表（示例）

表2 概率驗算表