基于RCM的核電站維修優(yōu)化研究與應用

阮受唱 姚杰

【摘? 要】設備的維修優(yōu)化是核電站近年來發(fā)展的重要方向。論文通過對維修歷史、不同維修策略優(yōu)缺點的比較以及目前核電站維修大綱現(xiàn)狀的介紹，分析了以可靠性為中心的維修（reliability-centered maintenance，簡稱RCM）在核電站維修優(yōu)化中的應用。

【Abstract】Equipment maintenance optimization is an important direction of nuclear power plant development in recent years. Through the introduction of maintenance history， comparison of advantages and disadvantages of different maintenance strategies and current status of nuclear power plant maintenance program， this paper analyzes the application of reliability-centered maintenance （RCM） in the maintenance optimization of nuclear power plant.

【關鍵詞】維修優(yōu)化;可靠性;核電站;RCM

【Keywords】maintenance optimization; reliability; nuclear power plant; RCM

【中圖分類號】TM623.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）02-0176-03

1 維修歷史

維修是指設備技術狀態(tài)劣化或發(fā)生故障后，為恢復其功能而進行的技術活動，包括各類計劃修理和計劃外的故障修理及事故修理。自18世紀英國發(fā)起的技術革命以來，開創(chuàng)了以機器代替手工工具，逐步誕生了近現(xiàn)代的維修概念。根據(jù)工業(yè)革命歷史，人們普遍將維修歷史分為以下三個階段：

第一階段主要指第一次、第二次工業(yè)革命時期，即1950年之前。該階段工業(yè)化程度不高、主要資本家缺少預防性維修概念。此外，由于這個階段的設備主要特征是大而簡單，并且通過簡單設備組成復雜、龐大的組織機構的較少。設備損壞后通常不會引起聯(lián)動效應，損壞后影響范圍較小，其影響不會影響資本家對于利潤的追逐，無法引起人們的重視。此外，由于設備簡單，設備損壞后維修就較為簡單，因此，該階段主要以糾正性維修（corrective maintenance，簡稱CM）為主。

第二階段主要指第二次工業(yè)革命后期到1970年左右。該階段人類進入科技時代，核能發(fā)電站、航天科技等高精尖工業(yè)成果相繼出現(xiàn)。設備逐漸復雜化、精細化，單一設備的損壞對于系統(tǒng)的影響已經(jīng)十分突出。隨著電子信息技術的發(fā)展，人們已經(jīng)會利用當時前沿信息科技對設備進行狀態(tài)監(jiān)測。通過對設備狀態(tài)進行檢測，當發(fā)現(xiàn)設備重要指標有不滿足趨勢時則及時對設備進行維修，將這種維修策略稱之為狀態(tài)維修（condition based maintenance，簡稱CBM）。由于狀態(tài)維修能夠預測設備故障的時間，因此，CBM有時也被稱為預測性維修（predictive maintenance，簡稱PdM）。由于該維修策略成本低、可靠性較高，對于設備失效后不會引起重大影響的工業(yè)設備，目前仍普遍采用該維修策略。

經(jīng)過第二階段維修發(fā)展后，對于類似核電站、航空工業(yè)等領域設備失效后造成重大影響的，則逐步轉(zhuǎn)向以可靠性、安全性、經(jīng)濟性全面考慮的維修策略。該階段主要指在1970年之后，稱為維修歷史的第三階段。隨著高精尖科技的發(fā)展，人們對第二階段的維修歷史經(jīng)驗進行總結，通常會對設備故障的影響進行分析（failure mode effect analysis，簡稱FMEA）。通過分析可以更加精確定位需要維修的設備，選擇更加合適的維修策略。

2 RCM與其他維修策略的比較

RCM理論目前公認起源于1999年國際汽車工程師協(xié)會（SAE）頒布的RCM標準《以可靠性為中心的維修過程的評審準則》（SAEJA1011），該標準提出了正確的RCM過程應遵循的準則。應用RCM理論必須完整回答以下七個問題：

①在現(xiàn)行的使用背景下，裝備的功能以及相關的性能指標是什么？

②在什么情況下裝備無法實現(xiàn)其功能？

③引起裝備功能故障的原因是什么？

④各類故障發(fā)生時，會出現(xiàn)什么情況？

⑤各類故障在什么情況下至關重要？

⑥做什么工作才能預測或者預防各類故障？

⑦如果無法找到合適的主動任務應該做哪些工作？

目前，核電站維修體系中主要涉及的維修策略有糾正性維修、定期維修（time based maintenance，簡稱TBM）、狀態(tài)維修、適應性維修（adaptive maintenance，簡稱AM）等。

RCM與CBM：CBM顧名思義就是對設備的狀態(tài)進行定期監(jiān)測，當設備的狀態(tài)發(fā)生惡化時，考慮對設備進行維修。CBM的主要優(yōu)勢在于可以通過對設備監(jiān)測來替代特定期維修，僅在設備接近不可用時再進行維修。CBM的缺點在于并不是所有設備都有特定參數(shù)可供監(jiān)測，使用范圍有限。CBM由于未區(qū)分設備重要性，可能導致制定了多余的維修大綱而造成資源浪費，也可能有重要設備未制定維修大綱而造成重大損失。RCM可以完美規(guī)避CBM的缺點，做到對癥下藥。由于CBM也可以檢測一些重要設備的狀態(tài)，因此，CBM被認為是RCM維修類型中的一種。

RCM與TBM：TBM主要適用于易損壞、易老化的設備。根據(jù)廠家設備說明，對于易損壞、易老化的設備只要運行到一定時間，就對設備進行維修以避免設備故障，因此，也被稱為預防性維修。TBM的優(yōu)點在于可以在設備故障前進行維修以預防設備故障發(fā)生，缺點在于廠家往往過于保守，給定的易損件、易老化部件壽命遠小于設備的實際壽命，按照廠家給定周期定期維護容易造成成本上升。RCM則可以對TBM進行補充、完善，根據(jù)設備失效后果針對性制定不同的維修策略。

RCM與CM：CM即在設備失效后進行維修，該維修策略并不是核電站維修策略的主體，主要作為預防性維修的補充。此外，可以通過對設備類型、設備工作環(huán)境的CM次數(shù)統(tǒng)計，結合RCM分析選擇CM頻率較高的設備制定相應的維修大綱。

RCM與AM：AM的核心在于對應維修策略可以使得維修和生產(chǎn)損失費用的和最小化。該維修策略在經(jīng)濟性和思路方面整體與RCM保持一致，但是核電站維修策略制定過程中不能僅考慮經(jīng)濟利益的最大化，還需要充分考慮放射性物質(zhì)排放管控、公眾影響等。因此，在非核安全設備維修策略的制定時AM與RCM是高度一致的，在核安全設備維修策略的制定時RCM明顯優(yōu)于AM。

通過比對核電常用維修策略與RCM可以發(fā)現(xiàn)，目前，核電站的維修策略均有一定的可取之處，但是已有維修策略的缺點也極為明顯，在全面性上與RCM差距較大。

3 RCM可作為核電站重要的維修優(yōu)化工具

核電站預防性維修大綱是核電站需進行預防性維修的系統(tǒng)設備的項目總和，核電站預防性維修大綱主要包括以下信息：功能位置、大綱標題、維修周期、執(zhí)行部門、維護計劃、維修項目、標準包、大綱來源（一般由常規(guī)預防性項目、法規(guī)項目、定期試驗監(jiān)督大綱項目、配合類項目組成）等。RCM是一種正向分析方法，按照RCM七問可以推斷出設備故障的不同后果。核電設備故障可能造成不同的影響，主要有：放射性物質(zhì)外泄、停止堆芯運行、停止汽輪機發(fā)電、機組降低核功率運行、機組降低發(fā)電功率運行、設備不影響機組正常發(fā)電、設備影響世界核運營協(xié)會（The World Association of Nuclear Operators，簡稱WANMO）因子等?？梢詫⒃O備維修分為狀態(tài)監(jiān)測（如貫穿件實驗）、定期維護（如定期解體檢修）、定期試驗（如一回路水壓試驗）、糾正性維修、改造等維修類型。通過分析設備失效后不同影響來選擇不同的維修策略，不僅可以提高設備的可靠性，還可以降低維修成本。

自1980年之后，RCM在世界各個工業(yè)領域（包括航空、石油、化工、電力、鐵路等）都得到了廣泛的應用。因此，RCM更應該在核電領域進行推廣，使之成為最重要且最基本的維修優(yōu)化方法。

4 核電站的維修大綱現(xiàn)狀及RCM的運用分析

目前，核電站維修策略的制定主要依托于核電機械設備運行維護手冊（equipment operation maintenance manual，簡稱 EOMM）。依據(jù)EOMM手冊中給定設備短期簡單維護、長期解體檢修維護信息制定相應的監(jiān)測大綱、維修大綱。此外，根據(jù)壓水堆核電廠核島機械部件在役檢查規(guī)則（簡稱RSEM）、國家法規(guī)要求等建立了一套在役檢查大綱。根據(jù)各種維修大綱編制對應維修標準包、維修程序等，建立一套完善的預防性維修體系。同時，核電站運行周期內(nèi)也會產(chǎn)生大量的設備損壞造成的維修、廠家設備制造缺陷產(chǎn)生的維修、多個核電基地經(jīng)驗反饋產(chǎn)生的維修等問題，這類維修統(tǒng)稱為糾正性維修。糾正性維修與預防性維修共同形成了目前核電站的維修體系。目前的維修大綱主要有以下缺陷：

①維修大綱不合理導致設備可靠性低。在很多情況下，運行狀態(tài)良好的設備因預防性維修時間節(jié)點到期而不得不進行解體檢修，不僅浪費人力、物力還容易在維修過程中產(chǎn)生新的糾正性維修，甚至設備損壞。如某核電站化學試劑注入系統(tǒng)（簡稱SIR）、給水流量控制系統(tǒng)（簡稱ARE）、加氮的氣動隔離閥的維修策略為閥體、氣動頭六個換料周期解體檢修。該閥門主要失效點在于氣動閥頭執(zhí)行機構隔膜老化、漏氣導致閥門無法正常開關。閥體部分結構為簡單的閥桿閥板組件、盤根以及閥體閥蓋密封焊結構，無易損、老化件，且閥門年度開關次數(shù)少，所以不容易損壞。但是若經(jīng)常切割、焊接密封焊結構則存在閥體損壞而需要更換整閥的風險。此外，氣動頭解體檢修包含氣動頭性能試驗（簡稱Fratol試驗），也可以同步檢測閥體落座力、開關性能等。因此，通過RCM分析后，大綱優(yōu)化為保持氣動頭六個換料周期解體檢修，閥體部分則延長到九個換料周期維修。優(yōu)化后不僅沒有降低設備的可靠性，還延長了設備使用壽命并且降低了維修成本，提升了核電站的經(jīng)濟效益。

②盲目設置大綱導致維修費用過高。例如，在某核電站中很多閘閥、逆止閥設備在每個換料周均有閥蓋或盤根力矩校驗工作。對于逆止閥的正常大綱維修需要系統(tǒng)停運、泄壓，對于閘閥則更為苛刻，不僅要求系統(tǒng)停運、泄壓，還要求閥門處于非關閉狀態(tài)。此外，閘閥校驗盤根力矩后可能導致閥門開關時間變化甚至引起閥門卡澀抖動等缺陷，因此，力矩校驗后可能需要進行額外的動作檢查。相關工作均需要安排專門的檢修窗口，并投入大量的計劃、運行及維修人員，導致人力及時間成本的浪費。后續(xù)該核電站針對該問題進行完善的RCM分析，采取類似大綱取消、大綱延長周期等手段，將單臺機組的閘閥、逆止閥的力矩校驗工作大綱從140余項減少至少于30項，極大地降低了維修費用。

③沒有考慮設備在系統(tǒng)中的作用，同樣的設備在不同的運行條件下盲目采用幾乎同樣的維修策略。例如，某核電站的安全閥大綱均在同一功能位置設置六個換料周期的解體檢修大綱以及三個換料周期的離線校驗大綱。其中，部分安全閥在冷卻水系統(tǒng)中使用，由于該核電站冷卻水使用的是海水，整體水質(zhì)不佳，因此，六個換料周期解體大綱是合理的。部分安全閥在氫氣、壓縮空氣系統(tǒng)中使用，安全閥使用環(huán)境極佳，已有三個換料周期的校驗大綱后完全沒必要進行六個換料周期的解體。后續(xù)通過RCM分析對部分系統(tǒng)的安全閥大綱進行刪減優(yōu)化，減少了不必要的大綱。

④在設置大綱過程中未合理考慮設備可靠性。例如，在某核電集團范圍內(nèi)多基地的安全殼換氣通風系統(tǒng)（簡稱EBA）和安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱ETY）的貫穿件隔離閥均未設置相應的維修大綱。追根溯源，主要由于其最早投產(chǎn)的兩臺核電機組采用的是法國產(chǎn)的氣動蝶閥，該種閥門整體可靠性好，不容易出現(xiàn)問題。但是其后續(xù)多基地新建的核電機組未采用相同的氣動蝶閥，而是采用了國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的快關蝶閥，由于材料及工藝上的差異，導致設備可靠性有一定程度的下降，但是對應的維修大綱還是使用早期兩臺機組的大綱，從而導致設備可靠性降低。通過RCM分析后，不同核電站分別設置定期貫穿件密封試驗、執(zhí)行機構定期檢查等大綱，提升了設備的可靠性。

5 結語

目前，核電站在建造初期依托EOMM建立的PM維修大綱已經(jīng)無法同時滿足核電站運行可靠性以及經(jīng)濟性的要求。根據(jù)RCM七問思路逐項對于目前已有設備大綱進行復核，對于不直接產(chǎn)生影響的或者影響屬于可接受范圍內(nèi)的設備，考慮維修大綱的刪減、延長周期等是十分必要的。各核電站應結合實際情況，充分運用RCM理論建立適合的維修大綱，提升核電站整體系統(tǒng)和設備的可靠性與經(jīng)濟性。