基于核電廠維修規(guī)則實施RCM預維優(yōu)化的研究

韓 偉，徐霞軍，周哲俊，滕建剛，趙國輝

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

自2010年以來，國家核安全局一直在籌劃和推動國內核電廠逐步建立基于性能和風險監(jiān)測的安全監(jiān)督體系，要求核電廠對其重要系統(tǒng)、設備和構筑物建立安全性能準則，對設備和系統(tǒng)退出運行進行維修和試驗活動時的風險進行監(jiān)測和管理，即用維修規(guī)則(MR)來管理；MR的實施也將有助于國家核安全局將有限的資源集中在對核電廠安全性能的結果和風險控制過程的監(jiān)督上，確保安全重要SSCs得到有效監(jiān)管，提高監(jiān)管效率。同時，近年來國內核電營運單位或研究機構開展了設備可靠性管理和維修優(yōu)化的工作，例如可靠性過程管理(INPO AP-913)和以可靠性為中心的維修(RCM)等，以期在確保安全相關構筑物、系統(tǒng)及部件可靠性的同時，降低因維修過度或不足而導致安全或經濟上的影響。

2016年11月國家核安全局發(fā)布了《提高核電廠維修有效性的技術政策(征求意見稿)》，2019年4月組織了《維修規(guī)則實施大綱》的專題討論，擬在國內核電廠推廣應用維修規(guī)則，目前國內各核電廠也在開展維修規(guī)則研究和試點工作，逐漸具備了基于維修規(guī)則實施RCM預維優(yōu)化工作的條件；基于維修規(guī)則實施RCM預維優(yōu)化工作，可以保證核電守住安全底線，滿足核安全監(jiān)管要求所需要的固有安全可靠性，同時提高核電廠運行可靠性和經濟性。

1 維修規(guī)則

1.1 維修規(guī)則的基本內容

維修規(guī)則是美國核管會基于有效維修對核安全有重要影響的認知，于1991發(fā)布的一份法規(guī)文件10 CFR 50.65《Requirements for monitoring the effectiveness of maintenance at nuclear power plants》，譯為《核電廠維修有效性監(jiān)測要求》，工業(yè)界稱之為“Maintenance Rule(維修規(guī)則)”(簡稱“MR”)。1996年在美國核電廠正式實施，2000年NRC對該規(guī)則進行了修訂，維修規(guī)則是美國第一個風險指引(risk-informed)和基于性能(performance-based)的強制性管理要求。

維修規(guī)則適用于對安全相關和部分非安全相關SSCs的維修監(jiān)管，為配合監(jiān)管要求，美國核資源理事會于1993年5月提交了一份維修規(guī)則的實施指導文件NUMARC 93-01《核電廠維修有效性監(jiān)測行業(yè)指導》，NRC隨后發(fā)布R.G.1.160《監(jiān)測核電廠維修的有效性》對NUMARC 93-01進行認可并建議核電廠參考應用。

實施維修規(guī)則的主要目的是衡量/評價核電廠的維修有效性，強調適當、有效的維修對核電廠安全的重要性，保證核電廠核與輻射安全相關的SSCs維修活動的有效性和正當性，保證核電廠SSCs在合理維修的基礎上能夠執(zhí)行既定功能，同時在可靠性與可用率之間尋求最佳平衡點。

維修規(guī)則包括范圍篩選、風險重要性判斷、性能指標設定、狀態(tài)轉換、維修有效性定期評估和維修活動風險管理等模塊，各模塊相互關聯；實現維修有效性的監(jiān)測和評估要求；通過設定性能指標持續(xù)監(jiān)測目標SSCs，對不滿足性能指標的SSCs加強關注和采取措施，從而提高設備可靠性，并實現可靠性與可用性的平衡。

1.2 維修規(guī)則的應用效果

美國實施維修規(guī)則后，由于人力物力資源集中用于關鍵系統(tǒng)和設備，能減少關鍵設備故障所導致的跳機或降負荷的概率；此外MR的維護風險管理提供了擴大在線維修的基礎，約有半數以上的大修項目可以從大修階段調整到日常進行，有效減少大修階段人力物力的負荷，不僅提高檢修質量，也縮短大修工期，有效的提升了機組的安全性及營運績效。

自美國于1996年正式實施MR后，效益顯著，核電廠績效持續(xù)提升，取得了卓有成效的成績，美國核電廠人員稱贊維修規(guī)則是美國歷來最好的核能管制法規(guī)；其中主要實施效果包括以下3方面：

(1)降低核電廠重大事件次數

美國核電廠平均重大事件次數由20世紀90年代開始實施之時呈逐年下降的趨勢，由年均0.2次持續(xù)降低，除了因核電廠提高自身管理及硬件改造外，MR的實施，也是是引起這種變化較為重要的因素之一。

(2)提高核電廠平均能力因子

美國核電廠平均能力因子由20世紀90年代開始實施之時的76.6%開始持續(xù)提升，目前已經達到90.0%以上。

(3)減少核電廠平均換料大修時間

美國核電廠平均換料大修時間由開始實施時的80 d開始持續(xù)減少，核電廠在控制風險的同時，將更多的大修期間的任務靈活地調整為功率運行下的在線維修或試驗。

維修規(guī)則實施的主要成效不僅在于能力因子的提升、換料大修時間的縮短和平均重大事件次數的降低，還利于核電業(yè)主識別高風險的SSCs，掌握重要安全系統(tǒng)性能狀況，系統(tǒng)評價維修有效性，確保檢修作業(yè)質量，減少非停或降功率次數，從而提高機組安全度和設備可靠度；也有利于核電業(yè)主充分利用核電廠的資源提高維修的有效性，調整和控制可用性和可靠性的平衡，使得核電廠的運行安全和經濟性得到提高; 核電業(yè)主可以將MR作為擴大在線維修的基礎，提升大修品質和縮減大修工期，增加發(fā)電績效，達到在線維修自主管理的目標。同時維修規(guī)則也可作為整體核電廠安全評估的基礎。

2 以可靠性為中心的維修

2.1 以可靠性為中心的維修的基本內容

RCM(Reliability Centered Maintenance)意為“以可靠性為中心的維修”，是目前國際上流行的、用以確定設備預防性維修需求、優(yōu)化維修制度的一種系統(tǒng)工程方法。按國家軍用標準GJB 1378—92《裝備預防性維修大綱的制定要求與方法》，RCM定義為：“按照以最少的資源消耗保持裝備固有可靠性和安全性的原則，應用邏輯決斷的方法確定裝備預防性維修要求的過程或方法”。

RCM 思想最早起源于 20 世紀 60 年代的美國航空領域。結合美國航空界和美國軍方相關理論研究和實踐成果，經過系統(tǒng)研究和總結，Stanley Nowlan 和 Howard Heap 于 1978 年發(fā)表了《Reliability Centered Maintenance》，正式提出了以可靠性的維修優(yōu)化技術(RCM)，奠定 RCM 學科的重要理論基礎。RCM 目前已經發(fā)展成為國際通用的一種優(yōu)化維修制度、改進設備管理策略的系統(tǒng)工程方法。

美國電力科學研究院(EPRI)最早于 1983 年開始將 RCM 引入至Turkey、McGuire、San Onofre三座核電廠進行研究與應用，取得了顯著效果，之后在美國多座核電廠得到推廣。近幾十年來，核能領域廣泛引進并推行 RCM，RCM 維修優(yōu)化技術在核能領域維修管理、設備管理中發(fā)揮越來越大的作用。

RCM的基本思路是對系統(tǒng)進行功能與故障分析，明確系統(tǒng)內各故障后果；用規(guī)范化的邏輯決斷程序，確定各故障后果的預防性對策；通過現場故障數據統(tǒng)計、專家評估、定量化建模等手段在保證安全性和完好性的前提下，以最小的維修停機損失和最小的維修資源消耗為目標，優(yōu)化系統(tǒng)的維修策略。它是確定設備預防性維修需求的一種方法、手段或過程，它有實實在在的分析過程與內容，它不是一種具體的維修方式，也不是籠統(tǒng)意義上的維修思想，它是一種分析過程和方法。

2.2 以可靠性為中心的維修的應用效果

RCM是一種以可靠性為中心的維修理論與方法，其重在管理故障后果，針對故障后果制訂相關維修策略，從而預防或減輕故障的影響。RCM的分析與應用的主要效果如下：

(1)提高核電廠經濟效益

通過RCM分析確定的維修任務在保證維修效果的前提下對維修內容與頻度進行了優(yōu)化，減少了人工時的投入，同時采取了最有效的維修任務，對不必要的項目進行了整合與精簡，有數據表明RCM可使定期維修工作量下降約40%～70%，從而降低了維修成本，提高了維修的經濟效益。此外，RCM分析后確定的部分維修任務的頻度延長，或采用了可在線維修替代原先需要停機檢修的任務，減少了停機時間，提高了運行效益。

(2)提高設備可靠性

RCM分析通過建立故障模式與功能故障間的關系，為設備確定了合適的維修內容與頻度，在確保設備有全面的維修任務的同時也避免了對設備的過度維修，從而減少了設備因缺乏預防性維修以及維修過于頻繁而造成的設備失效，提高了設備的可靠性。

(3)延長貴重設備的壽命

在RCM分析過程中，通過確保每臺設備得到最低限度必需的維修，有助于確保設備與其保持完好的支撐結構和備件同壽命，有助于用戶獲得最長的單獨部件的有用壽命。同時，確定主動性維修工作時優(yōu)先考慮了狀態(tài)監(jiān)測，尤其是針對貴重部件狀態(tài)監(jiān)測運用的更加廣泛。由于狀態(tài)監(jiān)測屬于一種非破壞性維修，對于設備的干擾性很小，基本不會影響設備的完整性以及運行環(huán)境，從而延長了設備使用壽命。

3 基于維修規(guī)則實施RCM預維優(yōu)化工作的研究與探討

安全是核電發(fā)展的生命線，福島核事故后，核電建造過程中更加重視安全的投入，應對極限核事故的專設安全系統(tǒng)、移動應急設備已成為核電廠的標配，由于安全投入的不斷提高等原因，核電建設成本節(jié)節(jié)攀升，與此同時在市場經濟條件下，核電廠作為生產電力的企業(yè)，同其他電力企業(yè)一樣受到成本方面的挑戰(zhàn)，市場也要求核電廠提供具有競爭力的電力價格水平；提高核電廠的運行維修的經濟性，降低運行和維修成本成為國內外各大核電廠一直追求的目標。為了在已經處于“買方市場”“核電參與競價上網”的電力市場中獲取足夠的利潤和發(fā)展空間，必須在滿足安全的前提下，通過降低生產運維成本，維持電力生產行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的能力；基于維修規(guī)則實施預維優(yōu)化工作，可以使核電廠既滿足核安全監(jiān)管要求所需要的固有安全可靠性，又保持電廠高的運行經濟性。

以可靠性為中心的維修RCM和維修規(guī)則MR在美國等核電廠應用并取得了很大的成功，為了保證機組的安全可靠性和維修有效性，國內核電廠有必要協(xié)同開展RCM和MR的推廣應用工作，建立基于維修規(guī)則實施RCM預維優(yōu)化的流程。

3.1 基于維修規(guī)則實施RCM預維優(yōu)化流程

為實現MR與RCM的結合，本文探討基于MR建立RCM維修優(yōu)化的工作流程(見圖1)，以期在保證設備安全可靠性的基礎上實施預防性維修優(yōu)化。

圖1 基于維修規(guī)則實施RCM預維優(yōu)化的流程Fig.1 Process of implementing the RCM pre-maintenance optimization based on the MR

3.2 基于維修規(guī)則實施RCM預維優(yōu)化流程說明

本流程提出了一個系統(tǒng)基于維修規(guī)則開展RCM預防性維修優(yōu)化的設想，包括組建基于MR的維修規(guī)則工作組、根據系統(tǒng)是否屬于MR安全相關系統(tǒng)進行MR功能和非MR功能判斷，對于非MR范圍設備按一般RCM流程實施維修規(guī)則優(yōu)化；對于MR范圍設備按基于維修規(guī)則的RCM優(yōu)化流程進行實施；主要步驟如下：

(1)MR安全相關系統(tǒng)的識別

根據系統(tǒng)對核電廠運行的重要作用，包括保證反應堆冷卻劑壓力邊界的完整性、反應性控制和放射性包容等要素進行MR安全相關系統(tǒng)的判定，具有MR范圍內安全功能的系統(tǒng)為MR范圍內的安全相關系統(tǒng)。

(2)系統(tǒng)MR功能的判定

參考系統(tǒng)設計文件、正常運行規(guī)程、事故運行規(guī)程、儀控邏輯功能圖等文件，列出系統(tǒng)功能；通過分析功能失效及其影響，結合安全相關和非安全相關SSC范圍篩選原則，識別出系統(tǒng)的維修規(guī)則功能。

(3)設備故障模式識別、故障影響和后果分析

列寫設備清單時，應先確定系統(tǒng)邊界上的設備，再結合系統(tǒng)流程圖和核電廠主數據列寫系統(tǒng)內的所有設備，然后分析故障模式對功能的影響和產生的后果。

(4)MR設備的判定

確定設備的故障模式和故障概率后，進一步分析故障模式對系統(tǒng)功能的影響，如果某一設備的某一故障模式影響到了該系統(tǒng)的維修規(guī)則功能，則該設備即為維修規(guī)則范圍設備。

(5)結合MR設備狀態(tài)，提出維修優(yōu)化任務

針對維修規(guī)則范圍設備所處的監(jiān)測狀態(tài)——“a(1)：狀態(tài)是不可接受的，對其實施的維修有效性不足，需采取相應的糾正行動”或“a(2)：狀態(tài)是可接受的，對其實施的預防性維修能有效的控制該SSCs”——提出不同的預防性維修任務，經維修規(guī)則專家組審查通過，生效維修導則。

(6)優(yōu)化預防性維修大綱

依據維修導則，開展設備預防性維修大綱優(yōu)化。

4 結語

核電廠實施維修規(guī)則，核電廠對維修有效性以及維修活動的風險得到監(jiān)測和有效管理，核電廠預防性維修大綱優(yōu)化工作的開展有了維修規(guī)則作為邊界，獲得了開展設備預防性維修優(yōu)化的靈活性；核電廠可以在滿足維修規(guī)則安全性要求的前提下，基于維修規(guī)則實施預防性維修優(yōu)化，實現核電廠降本增效。