RCM技術在CPR1000核電機組的創(chuàng)新發(fā)展與應用

楊立飛，陳 宇，江 虹，馬沂藎，青 晨，張 濤，武 濤，曹智鵬

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

大亞灣核電站自1998年引進以可靠性為中心的維修(Reliability-centered Maintenance，簡稱RCM)，1999年對試點系統(tǒng)凝結水抽取系統(tǒng)(CEX)RCM分析后，發(fā)現(xiàn)了影響汽輪機跳閘和機組停堆備用泵的隱蔽性故障模式，通過完善試驗方法、內(nèi)容和頻度將備用泵可用率由33.3%提升至100%。鑒于RCM的良好應用成效，大亞灣和嶺澳一期核電站后期陸續(xù)開展超過100個系統(tǒng)的RCM分析[1-3]。然而，隨著核電機組的不斷增多、設備自動化與機械化程度的提高、核電技術人員的稀釋，傳統(tǒng)RCM分析方法在核電站的應用實施受到限制，表現(xiàn)出如分析資源投入大、分析資源配置平均化、設備類分析指導不足、定量化分析缺乏、自動化程度低等，因此如何在核電發(fā)展的新時期，減少RCM的資源投入、提升其應用成效，持續(xù)發(fā)揮RCM在維修優(yōu)化領域的優(yōu)勢作用，成為RCM在核電領域持續(xù)有效推行亟待解決的問題?；诖髞啚澈穗娀厥嗄甑腞CM應用實踐，RCM團隊經(jīng)過總結和研究，創(chuàng)新性地提出了改進型RCM技術，即RtCM(Reliability and Technique Centered Maintenance，簡稱RtCM)以可靠性與技術特性為中心的維修，為提升RCM應用成效和活力提供了新的思路。

1 RtCM定義和應用優(yōu)勢介紹

RtCM技術方法是對傳統(tǒng)RCM方法的改進和優(yōu)化，繼承了RCM的主要流程和技術特點，在分析流程前端引入了分級理念、分析過程引入了維修模板、策略周期分析引入了定量化計算，更加注重關鍵設備分析資源的投入，是一種快速、高效的用于確定設備在其使用背景下維修需求的系統(tǒng)工程方法。

RtCM技術相對于RCM的改進和提升主要體現(xiàn)在如下三個方面。

(1)引入分級理念：分級管理是INPO AP 913先進管理流程的首要環(huán)節(jié)，RtCM方法將該理念合理的嵌入分析流程中，通過功能級故障影響分析和RTM(Run To Maintenance)準則評判，篩選出需要重點管理的系統(tǒng)設備以及允許運行至失效的設備，為后續(xù)分析資源的有效投入提供了目標對象。

(2)引入維修模板：維修模板集運維技術人員的技能于一體，按照設備類別全面性的給出了該類設備所有可能的失效模式，并結合其運行環(huán)境、使用頻度、重要度給出了針對性的維修策略，為RCM分析提供了有效的參考數(shù)據(jù)，弱化了對分析小組成員的技能依賴，提升了分析速度和分析質(zhì)量，同時還為程序化開展RtCM分析和提高小組成員技能提供了支持。

(3)引入定量化計算：維修策略的實施頻度是維修策略的重要組成，RtCM方法基于設備故障歷史數(shù)據(jù)、現(xiàn)場維修及生產(chǎn)過程，按需構建了定量化的維修決策模型，尤其是重大關鍵設備，綜合決策其維修周期，如定量分析預防性維修及糾正性維修的經(jīng)濟投入與產(chǎn)出，不同維修周期產(chǎn)生的設備失效率等，目前仍為熱點研究問題，國內(nèi)學者也在積極開展相關工作[4-8]。

2 RtCM的7個問題和分析流程

2.1 RtCM的7個問題

與RCM分析過程類似[9]，RtCM開展維修優(yōu)化工作同樣需要回答七個問題，具體如下。

(1)用戶需要設備提供的功能及相關的性能標準是什么？

(2)什么情況下設備無法實現(xiàn)其功能？

(3)哪些功能故障相關設備是值得管理的？

(4)引起設備失效的故障模式有哪些？

(5)故障模式發(fā)生后的影響及后果是什么？

(6)做什么可以預測或預防該故障？

(7)如果無法預測或預防該故障，如何管理其后果？

其中第三個問題強調(diào)了設備分級的理念，將待分析的設備分為值得管理與不值得管理的設備，按照重要度分析將資源配置于關鍵設備的分析中，實現(xiàn)了資源優(yōu)化配置的目的。第四、六個問題的回答則需要借助于維修模板、現(xiàn)場維修反饋及定量化計算，以制定或優(yōu)化設備維修策略。

2.2 RtCM的分析流程

RtCM與RCM分析的第①步、第②步相同，均是列寫系統(tǒng)的功能和功能故障[1]。RtCM的第③步是識別值得管理的設備，該設備來源于兩部分，一部分為Ⅰ類設備(見RtCM分析流程，圖1)，該類設備相關的功能級故障影響符合故障嚴重度判斷準則；另一部分為Ⅱ類設備，該類設備相關的功能故障雖不符合功能故障嚴重度判斷準則，但該類設備不允許運行至失效(即不符合RTM準則，Run To Maintenance)，亦作為維修策略分析的主體；其他均為Ⅲ類設備，均執(zhí)行糾正性維修。

圖1 RtCM分析流程Fig.1 RtCM technology flow chart

(1)功能故障嚴重度判斷準則示例

安全/環(huán)境影響：導致核安全降級、導致工業(yè)安全風險上升、導致重要設備冗余度下降。

生產(chǎn)影響：導致停機停堆、導致降負荷。

(2)RTM評判準則示例

設備故障后維修恢復實施困難、更換成本高，或?qū)е缕渌O備運行成本增加，或會導致其他設備故障。

RtCM的第④步、第⑤步為故障模式分析、故障影響及后果分析，在RCM的基礎上引入維修模板，按照設備類給出全面的故障模式、運行環(huán)境、使用頻度、重要度，在分析過程中與待分析的設備相結合，并選擇和制定適應性維修策略。

RtCM的第⑥步為預測及預防性維修任務制定，在RCM的基礎上引入定量化計算，如對生產(chǎn)相關的設備從經(jīng)濟投入上考慮，分析其是糾正性維修合理還是預防性維修合理。

RtCM的第⑦步與RCM相同，如果無法預防或預測某一故障模式，則需要選擇合適的措施管理其故障后果。

3 RtCM技術在CPR1000核電機組的應用

RtCM技術經(jīng)過逐步完善，從2014年至2019年在CPR1000核電機組完成多個系統(tǒng)的應用分析，優(yōu)化了設備維修策略，縮短了分析時間，提升了分析效力，取得較好成效。

3.1 分級理念在RtCM分析中的應用

汽水分離再熱系統(tǒng)GSS是介于汽輪機高壓缸和中壓缸之間的一個蒸汽除濕加熱系統(tǒng)，主要功能是除去高壓缸輸出蒸汽中約98%的水分，同時提高進入中壓缸蒸汽的溫度，使之成為過熱蒸汽。該系統(tǒng)覆蓋機電儀多類設備，包括水泵、閥門、孔板、溫度儀表、壓力儀表、電機和電動頭等，設備數(shù)量約300個。通過引入分級理念，在重要設備識別階段，識別出GSS系統(tǒng)可接受糾正性維修的設備達到30.1%，減少了后續(xù)需要進行詳細故障模式、故障影響和維修策略分析的設備數(shù)量及分析資源投入(見表1)。

表1 識別出GSS系統(tǒng)可糾正性維修的設備比例Table 1 Proportion of equipment that GSS systems can perform corrective maintenance

根據(jù)多年RtCM分析經(jīng)驗，RtCM分析在重要設備識別階段，能夠識別出20%～40%可接受糾正性維修的設備，其占比與系統(tǒng)重要程度有關。

3.2 維修模板在RtCM分析中的應用

在傳統(tǒng)RCM分析過程中，需要項目組成員召開會議，詳細分析和列寫每個設備的故障模式，并根據(jù)其故障影響和故障后果，制定或優(yōu)化其維修策略，該環(huán)節(jié)時間投入占整個項目的1/3以上。RtCM分析引入了維修模板，維修模板集成了專家智慧，給出了該類設備較為全面的故障模式，并通過待分析設備相關的“重要度、使用頻度、運行環(huán)境”三個維度，給出了適用、合理的維修策略，大大縮減了RtCM分析時間。

如下，以一回路冷卻劑系統(tǒng)RCP212VP閘閥為例，對維修模板的應用和維修策略的制定過程進行了說明。表2給出了閘閥的維修模板(部分內(nèi)容)。表2中給出了閘閥的組成部件、部件故障模式、維修策略，以及適用于不同“重要度、使用頻度、運行環(huán)境”設備的實施周期。閘閥RCP212VP處于反應堆廠房內(nèi)，日常無法接近，閥門對應的“重要度、使用頻度、運行環(huán)境”為CLS，實施周期對應CLS列周期，結合RCP212VP閥門所處地理位置、上下游設備布置，對維修模板給出的維修任務適用性進行了逐條核實，核實情況如表2的“任務適用性分析”列。同時結合閘閥RCP212VP可實施的維修窗口、法規(guī)要求，對維修周期進行了合理優(yōu)化，最終的維修任務如表3所示。

表2 閘閥維修模板(部分內(nèi)容)Table 2 Gate valve preventive maintenance template (partial content)

表3 結合維修模板制定的RCP212VP閘閥維修策略Table 3 RCP212VP gate valve maintenance strategy based on preventive maintenance template

根據(jù)RtCM分析經(jīng)驗，使用維修模板制定或優(yōu)化設備維修策略，該環(huán)節(jié)可節(jié)省約40%的工作量，且豐富的故障模式信息及維修策略，降低了對小組成員的技能要求，提升了分析效率。

3.3 定量化分析在RtCM分析中的應用

RtCM方法在維修策略周期制定過程中強調(diào)定量化分析，對重要設備的決策結合其生產(chǎn)過程、維修需求等構建定量化分析模型，分為經(jīng)濟性模型和安全性模型。以下以循環(huán)水處理系統(tǒng)CTE為例對其相關設備預防性及糾正性維修的定量化經(jīng)濟模型進行了構建和決策說明。

某核電廠CTE制氯系統(tǒng)生產(chǎn)NaClO溶液，用于加注至循環(huán)水過濾系統(tǒng)CFI中，消殺和抑制冷源系統(tǒng)中的海生物。CTE系統(tǒng)連續(xù)生產(chǎn)的NaClO溶液分別存放至兩個玻璃鋼儲罐，通過管線排至CFI系統(tǒng)海水中，如果一個儲罐老化或腐蝕破損，則需要通過CTF系統(tǒng)向下游加注外購的NaClO溶液，以滿足海生物消殺需求；在此期間，維修人員需要購置新的玻璃鋼罐，并進行現(xiàn)場安裝，直到恢復玻璃鋼罐可用性后才停止加注外購的NaClO溶液。目前玻璃鋼儲罐執(zhí)行N年一次的內(nèi)部檢修維護，根據(jù)現(xiàn)場維修人員及廠家反饋，玻璃鋼罐在當前使用狀態(tài)下的自然老化周期為MTBF1年，如果定期檢查和按需修復，使用壽命可延長至MTBF2年。該CTE系統(tǒng)加注NaClO溶液簡化后的系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 CTE系統(tǒng)簡化流程圖Fig.2 The CTE system simplifies flow diagram

為明確是否有必要對玻璃鋼儲罐進行預防性維修及其收益情況，RtCM項目組成員經(jīng)過全面信息了解和模型構建，對該兩個罐子執(zhí)行預防性維修費用Cp及糾正性維修費用Cc費用進行了定量分析和對比，計算模型如公式(1)、公式(2)：

Cp=(L/N)×2×Y+(L/MTBF2)×2×D

(1)

Cc=(L/MTBF1)×2×D+(L/MTBF1)
×2×t×X

(2)

式中:Cp——預防性維修費用;

Cc——糾正性維修費用;

L——核電站的壽期;

N——維護周期;

Y——每次每個玻璃鋼罐子檢修及修復平均費用;

X——外購每噸NaClO溶液的價格;

t——玻璃鋼罐故障后更換所需時間;

D——每個玻璃鋼罐子的購買和運輸總價;

MTBF1——無修復條件下玻璃鋼罐的平均故障時間間隔;

MTBF2——玻璃鋼罐在定期維護下的平均故障時間間隔。

參數(shù)如表4所示。

表4 CTE系統(tǒng)定量化分析參數(shù)列表Table 4 CTE system quantitative analysis parameter list

將各參數(shù)帶入公式(1)、公式(2)后，Cc-Cp=156-110=46萬元，因此，在核電機組的壽期內(nèi)，玻璃鋼罐執(zhí)行2年一次的預防性檢查維護相對于糾正性維修而言可節(jié)省46萬元，因此預防性維護更經(jīng)濟。

3.4 RtCM分析在CPR1000機組中的應用成效

RtCM技術在CPR1000核電機組得到廣泛應用，提升了電廠系統(tǒng)設備的可靠性和可用性，分析成顯著：(1)為電廠維修大綱的制定提供了依據(jù)，使得維修大綱具有可追溯性；(2)加強了系統(tǒng)設備的安全性和環(huán)境保護，降低了其故障發(fā)生的風險；(3)發(fā)現(xiàn)了可能導致停機停堆、降功率的故障模式，并進行了維護管理，消除了潛在生產(chǎn)隱患；(4)提高了設備的使用性能，延長了重要部件的壽命，提升了經(jīng)濟效益，如僅GSS系統(tǒng)壽期內(nèi)就節(jié)省維修費用225萬元；(5)提出了系統(tǒng)設備技術改造需求，系統(tǒng)的設計/運行/維修程序及文件得到系統(tǒng)梳理、糾錯和改進。目前，多個CPR1000機組的核電廠制定了5年規(guī)劃并持續(xù)開展RtCM分析，僅2014年至2019年CPR1000機組共開展83個RtCM系統(tǒng)分析，年度分布量見圖3。

圖3 2014至2019年CPR1000機組RtCM分析數(shù)量Fig.3 RtCM analysis quantity of CPR1000 units from 2014 to 2019 year

4 RtCM技術的應用展望及提升方向

實踐證明，改進后的RCM技術(RtCM)克服了RCM分析資源投入相對大，分析速度慢、分析效能低、定量化分析不足的弱勢，較好地適應了新時期核電廠系統(tǒng)設備的維修優(yōu)化需求，取得了良好的成效，未來RtCM技術有望應用于更廣泛的領域。與此同時，RtCM技術仍有不足之處，需不斷完善：(1)維修模板需要不斷優(yōu)化，使其適用于更廣泛的設備應用背景；(2)維修策略的定量化分析模型需要結合概率安全分析計算，進一步平衡機組安全及經(jīng)濟投入之間的關系；(3)建立RtCM軟件分析平臺，進一步提升RtCM分析效率，滿足更多企業(yè)用戶的需求。