核電站倒置桶疏水器健康管理研究

蘇州熱工研究院有限公司 蔣承能

核電廠設(shè)備具有數(shù)量多、可靠性要求高等特點(diǎn)，目前以可靠性為中心的維修(RCM)可針對(duì)核電系統(tǒng)進(jìn)行全面分析[1-2]，找出需要管理的設(shè)備及故障模式，但由于每個(gè)系統(tǒng)涉及太多類型設(shè)備，目前缺乏設(shè)備類全面的可靠性數(shù)據(jù)支撐，因此無(wú)法定量化制定最優(yōu)化策略。設(shè)備全壽期各環(huán)節(jié)（設(shè)計(jì)、制造、采購(gòu)、運(yùn)行、維護(hù)）都是影響設(shè)備可靠性及成本的因素，每個(gè)環(huán)節(jié)由不同的公司或部門管理。近年隨著機(jī)組數(shù)量越來(lái)越多，設(shè)備不斷暴露出大批由于設(shè)計(jì)選型、制造質(zhì)量缺陷等全壽期各環(huán)節(jié)導(dǎo)致的共性問題，僅通過維修優(yōu)化難以提升與糾正，因此需一種全面的設(shè)備類健康狀況分析方法來(lái)找到設(shè)備薄弱點(diǎn)以制定改進(jìn)措施。

設(shè)備類健康管理主要是通過對(duì)設(shè)備類設(shè)計(jì)、制造、采購(gòu)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)等各環(huán)節(jié)狀況進(jìn)行分析，評(píng)判各環(huán)節(jié)狀況，找出薄弱點(diǎn)并制定出整改措施，提升設(shè)備可靠性。主要工作流程包括：設(shè)備分類，根據(jù)設(shè)備類結(jié)構(gòu)形式將使用設(shè)備進(jìn)行分類，確定設(shè)備清單；設(shè)備功能重要度分級(jí)，根據(jù)功能故障后果劃分；可靠性數(shù)據(jù)采集與分析；健康狀況評(píng)估；制定改進(jìn)措施。

1 倒置桶疏水器健康狀況分析

1.1 設(shè)備原理及信息收集

倒置桶疏水器結(jié)構(gòu)原理。倒置桶型蒸汽疏水器是常見的機(jī)械式疏水器，作為一種節(jié)能裝置，它最基本的原理就是利用蒸汽和水的重量差和溫度差來(lái)實(shí)現(xiàn)疏水的目的，主要由閥蓋、閥體、閥芯、閥座、倒置桶、杠桿、過濾器及連接法蘭、密封墊片等組成；分類與信息收集。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)電站疏水器進(jìn)行分類，某核電16臺(tái)CPR1000機(jī)組共有245臺(tái)使用在不同環(huán)境的倒置桶疏水器，主要來(lái)自2個(gè)廠家，結(jié)構(gòu)形式相差不大，主要有自帶過濾器和過濾器外置兩種，除4臺(tái)疏水器使用在空氣系統(tǒng)外，其余均為蒸汽系統(tǒng)。

1.2 功能重要度分級(jí)

設(shè)備分級(jí)是設(shè)備可靠性管理流程的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。為便于核電廠生產(chǎn)管理及維修資源的合理分配和優(yōu)化利用，確保核電廠機(jī)組安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，根據(jù)設(shè)備故障后果將設(shè)備分為關(guān)鍵（C）、重要(S)、預(yù)防性維修更經(jīng)濟(jì)(E)、運(yùn)行至維修(R)等4個(gè)層級(jí)[3]。倒置桶疏水器主要故障現(xiàn)象及故障后果為：內(nèi)漏。浪費(fèi)蒸汽，影響熱效率；外漏。蒸汽外漏，增加工業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)；疏水不暢。蒸汽或氣體中水含量上升，影響下游用汽。一般疏水器配有旁路閥，液位高時(shí)旁路閥打開直接疏水。因疏水器設(shè)計(jì)時(shí)上下游一般都設(shè)有隔離閥，故障時(shí)日?？梢愿綦x檢修，除4臺(tái)為輔助給水系統(tǒng)（ASG）汽動(dòng)泵提供疏水的疏水器為S 類設(shè)備，其余均為E/R 類設(shè)備。

1.3 可靠性數(shù)據(jù)采集與分析

數(shù)據(jù)源：直接數(shù)據(jù)。通常是具有可測(cè)量機(jī)械或電氣特性的電廠現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可來(lái)自在線系統(tǒng)、操作員巡檢或例行收集。如主控記錄、動(dòng)作試驗(yàn)、系統(tǒng)巡檢；間接數(shù)據(jù)。與直接數(shù)據(jù)相比，間接數(shù)據(jù)源通常是程序化的，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、值長(zhǎng)日?qǐng)?bào)，維修反饋及完工報(bào)告，維修前設(shè)備狀態(tài)（AS-FOUND）報(bào)告、內(nèi)部運(yùn)行事件(IOE)報(bào)告、異常事件分析報(bào)告，不符合項(xiàng)報(bào)告、改造、替代記錄，工程期間安裝調(diào)試報(bào)告、接產(chǎn)移交數(shù)據(jù)等可以提供間接數(shù)據(jù)。

失效率及MTBF 計(jì)算方法：失效率λ=累計(jì)運(yùn)行失效次數(shù)N/累計(jì)運(yùn)行時(shí)間T，平均故障間隔時(shí)間MTBF=累計(jì)運(yùn)行時(shí)間T/累計(jì)運(yùn)行失效次數(shù)N。T為同一個(gè)設(shè)備類下面所有設(shè)備功能位置對(duì)應(yīng)的設(shè)備運(yùn)行持續(xù)時(shí)間的總和，單位為年（Y），N 為同一個(gè)設(shè)備類下面所有設(shè)備功能位置對(duì)應(yīng)的設(shè)備失效類型為“運(yùn)行失效”次數(shù)的總和。

可靠性數(shù)據(jù)分析：針對(duì)設(shè)備類各部件分析故障模式，將失效數(shù)據(jù)按部件故障模式進(jìn)行歸類，計(jì)算年平均失效率（1）及MTBF（2）。部分部件的故障模式（故障率）、MTBF(Y)分別為：閥蓋密封墊片：破損（0.10%）、1142，選型不當(dāng)/安裝缺陷（0.10%）1142；進(jìn)出口法蘭緊固件：松動(dòng)/斷裂（0.20%）、571，螺紋損傷/咬死（0.10%）、1142；濾網(wǎng)：銹蝕（0.50%）、190，變形/破損（0.20%）、571，堵塞（0.70%）、143，設(shè)計(jì)/制造/安裝缺陷（0.10%）、1142；倒置桶：異物沉積（0.10%）、1142，破損/損傷（0.40%）、285，變形（0.10%）、1142；閥座：堵塞（0.10%）、1142，密封面損傷/變形（17.10%）、6，無(wú)法拆卸（0.10%）、1142，銹蝕（0.10%）、1142；閥嘴：密封面損傷/變形（20.70%）、5，松動(dòng)（0.30%）、381，銹蝕（0.20%）、571；閥蓋絲堵：設(shè)計(jì)/制造/安裝缺陷（1.90%）、52。根據(jù)不同廠家型號(hào)繪制部件級(jí)可靠性分析圖1。

分析結(jié)論：倒置桶疏水器主要故障部件為閥嘴、閥座；閥嘴平均MTBF 為5Y、閥座為6Y，使用壽命與時(shí)間相關(guān)，需要預(yù)防性維修策略管理，其余部件故障模式均為隨機(jī)性故障。閥嘴、閥座主要故障為密封面損傷，通過分析發(fā)現(xiàn)閥嘴/閥座失效概率與系統(tǒng)壓力溫度正相關(guān)，壓力溫度越大，疏水器動(dòng)作越頻繁，密封面汽蝕、磨損導(dǎo)致的損壞概率越大，壽命越低。

圖1 部件級(jí)可靠性分析

圖2 壓力與失效率關(guān)系

圖3 溫度與失效率關(guān)系

因不同環(huán)境下壽命不一樣，為了更準(zhǔn)確的了解部件壽命，以便針對(duì)性的制定管理策略，按設(shè)備型號(hào)分類，繪制MTBF-失效數(shù)量曲線。從圖4、圖5中可看出不同型號(hào)如主蒸汽系統(tǒng)（VVP）倒置桶疏水器MTBF 為2～3Y，而使用頻率較低，壓力溫度不高的熱水生產(chǎn)和分配系統(tǒng)（SES）疏水器沒有出現(xiàn)過故障。除對(duì)部件可靠性對(duì)比分析外，還可以對(duì)同工況不同廠家、型號(hào)可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以衡量廠家產(chǎn)品可靠性差異。

圖4 閥座MTBF-失效數(shù)量

圖5 閥嘴MTBF-失效數(shù)量

2 倒置桶疏水器健康管理改進(jìn)

結(jié)合采集的數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析與整理，分析設(shè)備共性問題，并對(duì)全壽期各個(gè)環(huán)節(jié)異常事件進(jìn)行歸納總結(jié)，制定出整改措施。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型階段常見問題：疏水器前后未安裝隔離閥，日常運(yùn)行期間疏水器故障無(wú)法隔離檢修；未考慮可維修性及維修空間，對(duì)于出口管道與閥蓋為焊接的焊接的疏水器，應(yīng)在管道側(cè)加裝法蘭；倒置桶疏水器使用在不凝結(jié)氣體工況，如某電廠壓縮空氣SAP 系統(tǒng)中選用了倒置桶疏水器，設(shè)備投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)無(wú)法疏水；系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，倒吊桶式疏水器為間斷疏水，若系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，疏水完成后管道內(nèi)部呈負(fù)壓，引起交變應(yīng)力疲勞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致下游焊縫開裂。同時(shí)壓力變化使蒸汽閃蒸，對(duì)管道汽蝕減薄。

制造。產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造質(zhì)量是疏水器固有可靠性的基礎(chǔ)，目前使用的疏水器產(chǎn)品問題主要包括：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，如疏水器閥蓋/過濾器的排污堵頭設(shè)計(jì)上采用生料帶密封的螺紋結(jié)構(gòu)，在高溫蒸汽環(huán)境下生料帶密封失效，直接導(dǎo)致蒸汽外漏；零部件材料選型不合理，如閥瓣材料不耐磨、損傷嚴(yán)重等。目前在高溫蒸汽環(huán)境倒置桶疏水器閥嘴與閥座MTBF 為2Y 左右，壽命較短，需要由廠家從源頭提升部件固有可靠性；組裝工藝標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤，如螺栓緊固力矩偏大或偏小。

運(yùn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)疏水器主要故障現(xiàn)象，設(shè)備運(yùn)行期間建議開展如下監(jiān)測(cè)管理：內(nèi)漏。紅外線或超聲波查漏；外漏。外觀巡視及下游管壁測(cè)厚；疏水不暢。液位高報(bào)警監(jiān)視。

維修策略編制與優(yōu)化建議。根據(jù)故障模式及概率制定相應(yīng)管理策略，目前核電站針對(duì)倒置桶疏水器主要采用預(yù)防性解體檢查管理，且周期大都為一個(gè)換料周期，通過故障模式、故障后果及故障概率分析，現(xiàn)有策略過于頻繁且經(jīng)濟(jì)性不高，推薦按表1選擇相應(yīng)任務(wù)進(jìn)行編制及優(yōu)化維修策略。

表1 倒置桶疏水器管理策略

維修成本及采購(gòu)。疏水器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但維修成本較高，在沒有部件損壞的情況下每次解體平均成本約3000元（人工+密封件成本），在監(jiān)測(cè)條件具備的情況下應(yīng)優(yōu)先采取狀態(tài)監(jiān)測(cè)策略，減少預(yù)防性解體檢查，降低維修成本。電廠在采購(gòu)備件時(shí)應(yīng)將可靠性數(shù)據(jù)作為采購(gòu)策略制定依據(jù)，對(duì)不同型號(hào)、部件應(yīng)制定不同的采購(gòu)策略，使庫(kù)存最優(yōu)化。如某型號(hào)倒置桶疏水器閥嘴與閥座汽蝕、磨損損壞較嚴(yán)重，壽期較短（MTBF=2Y），因此該型號(hào)閥嘴與閥座應(yīng)按照必?fù)Q件進(jìn)行采購(gòu)，以備故障時(shí)檢修需要，而對(duì)于其他部件，如倒置桶故障與時(shí)間無(wú)關(guān)、損壞概率低，可采購(gòu)1個(gè)作為備用。

3 結(jié)語(yǔ)

倒置桶疏水器健康管理引入了設(shè)備關(guān)鍵度分級(jí)理念和大數(shù)據(jù)分析方法，可快速定位設(shè)備類關(guān)鍵部件、故障模式及故障概率，找出設(shè)備類在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、維修、采購(gòu)等各環(huán)節(jié)薄弱點(diǎn)，為核電站設(shè)備類可靠性提升及新建機(jī)組設(shè)計(jì)選型、維修策略編制提供完整的數(shù)據(jù)輸入，同時(shí)也可為廠家提升產(chǎn)品質(zhì)量、改進(jìn)設(shè)計(jì)制造工藝提供方向，該方法將對(duì)整個(gè)核電行業(yè)未來(lái)以設(shè)備類管理的可靠性維修體系的建立以及核電廠安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。