AP1000環(huán)吊電氣故障分析及檢修策略優(yōu)化

廖 健

（中核檢修有限公司，浙江臺州 317109）

0 引言

AP1000核電廠是一個(gè)兩回路的百萬千瓦級的壓水堆核電堆型，具有非能動(dòng)安全特性，其主要由包含反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、專設(shè)安全系統(tǒng)、核輔助系統(tǒng)、蒸汽動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、儀控和控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等系統(tǒng)組成，這些系統(tǒng)絕大部分和二代壓水堆機(jī)組的系統(tǒng)相類似，在保留現(xiàn)有核電廠主要工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上引入非能動(dòng)設(shè)計(jì)理念，大幅度減少安全系統(tǒng)的設(shè)備和部件。AP1000核電廠環(huán)吊是電廠中一個(gè)重要的安全3級設(shè)備，主要用于核電廠安裝過程蒸發(fā)器、反應(yīng)堆壓力容器等重要部件吊裝就位，以及停堆換料期間吊裝壓力容器一體化頂蓋、反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件等關(guān)鍵設(shè)備的吊裝作業(yè)。

1 故障分析

統(tǒng)計(jì)某核電廠2016—2021年核島廠房兩臺環(huán)吊的維修工單情況，發(fā)現(xiàn)電氣類工單總數(shù)及電氣故障類故障缺陷分別占全部工單50.6%、41.8%，電氣類工單及缺陷占了整個(gè)環(huán)吊檢修工單的絕大多數(shù)。通過對環(huán)吊電氣類故障進(jìn)行分析，對比總結(jié)現(xiàn)有的檢修項(xiàng)目情況，提出優(yōu)化其檢修策略的建議。

2 環(huán)吊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

AP1000核電廠環(huán)吊是從美國某公司引進(jìn)的核反應(yīng)堆廠房的重要設(shè)備，安裝于核島CV4環(huán)的環(huán)型軌道上，是一個(gè)雙橋架、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的吊車。由安裝于環(huán)形軌道上的大車和安裝于大車橫梁軌道上的小車構(gòu)成，主起升和副起升安裝在能夠沿著橫梁平行軌道運(yùn)行的小車上，大車可以進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，小車在大車的兩根橫梁軌道上前后移動(dòng)，屬于大型起重類機(jī)電一體化設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要技術(shù)參數(shù)如下：總重464.932 t；跨距37.795 m，軌距為8.534 m；主起升設(shè)計(jì)額定負(fù)荷272 t，最大關(guān)鍵載荷215.5 t，起升高度41.758 m；副起升設(shè)計(jì)額定負(fù)荷及最大關(guān)鍵載荷22.7 t，起升高度43.282 m。

圖1 環(huán)吊結(jié)構(gòu)

APl000核電廠環(huán)吊的功能與M310型核電廠類似，主要用于吊裝一體化頂蓋、反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件、反應(yīng)堆主泵及其他部件。但APl000核電廠環(huán)吊還要求具備極端條件下參與燃料組件或者燃料運(yùn)輸容器的吊裝運(yùn)輸。因此AP1000核電廠對環(huán)吊的安全性提出了更高的要求，其承載部件劃為安全3級設(shè)備、抗震I類設(shè)備，其余部件劃為非核級設(shè)備、抗震II類設(shè)備。

3 環(huán)吊常見電氣故障分析

統(tǒng)計(jì)近5年對某核電廠環(huán)吊的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，常見的電氣故障主要集中在大車系統(tǒng)、小車以及主/副起升系統(tǒng)上，主要涉及載荷放大器、變頻器、限位及信號處理元件等電氣控制元件。針對環(huán)吊常見的電氣故障進(jìn)行原因分析。

3.1 環(huán)吊定位坐標(biāo)、重量信息顯示錯(cuò)誤故障

某核電廠環(huán)吊使用期間，特別是吊裝反應(yīng)堆一體化頂蓋、反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件期間，司機(jī)室或主梁顯示屏偶發(fā)性出現(xiàn)大小車定位坐標(biāo)或重量信息等全部為零或者顯示一直無變化的故障，且顯示屏重啟后故障仍無法消除。在多次的故障排查中，均以環(huán)吊整體斷電重啟來進(jìn)行故障消除。經(jīng)核實(shí)分析，發(fā)現(xiàn)主要原因是通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障異常，導(dǎo)致顯示信號丟失。將前期發(fā)生的多次類似故障的原因和處理情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如下（表1）：

表1 環(huán)吊通信網(wǎng)絡(luò)故障統(tǒng)計(jì)

3.2 主起升載荷放大器故障

某核電廠1#、2#機(jī)組環(huán)吊在吊裝過程，均出現(xiàn)主起升載荷顯示不準(zhǔn)確情況。有兩個(gè)現(xiàn)象：①主起升載荷處理單元假死導(dǎo)致載荷變化很小，在吊裝提升過程中，載荷顯示只有20 000 Lbs，但是實(shí)際吊物已離開地面，實(shí)際載荷可能已經(jīng)達(dá)到200 000 Lbs；②主起升載荷處理單元在吊運(yùn)過程或者在重新啟動(dòng)環(huán)吊過程，主起升載荷傳感器司機(jī)，就地一直顯示“-SVS 2000”故障，此時(shí)環(huán)吊顯示屏出現(xiàn)故障報(bào)警或者無法操作啟動(dòng)。主要原因是主起升載荷傳感器箱體內(nèi)部溫度過高導(dǎo)致零部件損壞或者功能異常，之前未對該放大器進(jìn)行功能性檢查。目前主要通過環(huán)吊使用期間將主起升載荷處理單元的箱體蓋板打開，增加通風(fēng)散熱的方式進(jìn)行故障處理。

另外，在機(jī)組小修期間，發(fā)現(xiàn)1#機(jī)組環(huán)吊載荷放大器出現(xiàn)主起升超載（MH Overload）故障，主起升載荷稱重系統(tǒng)的就地載荷處理單元恢復(fù)至初始狀態(tài)。故障排查時(shí)查閱載荷放大器處理單元內(nèi)的各設(shè)定參數(shù)，發(fā)現(xiàn)主起升載荷放大器數(shù)據(jù)全部丟失，各個(gè)參數(shù)設(shè)定值均為0，該臨時(shí)數(shù)據(jù)設(shè)定值導(dǎo)致主起升載荷極不準(zhǔn)確。故障處理時(shí)重新導(dǎo)入處理單元的參數(shù)值，并采用多點(diǎn)標(biāo)定法進(jìn)行配重標(biāo)定，重新對主起升載荷進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定合格后環(huán)吊恢復(fù)正常。對該故障原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該主起升載荷放大器在環(huán)吊閑置時(shí)從環(huán)吊上需拆下放置，在拆裝及保管過程中維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致載荷放大器內(nèi)部數(shù)據(jù)丟失。

3.3 主/副起升升、降速度異常故障

據(jù)統(tǒng)計(jì)，某電廠環(huán)吊主/副起升升、降速度異常故障經(jīng)常性發(fā)生，主要體現(xiàn)在環(huán)吊在提升/下放吊物期間，控制室主/副起升失速報(bào)警故障，導(dǎo)致主/副起升無法進(jìn)行動(dòng)作，從而使環(huán)吊無法繼續(xù)工作。檢查發(fā)現(xiàn)其速度異常故障原因多為限位本體、限位位置參數(shù)等問題造成。對主/副起升機(jī)構(gòu)故障發(fā)生的原因及處理情況統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 主/副起升機(jī)構(gòu)故障統(tǒng)計(jì)

3.4 控制回路總電源跳閘故障

某核電廠環(huán)吊控制回路總電源在首次裝料前，出現(xiàn)多次斷路器跳閘情況。其控制回路總電源為D型塑殼斷路器，主要為控制回路進(jìn)行電流分合作用。為分析其跳閘故障，對該斷路器一次側(cè)和二次側(cè)進(jìn)行14次測量，發(fā)現(xiàn)斷路器峰值電流持續(xù)時(shí)間小于0.01 s時(shí)，斷路器不對峰值電流進(jìn)行監(jiān)測；當(dāng)峰值電流持續(xù)時(shí)間大于0.01 s，且一次側(cè)電流超過260 A時(shí)，該斷路器就會(huì)跳閘動(dòng)作。因此判定該斷路器的基本功能沒有異常，但由于調(diào)試期間未對該斷路器進(jìn)行標(biāo)定，其斷路器定值依據(jù)為出廠值數(shù)據(jù)，未考慮實(shí)際使用時(shí)電流情況，且在安裝完成后未對該斷路器進(jìn)行定值維護(hù)檢查，懷疑是額定電流整定值設(shè)置不滿足實(shí)際需求造成。使用電能質(zhì)量分析儀對該斷路器工作電流進(jìn)行錄波試驗(yàn)，經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證重新確定其電流整定值并調(diào)整（額定電流整定值調(diào)整為10.6 A），調(diào)整后故障消除。

3.5 環(huán)吊變頻器故障

AP1000核電廠環(huán)吊使用的是ABB壁裝式ACS800-U1型變頻器，分別安裝在環(huán)吊的橋架、小車、主起升機(jī)構(gòu)和輔起升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置上，根據(jù)位置不同由不同的參數(shù)設(shè)置。AP1000核電廠環(huán)吊安裝在核島內(nèi)，其工作環(huán)境可以滿足變頻器的溫度條件要求。但在實(shí)際使用過程中，變頻器故障也是環(huán)吊頻發(fā)的故障之一，具體發(fā)生的故障問題統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 變頻器故障統(tǒng)計(jì)

根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)，大部分的故障問題是由于變頻器自身本體故障引起。最嚴(yán)重的一次故障為某核電廠大修期間，主起升變頻器黑屏故障，面板無顯示并且無法通信動(dòng)作，故障處理小組在線上無法及時(shí)判斷故障原因及恢復(fù)環(huán)吊使用，最后決定使用更換備件的方式修復(fù)故障。隨后對拆下的故障變頻器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)變頻器內(nèi)部DDCS通信模塊、光纖插口同時(shí)損壞，導(dǎo)致變頻器無法啟動(dòng)工作。

4 環(huán)吊檢修策略優(yōu)化建議

通過以上分析，環(huán)吊故障主要由環(huán)吊內(nèi)部單體設(shè)備元件故障引起。因此環(huán)吊檢修策略應(yīng)從提高單體設(shè)備元件的可靠性方面入手。目前環(huán)吊預(yù)防性維修策略，主要依據(jù)《AP1000環(huán)吊運(yùn)行維護(hù)手冊》進(jìn)行日常維護(hù)保養(yǎng)，涉及電氣方面的檢修主要是實(shí)施環(huán)吊定期維護(hù)檢查（電氣）方案。具體實(shí)施的檢查項(xiàng)目及周期見表4。

表4 環(huán)吊定期維護(hù)項(xiàng)目

從以上維護(hù)項(xiàng)目看出，預(yù)防性維護(hù)檢查項(xiàng)目以外觀檢查為主，沒有細(xì)分單個(gè)元件設(shè)備的定期保養(yǎng)項(xiàng)目，且沒有對元件進(jìn)行設(shè)備功能性的檢查。同時(shí)由于環(huán)吊設(shè)備的特殊性，環(huán)吊設(shè)備檢修一般只能在核電廠停堆換料大修時(shí)進(jìn)行，而作為大修主線工作，檢修窗口時(shí)間很有限，無法做到對全部環(huán)吊附件設(shè)備檢修，其定期維護(hù)項(xiàng)目偏重于環(huán)吊的整體維護(hù)保養(yǎng)，重點(diǎn)針對環(huán)吊閑置后的設(shè)備元件回裝及整體上電試驗(yàn)方面，未對環(huán)吊單體設(shè)備元件的功能性進(jìn)行檢查，導(dǎo)致在運(yùn)行過程中，經(jīng)常由于單體設(shè)備元件的故障問題影響環(huán)吊整體運(yùn)行。目前，為提高環(huán)吊作業(yè)時(shí)整體運(yùn)行的可靠性，減少對大修的工期影響，往往在其使用時(shí)，設(shè)立專職作業(yè)保駕人員，造成環(huán)吊使用的人力投入增加，同時(shí)由于不可預(yù)見的故障缺陷，發(fā)生故障時(shí)消缺工作較為被動(dòng)，部分故障處理耗時(shí)較多，影響大修工期。因此結(jié)合環(huán)吊常見電氣故障情況及預(yù)防性維修檢查項(xiàng)目設(shè)置情況綜合考慮，建議從以下方面優(yōu)化環(huán)吊檢修策略，進(jìn)一步提高環(huán)吊的設(shè)備可靠性，減少故障率，降低故障影響。

（1）優(yōu)化環(huán)吊預(yù)防性維修項(xiàng)目，對于易發(fā)故障的重要元件設(shè)備，制定單個(gè)環(huán)吊元件設(shè)備預(yù)防性維修程序，如針對主起升放大器、變頻器、大小車電機(jī)等設(shè)備進(jìn)行必要的預(yù)防性功能檢查。

（2）減少環(huán)吊閑置時(shí)設(shè)備元件拆裝數(shù)量，以就地保護(hù)為主，減少拆裝過程產(chǎn)生設(shè)備損壞，同時(shí)減少設(shè)備元件在環(huán)吊設(shè)備接口中多次插拔，導(dǎo)致接口接觸不良等故障。

（3）針對必須閑置的元件，增加線下預(yù)防性檢修項(xiàng)目，在環(huán)吊閑置拆下時(shí)進(jìn)行元件預(yù)防檢修保養(yǎng)，在不增加線上操作時(shí)間的同時(shí)增加重要設(shè)備元件的保養(yǎng)，確保設(shè)備的可用性，減少故障率。

另外，由于AP1000核電廠環(huán)吊設(shè)計(jì)原因，在維修便利性方面存在兩個(gè)問題，導(dǎo)致環(huán)吊的部分預(yù)防性維修項(xiàng)目檢查不完整，或者檢修環(huán)境不便利減少了設(shè)備檢查項(xiàng)目。①環(huán)吊大車軌道未設(shè)置檢修環(huán)廊和必要的安全設(shè)施。對大車軌道齒輪、螺栓等檢查方式，主要是在環(huán)吊大車上方進(jìn)行目視檢查為主。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)部分軌道定位螺栓有松動(dòng)故障，需要安排人員使用生命繩牽引人員的方式站在軌道上進(jìn)行檢修，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)；②AP1000核電廠環(huán)吊大車主梁未設(shè)置檢修過程備件吊裝的吊裝裝置，更換備件運(yùn)輸依靠人員徒手拉繩傳遞的方式進(jìn)行，環(huán)吊高度落差大約40 m，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，特別是運(yùn)送大質(zhì)量備件是尤為突出。并且隨著環(huán)吊使用年限增加，大件設(shè)備元件更換的可能性增加，增加便于備件吊裝的檢修通道非常有必要。因此建議制定增加完善環(huán)吊檢修通道的計(jì)劃方案，增加環(huán)吊環(huán)廊防護(hù)設(shè)施及備件吊裝裝置，并將該方案納入環(huán)吊檢修策略中。以預(yù)防性維修的方式，按計(jì)劃在核電廠每個(gè)換料周期中分期分批完成。

5 結(jié)語

設(shè)備的檢修策略應(yīng)系統(tǒng)性地評估設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，識別出設(shè)備檢修的高風(fēng)險(xiǎn)、關(guān)鍵項(xiàng)目，從而建立有針對性的檢修維護(hù)策略，以降低風(fēng)險(xiǎn)，從而提高系統(tǒng)使用的安全可靠性。AP1000核電廠環(huán)吊作為電廠的重要關(guān)鍵設(shè)備，通過分析環(huán)吊已發(fā)生的故障現(xiàn)象以及在處理過程存在的檢修困難問題，總結(jié)環(huán)吊目前預(yù)防性維修策略中存在的短板項(xiàng)目，針對性提出務(wù)實(shí)的檢修策略的優(yōu)化建議，可以降低環(huán)吊使用時(shí)的故障率，減少環(huán)吊檢修占用的時(shí)間，為機(jī)組大修節(jié)省寶貴的檢修工期。