根本原因分析方法在核電廠設(shè)備故障分析中的應(yīng)用

王銘昌，李 楠

（蘇州熱工研究院有限公司，廣東深圳 518026）

0 引言

設(shè)備管理是核電廠高效、安全、可靠運(yùn)行的重要組成部分。核電廠是一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)，其設(shè)備數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能要求高，且連續(xù)在線(xiàn)運(yùn)行。如此復(fù)雜的系統(tǒng)必然存在設(shè)備發(fā)生偏差或故障的風(fēng)險(xiǎn)及可能。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，如何制定有效糾正措施是防止此類(lèi)事件重發(fā)的關(guān)鍵。為保證制定的糾正措施能夠防止設(shè)備故障重發(fā)，需要對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行根本原因分析[1-3]，以透過(guò)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問(wèn)題本質(zhì)。

RCA（Root Cause Analysis，根本原因分析）是國(guó)際領(lǐng)域先進(jìn)的事件原因分析方法，該分析方法在核工業(yè)、航天工業(yè)及石油化工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。國(guó)外根本原因分析方法眾多，如APOLLO、TapRoot等[4]。國(guó)內(nèi)主要通過(guò)學(xué)習(xí)借鑒國(guó)外研究經(jīng)驗(yàn)，也取得了一定成果。蘇州院RCA 團(tuán)隊(duì)研究總結(jié)國(guó)內(nèi)外RCA 分析案例和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合10 多年的分析經(jīng)驗(yàn)，形成了自主的分析方法——六步驟法。

1 根本原因分析方法

RCA 分析方法——六步驟法，主要包括6 個(gè)步驟：事件確認(rèn)，數(shù)據(jù)收集，故障模式分析，確定原因，制定糾正行動(dòng)以及效果評(píng)估[5]，每個(gè)步驟又包括多個(gè)子步驟，具體分析流程如圖1 所示。該方法已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)核電廠300 多項(xiàng)重大設(shè)備事件分析，在核能行業(yè)得到了廣泛認(rèn)可。該方法在石油化工領(lǐng)域也有應(yīng)用，并取得了不錯(cuò)的效果。

圖1 六步驟法分析流程

2 根本原因分析案例

以某核電廠GCT（汽輪機(jī)旁路排放系統(tǒng)）系統(tǒng)閥門(mén)紊流罩破裂為例，闡述該方法在核電廠設(shè)備故障分析中的應(yīng)用流程和實(shí)施過(guò)程。

2.1 事件確認(rèn)

事件確認(rèn)是開(kāi)展根本原因分析的首要環(huán)節(jié)，決定了根本原因分析的目的，范圍和深度。事件確認(rèn)要確認(rèn)事件，包括事件的過(guò)程、后果與性質(zhì)等，對(duì)事件進(jìn)行篩選分級(jí)。某核電廠GCT 系統(tǒng)閥門(mén)紊流罩破裂事件確認(rèn)如下。

2016 年，某核電廠1 號(hào)機(jī)組臨停檢修期間，對(duì)GCT121VV進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)GCT121VV 閥門(mén)紊流罩破損嚴(yán)重（圖2），破損碎片約為40 塊。GCT121VV 閥門(mén)紊流罩一旦發(fā)生破裂，可能導(dǎo)致破裂的碎片進(jìn)入下游凝汽器，進(jìn)而導(dǎo)致凝汽器鈦管磨損破裂。因此，需要對(duì)GCT 閥門(mén)紊流罩破裂原因進(jìn)行根本原因分析，以避免事件重發(fā)。

圖2 GCT121VV 破裂紊流罩

汽輪機(jī)旁路排放系統(tǒng)（GCT）作用是將多余的蒸汽排往冷凝器、除氧器和大氣，避免核蒸汽系統(tǒng)超溫、超壓，確保機(jī)組安全。GCT121VV 閥門(mén)是每次啟停機(jī)GCT 系統(tǒng)首先動(dòng)作的閥門(mén)。該閥門(mén)類(lèi)型是帶紊流罩的籠形先導(dǎo)式調(diào)節(jié)閥，紊流罩作用是防沖刷與減噪。

2.2 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集包括實(shí)物證據(jù)、數(shù)據(jù)記錄及設(shè)計(jì)制造圖紙、調(diào)查訪談以及經(jīng)驗(yàn)反饋。數(shù)據(jù)收集是根本原因調(diào)查分析的重要步驟之一，貫穿于整個(gè)事件根本原因分析的始終。

針對(duì)紊流罩破裂事件，現(xiàn)場(chǎng)收集了破裂紊流罩樣品和紊流罩套筒數(shù)據(jù)信息，梳理統(tǒng)計(jì)了閥門(mén)開(kāi)啟次數(shù)及帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，并對(duì)比分析同類(lèi)型機(jī)組相同功能位置紊流罩檢查情況等。查詢(xún)經(jīng)驗(yàn)反饋信息可知，國(guó)內(nèi)同類(lèi)型機(jī)組相同功能位置共有6 個(gè)紊流罩發(fā)生破裂。

2.3 故障模式分析

根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)信息和設(shè)備相關(guān)經(jīng)驗(yàn)反饋，分析設(shè)備問(wèn)題征兆，列舉所有可能故障模式。針對(duì)所列故障模式分析收集數(shù)據(jù)，借助合適的工具和數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)分析驗(yàn)證等以確定最可能的故障模式。

針對(duì)此次GCT121VV 紊流罩破裂事件，列舉可能故障模式為材料缺陷、設(shè)計(jì)問(wèn)題、制造加工缺陷、安裝不當(dāng)和運(yùn)行工況異常等。根據(jù)所列故障模式對(duì)GCT121VV 紊流罩進(jìn)行金屬學(xué)分析、安裝分析、運(yùn)行數(shù)據(jù)分析和綜合分析等分析工作。

2.3.1 金屬學(xué)分析

（1）宏觀觀察：各電廠紊流罩破裂特征相似，紊流罩?jǐn)嗫诩罢w均呈現(xiàn)為脆性斷裂特征。

（2）微觀觀察：通過(guò)對(duì)破裂紊流罩?jǐn)嗫谖⒂^形貌和擴(kuò)展觀察得出如下結(jié)論：①斷口具有明顯的疲勞開(kāi)裂特征，且為脆性斷口；②由裂紋棱線(xiàn)擴(kuò)展方向，確定斷口源區(qū)位于下部凸臺(tái)；③源區(qū)原始機(jī)加工條紋已消失，可以推斷紊流罩底部材料存在碰撞缺失。破裂紊流罩微觀圖像如圖3 所示。

圖3 破裂紊流罩微觀圖像

（3）金相分析：各紊流罩化學(xué)成分均符合ASTM（美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)）A351/A351M 標(biāo)準(zhǔn)（316 不銹鋼鑄件）的要求。

（4）力學(xué)性能分析：各電廠紊流罩的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.2 制造尺寸分析

紊流罩現(xiàn)場(chǎng)安裝結(jié)構(gòu)如圖4 所示，紊流罩安裝在套筒的凸臺(tái)上，紊流罩底部和套筒之間上下左右均存在間隙。

圖4 紊流罩現(xiàn)場(chǎng)安裝結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)用千分尺對(duì)套筒底部圓周直徑D1，套筒高度H1進(jìn)行測(cè)量。在備件庫(kù)選取同批次紊流罩備件，測(cè)量其底部凸臺(tái)外徑d1以及高度h1。由測(cè)量數(shù)據(jù)可知：①下部凸臺(tái)水平間隙量部分實(shí)測(cè)值為0.66～0.72 mm，不滿(mǎn)足廠家設(shè)計(jì)值；②下部凸臺(tái)垂直間隙量為3.879 mm，滿(mǎn)足廠家設(shè)計(jì)值。

2.3.3 安裝偏差影響分析

紊流罩頂部平臺(tái)舊墊片受壓后存在厚度不均勻現(xiàn)象，會(huì)造成水平偏斜。經(jīng)計(jì)算分析，底部水平偏斜量最大可達(dá)到0.116 mm。分析表明，現(xiàn)場(chǎng)安裝偏差會(huì)導(dǎo)致底部水平間隙量進(jìn)一步減小，墊片不均勻壓縮及安裝偏差造成紊流罩偏斜（圖5）。

圖5 安裝偏差造成紊流罩偏斜

2.3.4 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

（1）振動(dòng)異常分析：GCT121VV 閥門(mén)管道振動(dòng)情況與其他閥門(mén)管道振動(dòng)相比，不是振動(dòng)最大的管道，不存在振動(dòng)異?，F(xiàn)象。

（2）系統(tǒng)超溫超壓分析：上游主管段溫度最大值為290 ℃，壓力最大值為7.42 MPa。溫度及壓力未出現(xiàn)過(guò)超出設(shè)計(jì)值的現(xiàn)象。

（3）水錘影響分析：GCT121VV 閥前設(shè)置疏水箱，疏水箱位置低于主管道。另外閥籠無(wú)異常，排除閥前積水沖擊的影響。閥后管道坡度為0.5%，且閥后減溫減壓器位于閥門(mén)下游凝汽器內(nèi)，正常運(yùn)行下，凝汽器為真空，閥后積水影響可排除。

通過(guò)以上分析，運(yùn)行工況異常導(dǎo)致紊流罩破裂的可能性低。

2.3.5 紊流罩受力分析計(jì)算

通過(guò)建立有限元模型，對(duì)閥門(mén)不同開(kāi)啟方式對(duì)應(yīng)的紊流罩受力及變形量進(jìn)行模擬分析。閥門(mén)快開(kāi)工況下，最大應(yīng)力和最大變形量均明顯超出紊流罩底部間隙量。最大應(yīng)變位置位于紊流罩出口處下端，與紊流罩下部磨損位置吻合。紊流罩在快開(kāi)工況下有限元分析應(yīng)變?nèi)鐖D6 所示。

圖6 快開(kāi)工況下受力分析

2.3.6 綜合分析

綜合以上分析，對(duì)故障模式的可能性高低排查見(jiàn)表1，紊流罩存在制造偏差和在快開(kāi)工況下的適應(yīng)性差可能性高。

表1 故障模式的可能性

2.4 確認(rèn)原因

確認(rèn)根本原因是對(duì)故障模式應(yīng)逐項(xiàng)進(jìn)行排除論證并逐層分析，直至確認(rèn)根本原因?yàn)橹?。分析流程是從所有可能故障模式中確定直接原因，進(jìn)而分析出導(dǎo)致這一直接原因的間接原因、促成原因和根本原因。事件和原因因素圖（E&CF）分析是事件調(diào)查分析中一種很強(qiáng)有力的分析工具。它可應(yīng)用于各類(lèi)事件及對(duì)多重復(fù)雜原因因素的分析。

根據(jù)故障模式分析，可以確定GCT121VV 閥門(mén)紊流罩破裂的直接原因?yàn)槲闪髡窒虏客古_(tái)與套筒接觸磨損區(qū)萌生裂紋源。GCT121VV 閥門(mén)紊流罩破裂的根本原因?yàn)槲闪髡值撞块g隙量小于設(shè)計(jì)要求；紊流罩在閥門(mén)快開(kāi)工況下的適應(yīng)性差。GCT121VV閥門(mén)紊流罩破裂的原因如圖7 所示。

圖7 GCT121VV 閥門(mén)紊流罩破裂原因

2.5 糾正行動(dòng)

糾正行動(dòng)是指為了消除或改善事件后果、事件根本原因、促成因素和其他不利條件所采取的改進(jìn)行動(dòng)，以及所有其他用于改進(jìn)核電廠管理和運(yùn)行質(zhì)量而采取的措施。

針對(duì)GCT121VV 閥門(mén)紊流罩破裂的根本原因制定相應(yīng)糾正行動(dòng)（表2）。

表2 GCT121VV 閥門(mén)紊流罩破裂糾正行動(dòng)

2.6 效果評(píng)估

對(duì)完成的根本原因調(diào)查分析和糾正行動(dòng)的有效性應(yīng)進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證，以確定根本原因分析的總體質(zhì)量。效果跟蹤目的在于對(duì)糾正行動(dòng)的實(shí)施情形進(jìn)行記錄，確保所有糾正行動(dòng)按計(jì)劃落實(shí)，以及證實(shí)糾正行動(dòng)的適宜性和有效性。糾正行動(dòng)實(shí)施后，解體檢查GCT121VV 閥門(mén)紊流罩未發(fā)現(xiàn)破裂，證實(shí)糾正行動(dòng)的有效性。

3 總結(jié)

設(shè)備故障分析是核電廠設(shè)備管理的重要組成部分。本文介紹了中廣核集團(tuán)自創(chuàng)根本原因分析——六步驟法。應(yīng)用六步驟法分析了某核電廠紊流罩破裂事件，并對(duì)列舉的紊流罩破裂可能的故障模式進(jìn)行逐一分析，確定了紊流罩破裂的根本原因，制定了相應(yīng)糾正行動(dòng)。通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，該方法在核電廠設(shè)備故障管理中效果顯著，有助于核電廠高效、安全、可靠運(yùn)行。