核电厂设备可靠性指标的研究

初起宝，刘学锋，王 庆

（1.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082；2.中电投核电技术中心，北京 100044）

核电厂设备可靠性指标的研究

初起宝1，刘学锋2，王 庆1

（1.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082；2.中电投核电技术中心，北京 100044）

本文以美国的设备可靠性指标（简称ERI）为例说明了核电厂如何建立设备可靠性指标，以及如何应用这些指标对电厂状态进行监督。这些指标包括了“超前”指标和“滞后”指标，通过设备可靠性指标可以全面衡量电厂管理与设备运行和维护的状态。核电厂营运单位以及核安全监管当局可以通过这些指标分析电厂当前的性能状态以及电厂的状态趋势，在设备性能下降前找出电厂管理和设备维护的薄弱环节并采取针对性的纠正措施，从而进一步提高电厂的安全运行水平。设备可靠性指标在美国和加拿大已经得到了普遍的应用并且取得了一定效果，因此为了加强国内电厂的设备管理水平很有必要加以引进和推广应用并在此基础上对具体实施提出了相关意见和建议。

设备可靠性指标；设备可靠性工作组；超前指标；滞后指标

核电厂的设备管理不同于常规电厂或其他工业部门，其安全运营取决于系统和设备是否可靠地执行其设计功能，重要设备的失效有可能导致电厂停运甚至带来核安全以及公众健康保护方面的影响。因此，核电厂必须相当重视设备可靠性管理工作。设备的可靠性是指设备功能在一定时间内不发生问题的程度，包括固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性，是指该设备由设计、制造、安装到试运转完毕，整个过程所具有的可靠性，这是先天的可靠性。设备使用的可靠性则取决于运行和维护的管理水平。目前对于设备的可靠性管理工作，在维修策略上，定期预防性维修和事后维修仍是主要的维修手段，缺乏对系统设备的定量化的可靠性管理方法。为了监督并提高设备的可靠性水平，美国核电运行研究所/美国电力研究协会（简称INPO/EPRI）和加拿大重水堆业主组织信息安全专业委员会（简称COG）等主要核电研究单位纷纷成立了设备可靠性工作组（简称ERWG），开发了用于衡量设备的可靠性的绩效指标矩阵，即设备可靠性指标（简称ERI）［1］。其中，信息安全专业委员会发布的设备可靠性指标基本引自美国核电运行研究所/美国电力研究协会I并进行了少量适应性修改。设备可靠性管理理念已广泛应用于国外核电厂的设备管理中，并为其带来了显著的经济效益。由于该方法形式简洁并能在保证系统安全性、可用性的同时有效节约维护费用，因此在航空航天、武器工业以及核工业等安全要求高的领域得到了广泛应用［2］。

1 设备可靠性指标

核电厂设备可靠性管理体系如图1所示［3］，设备可靠性指标由8个主要指标构成［4］即：发电指标（22分）、影响运行（16分）、系统健康（14分）、维修（19分）、工作管理（12分）、长期计划（13分）、监督和趋势（2分）、AP913过程和大纲（2分）［5］。8个主要指标下有19个次级指标，包括7个滞后指标（46分）和12个超前指标（54分），总计100分［6］，见表1。这些指标不是从单体设备的监测来衡量，如振动，温度和压力等微观的指标来衡量，而是从宏观的观点，比如发电指标或者系统健康分值下降，那就意味着一定是设备某方面出现了问题。从指标的分值分布可以看出，“超前”指标占比例较大，因为应用设备可靠性指标的目的就是提前发现设备的不良状态，而不是等待事件发生之后再采取措施。此外，主要指标当中发电指标、维修以及影响运行占的比例较大。这是由于设备状态是否良好最直观的体现是在发电量上，而维修工作是设备处于良好状态的重要保证。非计划进入运行限值、操纵员巡视、高重要度设备失效等，会影响到运行人员的操纵或分散其精力，这一指标由于设备原因导致对电厂正常运行造成干扰。因此，这三项指标由于其重要性，所以占总体份额较大。

图1 设备可靠性管理体系Fig.1 Them anagem ent system ofequipm ent reliability

表1 设备可靠性指标及分值Table 1 ERI index and point

各次级设备可靠性指标分数和总分根据得分，分成红、白、黄、绿，其中绿色表示状态良好，红色表示状态不良。以纠正性维修工作积压为例，如图1所示。指标计算值0≤X＜13，得分为3分，对应绿色；指标计算值13≤X＜25，得分为2分，对应白色；指标计算值25≤X＜35，得分为1分，对应黄色；指标计算值X≥35，得分为0分，对应红色。

表2 设备可靠性指标分值和颜色Table2 ERIpointand colors

1.1 滞后指标

滞后指标反应的是某些已经发生的事情。例如，电厂的发电量或一段特定时期的发电损失率，设备的恶化并不能直接反应到发电量的损失而需要一段时间，因此这些指标也是滞后的。为了表征电厂的性能，需要通过采用一些此类指标来衡量，指标的描述如下。

（1）强迫损失率（简称UCLF）：给定的时间内，所有运行阶段的非计划能量损失（18/24个月的平均）。该指标是主要的设备相关的损失的指标。电厂定期向美国核电运行研究所报告。绿色表示运行状态良好。标准：＜0.75（绿色）。

（2）7 000临界小时非计划功率损失（简称UPR）。每7000临界小时非计划的功率变化超过20%满功率的次数。该指标是表征与设备相关的导致挑战安全系统的指标。标准：＜0.77（绿色）。

（3）换料后表现：不受在100天的换料期间，机组由于关键设备失效导致的设备可靠性相关事件导致的大于失去5 000兆瓦时发电事件的影响。该指标表征换料期间采取的设备可靠性行动的有效性。标准：0（绿色）。

（4）非计划的进入运行限值（简称LCO）（SD&≤72 h）：过去3个月由于设备原因（不包括操纵员失误）导致非计划的进入运行限值。该指标表征电厂关键设备执行功能的可靠性。标准：＜2（绿色）。

（5）操纵员工作巡视：任何设备缺陷导致在异常期间可能影响到正常运行规程，异常运行规程或应急运行规程的执行。确保操作可以有效的监督电厂情况或对电厂状态进行有效的响应。准则：＜2（绿色）。

（6）高重要度设备失效次数：过去3个月非计划的功率降低，停堆运行限值≤72h，失去关键安全功能，专设安全设施触发，以及主要功能失效（简称MRFF）。表征那些可能影响核安全，电厂可靠性或者发电的设备性能。标准：＜2（绿色）。

（7）安全系统不可用度（简称MSPI）：即基于机组总体系统性能的美国核管会（简称NRC）的安全系统不可用度指标，主要关注主要安全系统的状态。准则：所有在美国核管会绿板上的安全系统，失效次数有大于1的余量到白色。

1.2 超前指标

超前指标是在事情发生之前，根据之前的迹象衡量设备的状态。超前还是滞后，取决于所测量的过程。例如，对于纠正性维修工作积压，如果电厂用纠正性维修工单的平均时间来衡量的话，那么就是超前指标。如果用积累的延期工单数量来衡量的话，就是滞后指标。按照美国核电运行研究所的AP-928工作管理过程［7］，通常是13周计划即90天。超前指标如下。

（1）系统健康状态改善有效性［8］：上个季度计划的为改善红色和黄色系统健康状态的行动完成百分比。包括：工单、评估、批准预算、计划。该项指标是确保为改善黄色和红色系统健康状态的行动可以按计划进行。准则：≥90%（绿色）。

（2）重要纠正性维修（简称CC）工作积压：每个季度终了时未关闭的大于90天的重要纠正性维修工单数量（非换料期间）。重要纠正性维修工作的积压表明机组累计的工作和风险。准则：＜3（绿色）。

（3）重要缺陷维修（简称DC）工作积压：每个季度终了时未关闭的大于90天的重要缺陷维修工单数量（非换料期间）。重要缺陷维修工作的积压表明机组累计的工作和风险。准则：＜81（绿色）。

（4）重要预防性维修项目延期：上个季度AP 913中关键设备预防性维修项目延期的数量，不包括月度或者更频繁的预防性维修项目，也不统计推迟、拖欠或逾期进行的预防性维修项目。这个指标用于表征电厂的可靠性由于推迟预防性维修项目导致设备失效的可能性增加。准则：＜3（绿色）。

（5）预防性维修反馈［9］：预防性维修大纲中进行反馈的项目百分比。预防性维修实施周期在电厂寿期内可以根据经验反馈动态的调整。这个指标表征预防性维修经验反馈的充分性。准则：＞95%（绿色）。

（6）关键预防性维修项目完成的及时性：过去3个月中，AP913中关键设备预防性维修项目没有在宽限期的前半部分内完成的百分比。表明电厂工作管理过程存在问题，资源利用有效率低，预防性维修项目可能延期。准则：＜10%（绿色）。

（7）周工作范围的生存：在T-16周时冻结的关键设备工单范围，在T-1周开始执行计划时继续留存的百分比。这项指标表明电厂完成对关键设备原定工作范围确定的里程碑和材料准备的能力。准则：＞88%（绿色）。

（8）周工作计划完成率：过去3个月，从T0周开始到结束工作按计划完成的平均百分比，包括关键和非关键工作。这个指标表明纠正性维修、缺陷维修、预防性维修、监督试验和改造等工作管理有效，以支持电厂安全可靠运行。设备的缺陷根据其对安全和可靠性的影响进行了评估，定级和列出解决的计划。准则：＞88%（绿色）。

（9）长期的计划执行：过去4个季度的项目或者行动按照初始计划执行的百分比。这个指标是对电站顶层表现的指征，通过这个指标可以超前并主动的发现电厂的问题。包括，主设备的更换，翻新以维持电厂的可靠性。通常针对大于250 000美金的项目。准则：＞85%（绿色）。

（10）红色和黄色系统的年龄：处于红色或者黄色状态超过1个正常的换料周期的系统数量之和，不包括那些没有设备会导致重要关键设备失效的系统。这个指标主要衡量电厂解决那些重要关键系统的设备问题的能力。准则：＜2（绿色）。

（11）化学控制有效性：化学有效性指标用于评估保护电厂材料的能力，需要5个方面的指标，包括一回路和二回路溶解的固体，金属材料输送，一回路材料完整性/腐蚀，长期污染控制，源项等。化学性能如果控制不好，可能会导致设备腐蚀问题，影响设备可靠性和导致停堆。准则：≤4压水堆，≤8重水堆（绿色）。

（12）预防维修性大纲基准：已经建立和维护的预防维修性大纲基准的百分比。预防维修性基准是预防性维修项目背后的理由，通常在预防维修性模板当中。准则：≥80%（绿色）。

1.3 指标修订

在第9版的设备可靠性指标当中，美国核电运行研究所的设备可靠性工作组对指标进行了细微调整。其中，增加了3个指标：强迫停机事件（6分），季度事件数量；预防性维修宽限期滞后（4分），预防性维修项目通常允许最多延期周期的20%，统计进入宽限期的后半段的预防性维修工单数量；能执行部分任务率（简称PMCR）积压（4分），大于30天或60天的没有审查的修改申请的总数。删除了4项指标：换料后表现（2分），预防性维修反馈（2分），重要预防性维修完成及时性（4分），预防性维修大纲基础（2分）。其他的一些修订包括：强迫损失率由10分调整为8分。7000临界小时非计划功率损失由10分调整为8分。安全系统不可用度由美国核管会的指标改为美国核电运行研究所指标体系的非计划不可用小时，并且分值由8分调整为5分。系统健康改善由6分调整为7分。红色和黄色系统年龄由6分调整为8分。

表3 第9版的设备可靠性指标增加和变化的项目Table 3 The index of ERIadded and changed in version 9

表4 第9版的设备可靠性指标删除项目Table4 The index of ERIdeleted in version 9

2 设备可靠性指标的应用

电厂的设备可靠性指标是一个用于监督电厂设备健康状态的工具，超前指标可以直接反映出电厂的状态，并通过采取针对措施从而提高电厂的可靠性，多数的设备可靠性指标需要通过趋势分析才能发现电厂的性能趋势，如图2所示［10］。以预防性维修项目延期指标为例进行说明（滞后指标）。某月电厂可能会让一项预防性维修项目延期以便开展其他更紧急的工作，下一个月可能又有其他的延期的任务，这种趋势一直持续了数月。一个月偶尔的调整可能不能说明问题，但是数个月都存在这样的问题表明电厂在工作管理方面一定存在问题。设备可靠性指标可以根据电厂的实际情况进行选择，分数值可以是0～10，或者0～100，分数只要与其对电厂性能的影响相匹配即可，并没有强制规定，颜色只要方便辨识即可［11］。通常设备可靠性指标可以按照月度或者季度来更新［12］，设备可靠性工作组推荐一个季度更新一次［13］。

图2 设备可靠性指标趋势图Fig.2 Equipment reliability index trend

如前所述，设备的可靠性一方面取决于设备建造或制造的质量即固有可靠性，另一方面取决于运行维修的管理水平即使用可靠性。概率安全分析所应用的一些设备可靠性参数，如针对具体设备的运行失效率，启动失效率等，通常这些数据是通过大量的统计数据得到的，代表设备的平均可靠性水平。如设备的整个寿命周期内，其故障率是时间的函数，典型故障曲线如图3所示。这些微观的指标，通常很大程度上取决于平均的设备制造质量和运行维护水平，这些数据通常在一段时间是比较稳定的，对于及时采取纠正性措施意义不大［14］。

对于运行电厂而言，最重要的还是使用的可靠性［15］。设备可靠性指标是从宏观的角度来监督电厂设备的性能，包括与设备相关的运行事件、工作管理、维修、水化学等。通过监督这些主要设备可靠性指标，则可以发现电厂在哪些方面存在的问题，为电厂决策层提供支持，从而采取相应纠正性措施。比如，对于电厂而言，把那些降级的设备但是依然满足相应设计功能的维修活动称之为选择性维修。如果降低选择性维修累积指标，那么可能导致预防性维修延期指标上升，即预防性维修项目相比计划的日期延期了，但是还没有超过宽限期。这样又会增加由于没有按时进行预防性维修活动而导致设备失效的可能性增加。设备可靠性指标就可以提供一些关于非预期的设备失效的原因，以及防止再次发生的解决措施。设备可靠性指标也存在一些局限性，比如电厂仅仅关注于管理指标，而没有解决深层次的原因，那么也是起不到效果的。

图3 典型设备故障曲线Fig.3 Failure curve of typicalequipment

3 结论

本文探讨了建立核电厂设备可靠性指标以及应用设备可靠性指标用于监督和提高电厂设备管理水平的问题，设备可靠性指标在国外已经应用比较成熟并且取得了一定效果，在国内推广应用具有一定的基础和价值。

目前，在核电厂推广应用设备可靠性指标还有一些问题需要解决。首先需要解决的是设备可靠性指标的标准化问题，建议在行业内组建工作组借鉴美国核电运行研究所或信息安全专业委员会等的指标体系或进行一些必要的修订，选取、定义和计算设备可靠性指标应当统一标准，包括分值，健康颜色等，这样方便进行横向的比较。其次，设备可靠性指标的应用方式，设备可靠性指标可以作为衡量电厂设备管理水平的一项重要参考，可以选择一家或两家试点电厂逐步进行推广并建立相应的信息化管理系统。最后，建议与各国的核安全管理机构或行业组织如世界核电营运者协会（简称WANO），美国核电运行研究所，信息安全专业委员会等建立联系，持续更新这些指标。

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Study on theEquipmentReliability Index of Nuclear Power Plant

CHUQibao1，LIUXuefeng2，WANGQing1
（1.Nuclearand Radiation Safety Center，MEP，Beijing 100082，China；2.CPINuclear Power Institute，Beijing 100044，China）

To introduce of how to build nuclear power plantequipment reliability indicators，and how to apply these indicators tomonitor thestateof theplant，based on U.S.equipment reliability index（ERI）as an example.These indicators include“leading”indicators and“lagging”indicators，with ERIindicators the staff can fully assess the plantmanagement and equipment operation and maintenance of the plant. Nuclear power plant operating units as well as nuclear safety authorities can analyze these indicators to evaluate current plant performance，and with trend analysis，the weak point of plantmanagement and maintenance of equipmentwould be identified before degradation performance happen，then appropriate correctivemeasureswillbe taken to enhance the safe levelof thenuclear powerplant.ERIhavebeenw idely used in nuclear power plants in the United States and Canada and proved to be effective.It's necessary to introduce ERI to nuclear power plant in china，in order to enhance equipmentmanagement.Finally，this papergives recommendationsand suggestionsonhow to implementtheprogram.

EquipmentReliability Index（ERI）；Equipment reliabilityworkinggroup（ERWG）；leading indicatior；lagging indicator

TL38+7

：A

：1672-5360（2015）02-0062-06

2014-10-15

2014-11-23

大型先进压水堆核电站重大专项资助项目，项目编号2010ZX06002

初起宝（1980—），山东烟台人，高级工程师，现主要从事核电厂设备方面的安全审评、研究工作