核电厂预防性维修策略模板开发与应用研究

前 言

为在资源有限的条件下尽可能地在正确的时间对设备开展正确的维修和维护，需开发一种维修优化技术，以可靠性为中心的维修（RCM）正是人们对维修科学化追求过程中开发和应用的一种重要的维修优化技术。为了优化RCM分析过程，更好地使用同类设备的维修大纲经验，有必要开发和广泛应用维修模板。实践经验表明，维修模板的应用能够显著地提高制定和优化维修策略的效率。编制设备故障模式与维修任务表，并且简要陈述编制故障模式与维修任务表，通常使用预防性维修策略模板（PM Template）。国内大亚湾核电站、田湾核电站、秦山核电厂开展RCM或简化的以可靠性为中心的维修（SRCM）等分析多年，特别是大亚湾核电基地从1998年开展RCM分析，已有15 a分析与应用经验，积累了丰富的设备故障分析和维修数据。目前国外发达核电国家早已有故障模式与维修策略模板的相关研究与应用。在国内各个核电基地实行群堆管理模式的大背景下，开发并建立国内核电厂预防性维修模板数据库，可以为国内核电厂生产与维修等许多领域，尤其是维修优化与设备可靠性管理提供有价值的决策支持信息和数据。

图1 设备维修模板开发流程图

1 维修模板的定义及技术路线

1.1 维修模板的定义

维修模板是基于核电厂同类设备使用经验和可靠性分析等知识，预先制定的该类型设备预防性维修任务模板。该模板概括了预防某类结构工艺相似的设备失效而采取的维修和监测任务，涵盖了设备的监测手段（试验、实验、再鉴定等）及必要的检修措施（更换部件、润滑等），包括该类型设备主要故障模式、故障影响以及管理该故障模式的维修策略。

维修模板的开发考虑了该类型设备主要的故障模式以及可以实现预测或预防该类故障发生的预防性维修策略。希望维修模板能实现利用状态维修来取代固定周期的定期任务，例如应用振动分析或温度记录与趋势分析技术。对于具有固定频度的预防性维修任务的设备，主要考虑维修的动机和目的，包括设备关键度（设备分级）、运行环境和运行频度等。这将帮助实现预防性维修周期的合理化、科学化，并提高设备的运行可靠性和可用性，降低设备维修成本等，最终提高核电厂的安全性、可靠性和经济性等。所以，维修模板是一个综合的预防性维修（PM）知识库，有助于PM分析员编制和优化维修项目。如果使用行业资源开发，这个存储关于大多数设备类型的PM综合知识库在广度和深度上将会比任何单个运行电厂拥有的设备类型PM知识库更丰富、质量更高。这样一个知识库还包括几个简单的表格，称为PM模板（每个设备类型有一个PM模版），它包括建议的PM任务执行间隔，可以通过PM模板来编制或优化维修大纲。

1.2 技术路线

主要通过调研和借鉴国外维修模板数据（库）开发与应用方面的成功经验，结合国内核电厂15 a来RCM（SRCM）积累的故障分析和维修数据成果进行总结和提炼，同时结合核电厂设备关键度、运行环境、运行环境和可靠性分析（包括定量和定性）等，研究开发国内压水堆核电厂设备故障模式与维修策略模板数据库。

2 维修模板开发

PM任务执行频度取决于设备降级的方式及速率、设备的类型、运行周期和服役环境，运行周期和服役环境与运行环境相关。故障模式与影响分析（FMEA）中仅10%左右的信息与具体的运行环境相关，其他90%是基于同类型的设备在电厂何处以及如何使用。但是，与运行环境相关的10%对PM的工作建议有极大影响，管理与运行环境相关项需要花费一定的时间并且不容易管理。对于每种设备类型，开发PM模板方法中仅有预防性维修的设备分析（PMEA）是完全独立于运行环境的。将PMEA应用于每种具体的设备类型时，不同的运作环境会得出不同的PM工作建议。

结合国外的实践，根据国内核电厂实际情况，维修模板的开发一般包括设备分类、收集分析参考资料、选择周期和任务以及录入平台管理（方便持续优化）。图1给出了设备维修模板开发流程。

2.1 开发过程所需设备信息

开发过程需要以下设备信息：设备边界定义及部件清单；②设备类的使用环境和使用频度的定义；③该设备类主要的故障和故障模式、降级机理以及主要的故障影响；④该设备类降级过程的时间特性；⑤部件的故障机理；⑥部件的降级过程以及主要的降级影响；⑦设备状态监测和预防性维修措施及其有效性（高、中、低）；预防性维修的范围和内容；⑧执行维修时的典型工作方式和所需资源；⑨制定维修任务及其频度的依据；⑩推荐PM任务及其任务周期的组合，取决于功能重要度、使用频度和服役环境，即PM Template；每种PM任务的主要目标，以及当任务周期变动时对任务有效性的影响；体现PM大纲中各项任务交迭情况，以及所有任务覆盖完整性的表格；其他参考信息。

表1 设备具体分类情况

2.2 开发步骤

设备维修模板开发主要步骤如下：

（1）选取设备类：国内压水堆核电厂机组设备类型较多，针对特定类型设备，结合设备重要程度分级（4种）、使用频度（2种）和运行工况（2种）进行划分，通常可将设备分成12种类型，即从以上三个角度形成的12种组合类型。设备分类可以提高设备维修模板开发与使用的针对性，方便开发出适用于不同场合的设备维修模板。设备具体分类情况见表1。

（2）收集并分析参考文件：在模板分类阶段，分析设备维修任务的参考文件，包括:①运行维修手册（EOMM）；②设备故障模式及其影响分析（RCM分析成果）；③定期试验大纲等；④系统、设备的经验反馈；⑤美国核电厂 /法国EDF群堆已有的模板。

（3）识别维修监测任务，分析维修监测任务与相应的故障模式。

（4）选择合理维修任务和周期。

（5）审查、生效。

（6）输入维修模板管理平台。

2.3 维修模板编写原则

（1）模板是保证设备可靠性等级的技术文件，编写时不应过多考虑经济或者人力资源因素。

（2）模板应参考借鉴国内外压水堆核电厂在设备维护方面的实践经验以及与国外运营商和组织相互交流的维修实践：①美国核电厂Exelon、Constellation及美国电力研究协会（EPRI）现有的模板；②法国EDF核电厂现有的维修模板；③国内外经验反馈；④设备供应商建议等。

（3）模板应使设备保持长久的可靠性，为此提出一系列保证设备良好运行的手段，同时在编制之初就需要考虑一些必要的调整手段（如物项替代），以使机组能够可靠运行60 a。

（4）每份模板适用于具有相似制造工艺的同类设备。

（5）模板要与设备数据库中的功能位置码相关联。因为一个给定功能位置码的设备，其部件也拥有同样的功能码，所以模板应包括整个设备，即设备的主要部件。如：气动阀由限位器、调节器、执行机构等构成，则模板要包括气动阀及其限位器、调节器、执行机构的所有维修和监测手段。

（6）不同的设备或设备相同但维修工作不同，则模板也不同。

（7）为了在维修大纲编写与优化的过程中更方便地将模板和设备分级结合在一起，应尽量避免在属于一类设备的模板中包括特殊工作任务。

（8）为了更好地建立与优化维修大纲，对于某些数量较多但具有不同功能位置的设备，可以看作一个设备（如给水泵等），此时可以建立一个覆盖所有设备的模板。

（9）模板后需附加表格以说明与维修任务有关的各种设备参数、定值等。以大亚湾核电站群堆铅蓄电池的模板为例，需包含与900 MW机组铅蓄电池监测和维修任务相关的所有参数。

（10）模板的任务描述，不必明确描述各设备制造商或电厂使用的特殊技术或专用工具，但可以给出相应参考说明。如在阀门模板中，应避免此类编写：“进行阀门电机Quiklook试验”，而应是“进行阀门电机可操作试验”。

（11）由于对极少数新类型设备认识不够，系统设备检修计划所覆盖的范围有限，同时缺少实践验证的维修策略和检修标准，因此，该类设备模板应随着认识深入和经验积累不断优化。

表2 过滤减压阀维修模板

2.4 模板任务

（1）模板的维修和监测任务类别：①监测活动：包括运行人员、系统负责人和设备负责人巡检，油样分析测试，红外测温，振动测量记录等；②核安全相关定期试验：该类任务涉及到提高机组设备可维护性和可用性的定期试验；③状态维修：仅在诊断分析结果（如振动高）要求时才开展状态检修所列任务；④日常定期维护：保证设备正常运行的定期维护，如轴承润滑等；⑤定期检修：该类任务主要为大修时的工作任务；⑥承压设备监测任务：对承压设备要求的所有维修监测任务；⑦法规任务：监管要求或行业规范等条例所要求的任务。

需要特别注意的是，维修任务的描述要规范。上述类别中的任务，可能适用于某一个系统或某一类设备，应在任务名称前明确指出该任务的适用范围，如设备冷却水系统（RRI）-更换密封垫。

（2）模板任务对应的故障模式：模板给出每个维修任务所预防的设备故障模式，对于每一个故障模式，模板编写时应该确定以下内容：①涉及到的设备功能；②最严重的故障影响；③发生故障的设备部件；④可能的故障原因；⑤故障优先级；⑥所采取的措施：根据诊断结果进行的维修或日常维护任务，避免已达报警阈值的故障继续恶化引起停机、停堆（可以参考美国EPRI MADE设备故障模式及其影响分析数据库）。

将维修任务与故障模式结合起来，其目的如下：①确定该维修任务所能够预防的故障模式；②便于维修大纲优化阶段，检查模板维修任务是否满足维修中心（MADE）的要求，如不满足则需要重新考虑模板或者寻找另外的解决措施。

2.5 周期选择

对每一个维修监测任务，其所适用的设备类共有12个，应根据设备关键度，结合运行频度和环境确定各类设备的维修周期。

（1）周期单位“C”，适用于必须在换料停堆期间或其前后立即进行的维修任务，如换料停堆前对机械设备的振动检查。

（2）根据设备等级和设备可靠性管理流程（AP913）的目标，选择相应的周期。周期主要参考文件有：①EOMM；②设备运行经验反馈；③对设备的认识、专业技能；④设备故障模式及其影响分析（RCM分析成果）；⑤定量化分析。

图2 维修模板在大纲编制及优化中的流程

3 应用

本文以气动阀门气动部件为例，简单说明气动阀门气动部件的预防性维修模板的开发过程，为国内各核电厂气动阀门维修策略优化提供参考。首先确定分析对象是气动阀门所使用的气动部件（不是气动阀门本体），它们被广泛应用于气动调节阀（包括基地式调节阀）、气动开关阀上，气动头的种类包括隔膜式、活塞式等。涉及到的气动部件主要包括：①过滤减压阀；②电气转换器；③定位器（机械式和数字式）；④流量放大器；⑤气动锁气器；⑥电磁阀；⑦基地式调节器。

3.1 设备类定义

（1）关键/非关键设备：①关键和重要设备：指气动阀门故障后果严重的设备，包括关键设备和重要设备；②经济设备：指气动阀门故障后果不严重，但仍不允许运行至失效的设备，即经济型（MIN）设备。

（2）使用频率：①高使用频率：指处于连续调节状态或者频繁开关的阀门，或长期带电励磁的电磁阀。正常运行期间一般在常关或常开状态的阀门，不属于该范畴；②低使用频率：不适用。

（3）工作环境：

恶劣工作环境：气动部件处于下列任何一种工作环境即称为恶劣工作环境：①高温；②高湿度；③高振动；④高辐射；⑤腐蚀性环境；⑥腐蚀性介质；⑦脏污介质。

正常工作环境：不具备以上任何一种的工作环境称为正常工作环境。

3.2 维修模板制定

根据气动阀门气动部件的工作原理及内部经验反馈，结合气动部件故障模式及可靠性分析，以过滤减压阀为例制定不同气动部件的维修模板，如表2所示。

4 维修模板优化

维修模板建立完善后，不应该是静态的，即模板内容需要根据模板在现场应用的反馈进行及时调整和升版，例如新增维修技术类型或调整维修任务对应的周期等。一般每2 a集中升版一次，维修模板升版后，维修大纲也要相应升版。图2为维修模板在大纲编制及优化中的流程。

5 总 结

该研究成果可对国内核电厂设备可靠性管理中维修决策、故障分析与系统评估等相关各个环节提供重要技术支持。开发国内核电厂设备维修策略模板，可以固化和传承核电厂维修与故障管理的良好实践，增强对维修优化理念及维修优化成果的运用，有利于国内新建及在运机组运维水平提升。本研究成果及后续相应模板数据库的建立将为国内核电厂的运行及维修管理奠定良好的基础，为国内核电厂设备可靠性管理实现标准化、高效化提供重要支撑，具有广阔的应用前景。PM维修模板的开发应用，展示了其在PM优化效率方面的巨大发展前景，可以进一步推广应用。