基于维修规则的一回路海水系统可用性指标开发研究

2020-04-30李云

中国核电 2020年1期

李云

(中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300)

美国核电厂自1996年正式实施维修规则(MR)至今，已有20余年，其机组平均能力因子水平大幅提升，平均换料大修时间显著减少，平均重大事件次数逐步降低，核电厂业绩处于世界领先水平[1-4]。美国核电实施维修规则的实践经验对中国核电发展具有非常重要的参考价值及借鉴意义。2017年国家核安全局发布《改进核电厂维修有效性的技术政策(试行)》，鼓励各核电厂采用试点、示范方式逐步开展相关研究；并明确要求对申请运行许可证延期的核电厂，必须在批准之前建立维修有效性评价体系(维修规则)[5]。秦山300 MW机组由于延寿需要，于2016年开始了维修规则试点工作。本文概述了维修规则的监管范围、监管方式及实施流程，再以300 MW机组一回路海水系统为例，详细介绍了依据历史运维数据，利用正态分布开发维修规则范围内构筑物、系统和设备(SSCs)可用性指标的方法，可供同行参考，以满足国内核电厂执行监管部门技术政策的需求。

1 MR内容简介

1.1 MR监管范围

维修规则b条款[6]规定了其监管的范围，主要包括：

b1：安全相关SSCs。在设计基准事故中/后，用以维持反应堆冷却剂系统压力边界完整性的SSCs；实现安全停堆和保持安全停堆状态的SSCs以及防止或缓解放射性事故后果的SSCs。

b2：部分重要非安全相关SSCs。核电厂最终安全分析报告(FSAR)中用于缓解事故或瞬态后果的SSCs；核电厂应急运行规程(EOP)中的SSCs；失效导致安全相关SSCs无法执行安全功能的SSCs；失效触发非计划停堆或安全系统动作的SSCs。

1.2 MR监管方式

维修规则a条款[6]规定了其监管的方式，主要包括：

a1：特殊管理。监测SSCs不满足性能指标，则进行原因分析、采取纠正行动，设置a1目标，直至满足设定目标后，进入a2管理。

a2：正常管理。监测SSCs满足性能指标，则继续保持原预防性维修、定期试验等维修活动不变。

a3：定期评估。至少每个燃料循环，对维修活动有效性进行评估，持续改进不当之处。

a4：风险评估管理。开展维修活动之前，应对其可能引起的风险增量进行评估和管理。

2 MR实施流程

维修规则的实施主要分成两个过程[7]：开发性能指标及执行性能监测，如图1所示。主要流程包括：1)范围筛选；2)风险重要性判定；3)性能指标开发；4)性能监测；5)定期评估；6)维修活动风险评估与管理。

图1 维修规则流程图

范围筛选：首先从系统功能入手，分析出系统的MR功能，然后再识别出支持该功能实现的SSCs，即为维修规则管理范围内的SSCs，范围以外的SSCs继续执行原有的维修大纲。

风险重要性判定：当PSA分析模型完备时，采用NUMARC93-01推荐的风险增加值(RAW)、风险减少值(RRW)以及堆芯损伤频率(CDF)贡献度来判定风险重要性；当缺少PSA分析模型时，采用NUMARC93-02推荐的“DELPHI RISK RANKING”专家判断来确定风险重要性[8]。

性能指标开发：通常，性能指标分为两层三类，一层是核电厂层级的性能指标，适用于所有的SSCs；另一层是系列或设备层级的性能指标，适用于具体的SSCs；第一类是可靠性指标(RPC)，即监测周期内SSCs的失效次数；第二类是可用性指标(APC)，即监测周期内SSCs的不可用时间；第三类是状态监测指标(CPC)，即SSCs状态表征参数，例如壁厚、泄漏率等。

性能监测：定期收集运行、维修、试验等相关数据，结合开发的性能指标，开展SSCs维修有效性监测活动。对于满足性能指标的SSCs，进行正常管理；对于不满足性能指标的SSCs，采用特殊管理，直至满足设定目标后，再改为正常管理。

定期评估：每个燃料循环对监测情况进行评估。评估内容包括：性能指标是否合理，纠正行动是否合适，可靠性与可用性是否平衡等。对于评估中发现的不合理/不合适的地方需要持续优化。

维修活动风险评估与管理：针对风险重要性高的SSCs，在开展预防性维修、纠正性维修或者修后试验等维修活动之前，应对其可能引起的风险增量进行评估并对风险采取相应的措施进行管控。

3 指标开发

3.1 范围筛选

秦山300 MW机组一回路海水系统满足单一故障准则，由两个独立的回路构成；每个回路又包括两个泵列(共A/B/C/D四个泵列)，由海水泵及相关阀门管道等组成。只要有一台海水泵运行，本系统即可提供100%的容量，保证海水系统各用户的用水要求。其功能与M310机组SEC系统功能类似，属于安全相关系统。

一回路海水系统识别出一个MR功能，即在机组各种运行工况下把设备冷却水系统、应急柴油发电机组冷却器收集的热负荷由两条安全有关的冗余回路输送到最终热阱(大海)；针对MR功能，识别出支持该功能实现的SSCs及其失效模式清单，即为维修规则的监管范围。因设备数量较多，仅以部分典型数据为例，见表1。

表1 MR设备及失效模式清单(部分)

3.2 风险重要性判定

NUMARC93-01推荐的风险重要性判定准则[7]如下：

RAW>2.00：如果假设此功能失效，由此带来的CDF或LERF(放射性物质大量早期释放频率)风险增加值大于2，则认为此功能风险重要性高；

RRW>1.005：如果假设此功能100%可靠，由此带来的CDF或LERF风险减少值大于1.005，则认为此功能风险重要性高；

90%CDF：如果某一项功能包含在若干割集中，这些割集递减排序且累计对CDF的贡献大于90%，则认为此功能风险重要性高。

一回路海水系统的PSA分析模型完备，利用分析软件RISKSPECTRUM对4个泵列进行计算，其风险增加值RAW>2.00，根据风险重要性判定准则，判定为高风险重要性。

3.3 可用性指标开发

根据NUMARC93-01中性能指标开发的一般原则，一回路海水系统风险重要性高且运行，应按系列(泵列)层次开发可靠性指标及可用性指标。本文仅讨论可用性指标开发。通常，在维修规则中采用不可用时间作为可用性指标。可用性指标基于自身的历史运行数据，即通过给SSCs设置一个依据历史数据的不可用时间，来判断SSCs性能优劣。

为避免随机失效造成的不可用时间增加，依据识别出的MR设备及失效模式清单(见表1)，收集统计4个泵列过去5年(2013—2017年)的不可用历史数据，包括不可用时间和要求可用时间，并计算出不可用率，见表2。

表2 不可用历史数据

注：不可用率=实际不可用时间/要求可用时间。

参考美国核电厂维修规则实践，假设数据(不可用率)服从正态分布，按90%置信度要求反算出不可用时间。其中，监督周期为2个燃料循环，按30个月，21 600 h计算。正态分布函数的数学公式[9]为：

(1)

式中：μ——常数，随机变量的均值；

σ——常数，随机变量的标准差。

(2)

由式(2)得

t=σu+μ

(3)

对式(3)两边微分得dt=σdu

(4)

(5)

将式(2)(4)(5)代入式(1)，转化为标准正态分布函数：

(6)

(7)

表3 标准正态分布函数表

依据表2中的不可用率数据，经过计算得：均值μ=1.40×10-2，标准差σ=1.57×10-2，代入式(7)则x=3.41×10-2，即90%置信度要求下的不可用率为3.41×10-2，则在2个燃料循环21 600 h内，单个泵列不可用时间的理论计算值为：21 600×3.41×10-2=736.56 h。

再收集统计出4个泵列最近两个燃料循环(C16&C17)的实际不可用时间分别为：A列362.71 h，B列281.42 h，C列0 h，D列21.16 h。经历史不可用数据验证，理论计算值作为监督周期内的不可用时间指标值是合理的。

目前，一回路海水系统没有采用在线维修策略，按历史数据计算的维修不可用时间只适用于纠正性维修，还需要考虑预防性维修的时间。查询系统预防性维修大纲，海水泵及相关阀门等主要MR设备的预防性维修周期均在3个燃料循环及以上，为平衡SSCs的可用性与可靠性，假设在监督周期内进行1次主要设备的预防性维修。

查询技术规格书，当只有一条海水回路可运行时，应在72 h内恢复至两条回路均可运行状态，否则需要降模式运行直至冷停堆。由于本系统具有2个回路，每个回路包含2个泵列，1个泵列可用即可提供100%的容量，在单一故障准则下，选择1个合适的泵列进行主要设备的预防性维修超过72 h，不会违反技术规格书限制。亦即可以不用考虑技术规格书中的允许维修时间限制，只需考虑采用维修经验来确定预防性维修时间，例如：柴油机估计为336 h，水泵估计为168 h，阀门估计为48 h等。

因此，在一个监督周期内，作为最终性能指标的不可用时间应该是纠正性维修的时间加上一次海水泵预防性维修的时间，见表4。

表4 最终不可用时间

最后，需要特别强调几点：1)对于在反应堆功率运行期间没有开展预防性维修的系统设备，利用正态分布计算得出的不可用时间，只适用于纠正性维修；可用性指标还必须包括预防性维修时间;2)可用性指标必须包含一定裕度，避免随机失效造成的不可用时间增加而突破指标值，但是也不能过于宽松而无法暴露出维修活动的问题;3)必须定期评估可用性等其他性能指标设置是否合理，持续优化评估中发现的不合理之处，才能不断提升核电厂维修有效性。