维修规则范围设备可靠性指标设定方法研究

李艳良

（中核武汉核电运行技术股份有限公司核动力维修技术中心，湖北武汉 430223）

0 引言

系统设备长期运行后，其性能会由于各种原因发生劣化，系统设备执行预定设计功能的能力，要靠有效的维修来维持。2017年8 月9 日，国家核安全局（NNSA）借鉴美国核管会（NRC）关于维修有效性的监管体系，发布《改进核电厂维修有效性的技术政策（试行）》，对我国核电厂实施维修规则提出指导意见。技术政策指出，应当对纳入维修规则管理的构筑物、系统和设备（SSC）设置性能指标，用于判断这些构筑物、系统和设备是否仍具备执行相应功能的能力。研究对维修规则体系文件开发过程中可靠性指标的设定方法，给出实例分析。

1 维修规则的监管要求

美国核管会提出的维修规则（MR）包括条款（a）和（b）两部分内容，维修规则（b）部分规定了维修规则适用的SSC 范围，维修规则（a）部分规定了4 项监管要求，其中（a）-（2）部分要求执照持有者应当证明在条款（b）所界定的系统或设备的性能或状态能满足预定要求，而是否满足预定要求的判断标准就是性能指标，可靠性指标是性能指标之一。为维修规则范围内SSC 设定性能指标并进行监测是（a）-（2）条款内容，也是核电厂实施维修规则的重要环节。

2 可靠性指标的意义

可靠性是对SSC 完成预定功能能力的一个度量，本质上是一个概率值。国际标准化组织（ISO 8402）对可靠性的定义是：单元在给定的环境和运行条件下和在给定的时间内完成规定功能的概率[3]。这里的单元可以是一个元器件或者一个设备，也可以是一个系统。通常用时间间隔（0，t）内的失效次数来表示单元的可靠性更直观，在时间间隔（0，t）内失效次数越少，表明单元的可靠性越高。维修规则中用失效次数来表示SSC 的可靠性，可靠性指标的意义是SSC 在连续2 个燃料循环内发生不超过多少次的功能失效。

3 可靠性指标的设定方法

可靠性指标按照维修规则功能的风险重要度来确定，可靠性指标是设置在电厂层级、系统层级、列级或设备级。风险重要度高的SSC 都要设置可靠性指标，对于低风险备用功能也需要设置可靠性指标，此处的备用是指SSC 的功能是备用的，即如果一项SSC 只有通过自动或手动指令信号予以启动才执行其预定功能的话，则该SSC 是处于备用状态。除此以外，SSC 的功能是正常运行所需要的。

3.1 功能组的可靠性指标设定

经过维修规则范围筛选，每个维修规则功能都有一组设备来支持功能的实现，这样的一组设备称为功能设备组或功能组。在设备的寿命周期中，故障率函数呈现著名的浴盆曲线形式，即：早期的故障率递减期，中期的故障率近乎为常量，后期的故障率递增期。在设备的正常使用期，设备的故障率可简化为常数，这意味着在正常使用期，设备的性能状况不再恶化，而是发生随机故障，直到性能开始降级，也就是进入耗损期。

Rs（t）的意义是，在一段时间内发生不超过S 次失效的可信度，如果Rs（t）95%，则表示在一段时间内发生不超过S 次失效的可信度超过95%，也表示发生超过S 次失效的概率在5%以下，是个小概率事件。

3.2 功能组的可靠性指标设定步骤

功能组可靠性指标的设定包含初步计算、概率验算和最终确定3 步。

3.2.1 初步计算失效次数

设备的失效模式分为需求失效和运行失效2 类，如泵的启动失效、阀门的打开/关闭失效这类发生状态转换的故障都属于需求失效，而阀门不能保持关、泵的运行故障这类不发生状态改变的故障模式属于运行失效。假如组内含有i 个设备，功能组的失效次数计算方法为：

其中mi为第i 个设备2 个循环内的需求次数，pi为第i 个设备单次需求失效概率，i为第i 个设备的运行失效率，Ti为第i 个设备2 个循环内的运行时间，为该功能组的预期失效次数。

对于单个设备的需求失效概率和运行失效率，电厂的概率安全评价（PSA）中已经模化，可以运用PSA 软件进行计算。如果1 个燃料循环为18 个月，设备在2 个燃料循环中的需求失效次数和运行时间取值方法建议如下：对于连续运转的泵/风机，2个燃料循环内运行时间一般为去掉大修时间的有效运行时间，取30 个月；对于故障模式为不能保持开的阀门，其运行时间也取30 个月；阀门的电源开关和接触器运行时间按动作1 次2 min 计算，阀门开关1 次按4 min 计算；泵/风机的需求次数可根据定期试验周期来定，比如每月1 次的泵启动试验，在2 个燃料循环内需求次数为30 次。

3.2.2 概率验算

假定功能组的预期失效次数S，计算功能组2 个循环内设备失效次数S 次的概率Rs（t）。通常是假定S 为0 次、1 次、2次进行试算。取Rs（t）95%对应的失效次数作为初步的可靠性指标。

3.2.3 最终确定

3.3 备用设备的可靠性指标设定

备用设备的需求失效只有成功和失败2 种结果，其失效分布为二项分布，假如设备的需求失效概率为p，需求次数为m次，发生r 次失效的概率为：

需求失效概率可参考电厂的PSA 分析结果，设备的需求失效次数设置方法同上。

设定备用设备的可靠性指标时，首先计算设备在2 个燃料循环中的预期失效次数mp，然后取整代入式（5）中进行验算，取P（r）95%对应的失效次数作为初步可靠性指标，同样经过综合权衡后确定最终的可靠性指标。

3.4 无失效数据的可靠性指标设定

非风险重要类SSC 在电厂的PSA 中没有分析，没有失效率数据，则可采用历史数据分析法设定可靠性指标。其方法为：搜集功能组内所有设备的历史失效数据，数据来源一般为工单、事件报告、状态报告；筛选出与导致维修规则功能失效的设备相关的历史数据，注意剔除运行操作失误、设计缺陷、外部环境导致的功能故障，因为这些不属于维修可预防的功能故障（MPFF）；根据连续2 个燃料循环内导致功能失效的次数，综合考虑后设定为可靠性指标。

4 计算举例

某核电厂安喷系统1 组设备的可靠性指标设定过程如下。

4.1 初步计算

首先计算组内设备在2 个燃料循环内的预期失效次数，根据式（3）计算的本组内设备所有预期失效次数之和为0.190 次（表1）。

4.2 概率验算

取0.190 作为泊松分布的数学期望，分别计算失效次数为0次、1 次、2 次的概率，根据式（2）计算的结果见表2。

根据计算结果，可靠性指标初步确定为2 个循环内失效1次或2 次。

4.3 最终确定

综合考虑因素有组内设备的历史失效次数、技术规格书限制、主设备安喷泵的维修时间。结果如下：经查组内设备的历史失效信息，在过去的连续2 个燃料循环内，本组设备曾发生了1 次维修可预防的功能失效；在技术规格书中，1 列安全壳喷淋泵不可运行，需要在7 天内恢复运行；主设备安喷泵的修复时间约为7 天。

根据本系统的历史失效情况，可靠性指标设为1 次能反映系统当前的可靠性状态，考虑到安全壳喷淋系统的实际配置（有2 列独立的喷淋泵组），在2 个燃料循环内允许单列泵组失效1次。如果能有效维修，仍可保证系统的可靠性的。如果设为2 次与当前系统的可靠性水平不相符。

5 总结

设定的性能指标应能对SSC 维修的有效性起到监测作用，设定的性能指标数量不易过多，以免增加管理的负担，也不宜太少，以至于监测不到SSC 的降级。此外，设置可靠性指标的目的是为了更好地监测，促使核电厂改进维修。在维修规则体系建立之初，建议按照当前的可靠性水平设置可靠性指标，一段时间之后再寻求系统设备可靠性的改进，设置更严格的指标，追求更好的业绩。

表1 某电厂安全壳喷淋泵单列可靠性指标计算表（示例）

表2 概率验算表