基于RCM的核电站维修优化研究与应用

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　　【摘  要】设备的维修优化是核电站近年来发展的重要方向。论文通过对维修历史、不同维修策略优缺点的比较以及目前核电站维修大纲现状的介绍，分析了以可靠性为中心的维修（reliability-centered maintenance，简称RCM）在核电站维修优化中的应用。
　　【Abstract】Equipment maintenance optimization is an important direction of nuclear power plant development in recent years. Through the introduction of maintenance history， comparison of advantages and disadvantages of different maintenance strategies and current status of nuclear power plant maintenance program， this paper analyzes the application of reliability-centered maintenance （RCM） in the maintenance optimization of nuclear power plant.
　　【关键词】维修优化;可靠性;核电站;RCM
　　【Keywords】maintenance optimization; reliability; nuclear power plant; RCM
　　【中图分类号】TM623.7                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）02-0176-03
　　1 维修历史
　　维修是指设备技术状态劣化或发生故障后，为恢复其功能而进行的技术活动，包括各类计划修理和计划外的故障修理及事故修理。自18世纪英国发起的技术革命以来，开创了以机器代替手工工具，逐步诞生了近现代的维修概念。根据工业革命历史，人们普遍将维修历史分为以下三个阶段：
　　第一阶段主要指第一次、第二次工业革命时期，即1950年之前。该阶段工业化程度不高、主要资本家缺少预防性维修概念。此外，由于这个阶段的设备主要特征是大而简单，并且通过简单设备组成复杂、庞大的组织机构的较少。设备损坏后通常不会引起联动效应，损坏后影响范围较小，其影响不会影响资本家对于利润的追逐，无法引起人们的重视。此外，由于设备简单，设备损坏后维修就较为简单，因此，该阶段主要以纠正性维修（corrective maintenance，简称CM）为主。
　　第二阶段主要指第二次工业革命后期到1970年左右。该阶段人类进入科技时代，核能发电站、航天科技等高精尖工业成果相继出现。设备逐渐复杂化、精细化，单一设备的损坏对于系统的影响已经十分突出。随着电子信息技术的发展，人们已经会利用当时前沿信息科技对设备进行状态监测。通过对设备状态进行检测，当发现设备重要指标有不满足趋势时则及时对设备进行维修，将这种维修策略称之为状态维修（condition based maintenance，简称CBM）。由于状态维修能够预测设备故障的时间，因此，CBM有时也被称为预测性维修（predictive maintenance，简称PdM）。由于该维修策略成本低、可靠性较高，对于设备失效后不会引起重大影响的工业设备，目前仍普遍采用该维修策略。
　　经过第二阶段维修发展后，对于类似核电站、航空工业等领域设备失效后造成重大影响的，则逐步转向以可靠性、安全性、经济性全面考虑的维修策略。该阶段主要指在1970年之后，称为维修历史的第三阶段。随着高精尖科技的发展，人们对第二阶段的维修历史经验进行总结，通常会对设备故障的影响进行分析（failure mode effect analysis，简称FMEA）。通过分析可以更加精确定位需要维修的设备，选择更加合适的维修策略。
　　2 RCM与其他维修策略的比较
　　RCM理论目前公认起源于1999年国际汽车工程师协会（SAE）颁布的RCM标准《以可靠性为中心的维修过程的评审准则》（SAEJA1011），该标准提出了正确的RCM过程应遵循的准则。应用RCM理论必须完整回答以下七个问题：
　　①在现行的使用背景下，装备的功能以及相关的性能指标是什么？
　　②在什么情况下装备无法实现其功能？
　　③引起装备功能故障的原因是什么？
　　④各类故障发生时，会出现什么情况？
　　⑤各类故障在什么情况下至关重要？
　　⑥做什么工作才能预测或者预防各类故障？
　　⑦如果无法找到合适的主动任务应该做哪些工作？
　　目前，核电站维修体系中主要涉及的维修策略有纠正性维修、定期维修（time based maintenance，简称TBM）、状态维修、适应性维修（adaptive maintenance，簡称AM）等。
　　RCM与CBM：CBM顾名思义就是对设备的状态进行定期监测，当设备的状态发生恶化时，考虑对设备进行维修。CBM的主要优势在于可以通过对设备监测来替代特定期维修，仅在设备接近不可用时再进行维修。CBM的缺点在于并不是所有设备都有特定参数可供监测，使用范围有限。CBM由于未区分设备重要性，可能导致制定了多余的维修大纲而造成资源浪费，也可能有重要设备未制定维修大纲而造成重大损失。RCM可以完美规避CBM的缺点，做到对症下药。由于CBM也可以检测一些重要设备的状态，因此，CBM被认为是RCM维修类型中的一种。 　　RCM与TBM：TBM主要适用于易损坏、易老化的设备。根据厂家设备说明，对于易损坏、易老化的设备只要运行到一定时间，就对设备进行维修以避免设备故障，因此，也被称为预防性维修。TBM的优点在于可以在设备故障前进行维修以预防设备故障发生，缺点在于厂家往往过于保守，给定的易损件、易老化部件寿命远小于设备的实际寿命，按照厂家给定周期定期维护容易造成成本上升。RCM则可以对TBM进行补充、完善，根据设备失效后果针对性制定不同的维修策略。
　　RCM与CM：CM即在设备失效后进行维修，该维修策略并不是核电站维修策略的主体，主要作为预防性维修的补充。此外，可以通过对设备类型、设备工作环境的CM次数统计，结合RCM分析选择CM频率较高的设备制定相应的维修大纲。
　　RCM与AM：AM的核心在于对应维修策略可以使得维修和生产损失费用的和最小化。该维修策略在经济性和思路方面整体与RCM保持一致，但是核电站维修策略制定过程中不能仅考虑经济利益的最大化，还需要充分考虑放射性物质排放管控、公众影响等。因此，在非核安全设备维修策略的制定时AM与RCM是高度一致的，在核安全设备维修策略的制定时RCM明显优于AM。
　　通过比对核电常用维修策略与RCM可以发现，目前，核电站的维修策略均有一定的可取之处，但是已有维修策略的缺点也极为明显，在全面性上与RCM差距较大。
　　3 RCM可作为核电站重要的维修优化工具
　　核电站预防性维修大纲是核电站需进行预防性维修的系统设备的项目总和，核电站预防性维修大纲主要包括以下信息：功能位置、大纲标题、维修周期、执行部门、维护计划、维修项目、标准包、大纲来源（一般由常规预防性项目、法规项目、定期试验监督大纲项目、配合类项目组成）等。RCM是一种正向分析方法，按照RCM七问可以推断出设备故障的不同后果。核电设备故障可能造成不同的影响，主要有：放射性物质外泄、停止堆芯运行、停止汽轮机发电、机组降低核功率运行、机组降低发电功率运行、设备不影响机组正常发电、设备影响世界核运营协会（The World Association of Nuclear Operators，简称WANMO）因子等。可以将设备维修分为状态监测（如贯穿件实验）、定期维护（如定期解体检修）、定期试验（如一回路水压试验）、纠正性维修、改造等维修类型。通过分析设备失效后不同影响来选择不同的维修策略，不仅可以提高设备的可靠性，还可以降低维修成本。
　　自1980年之后，RCM在世界各个工业领域（包括航空、石油、化工、电力、铁路等）都得到了广泛的应用。因此，RCM更应该在核电领域进行推广，使之成为最重要且最基本的维修优化方法。
　　4 核电站的维修大纲现状及RCM的运用分析
　　目前，核电站维修策略的制定主要依托于核电机械设备运行维护手册（equipment operation maintenance manual，简称 EOMM）。依据EOMM手册中给定设备短期简单维护、长期解体检修维护信息制定相应的监测大纲、维修大纲。此外，根据压水堆核电厂核岛机械部件在役检查规则（简称RSEM）、国家法规要求等建立了一套在役检查大纲。根据各种维修大纲编制对应维修标准包、维修程序等，建立一套完善的预防性维修体系。同时，核电站运行周期内也会产生大量的设备损坏造成的维修、厂家设备制造缺陷产生的维修、多个核电基地经验反馈产生的维修等问题，这类维修统称为纠正性维修。纠正性维修与预防性维修共同形成了目前核电站的维修体系。目前的维修大纲主要有以下缺陷：
　　①维修大纲不合理导致设备可靠性低。在很多情况下，运行状态良好的设备因预防性维修时间节点到期而不得不进行解体检修，不仅浪费人力、物力还容易在维修过程中产生新的纠正性维修，甚至设备损坏。如某核电站化学试剂注入系统（简称SIR）、给水流量控制系统（简称ARE）、加氮的气动隔离阀的维修策略为阀体、气动头六个换料周期解体检修。该阀门主要失效点在于气动阀头执行机构隔膜老化、漏气导致阀门无法正常开关。阀体部分结构为简单的阀杆阀板组件、盘根以及阀体阀盖密封焊结构，无易损、老化件，且阀门年度开关次数少，所以不容易损坏。但是若经常切割、焊接密封焊结构则存在阀体损坏而需要更换整阀的风险。此外，气动头解体检修包含气动头性能试验（简称Fratol试验），也可以同步检测阀体落座力、开关性能等。因此，通过RCM分析后，大纲优化为保持气动头六个换料周期解体检修，阀体部分则延长到九个换料周期维修。优化后不仅没有降低设备的可靠性，还延长了设备使用寿命并且降低了维修成本，提升了核电站的经济效益。
　　②盲目设置大纲导致维修费用过高。例如，在某核电站中很多闸阀、逆止阀设备在每个换料周均有阀盖或盘根力矩校验工作。对于逆止阀的正常大纲维修需要系统停运、泄压，对于闸阀则更为苛刻，不仅要求系统停运、泄压，还要求阀门处于非关闭状态。此外，闸阀校验盘根力矩后可能导致阀门开关时间变化甚至引起阀门卡涩抖动等缺陷，因此，力矩校验后可能需要進行额外的动作检查。相关工作均需要安排专门的检修窗口，并投入大量的计划、运行及维修人员，导致人力及时间成本的浪费。后续该核电站针对该问题进行完善的RCM分析，采取类似大纲取消、大纲延长周期等手段，将单台机组的闸阀、逆止阀的力矩校验工作大纲从140余项减少至少于30项，极大地降低了维修费用。
　　③没有考虑设备在系统中的作用，同样的设备在不同的运行条件下盲目采用几乎同样的维修策略。例如，某核电站的安全阀大纲均在同一功能位置设置六个换料周期的解体检修大纲以及三个换料周期的离线校验大纲。其中，部分安全阀在冷却水系统中使用，由于该核电站冷却水使用的是海水，整体水质不佳，因此，六个换料周期解体大纲是合理的。部分安全阀在氢气、压缩空气系统中使用，安全阀使用环境极佳，已有三个换料周期的校验大纲后完全没必要进行六个换料周期的解体。后续通过RCM分析对部分系统的安全阀大纲进行删减优化，减少了不必要的大纲。
　　④在设置大纲过程中未合理考虑设备可靠性。例如，在某核电集团范围内多基地的安全壳换气通风系统（简称EBA）和安全壳内大气监测系统（简称ETY）的贯穿件隔离阀均未设置相应的维修大纲。追根溯源，主要由于其最早投产的两台核电机组采用的是法国产的气动蝶阀，该种阀门整体可靠性好，不容易出现问题。但是其后续多基地新建的核电机组未采用相同的气动蝶阀，而是采用了国内某厂家生产的快关蝶阀，由于材料及工艺上的差异，导致设备可靠性有一定程度的下降，但是对应的维修大纲还是使用早期两台机组的大纲，从而导致设备可靠性降低。通过RCM分析后，不同核电站分别设置定期贯穿件密封试验、执行机构定期检查等大纲，提升了设备的可靠性。
　　5 结语
　　目前，核电站在建造初期依托EOMM建立的PM维修大纲已经无法同时满足核电站运行可靠性以及经济性的要求。根据RCM七问思路逐项对于目前已有设备大纲进行复核，对于不直接产生影响的或者影响属于可接受范围内的设备，考虑维修大纲的删减、延长周期等是十分必要的。各核电站应结合实际情况，充分运用RCM理论建立适合的维修大纲，提升核电站整体系统和设备的可靠性与经济性。
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