以可靠性為中心的維修在CAP1400爆破閥中的應(yīng)用

李 瑋，尹緒雨，楊 濤，簡(jiǎn)海林，俞照輝

（國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

RCM（Reliability Centered Maintenance，以可靠性為中心的維修）是目前國(guó)際上通用的、用以確定資產(chǎn)預(yù)防性維修需求、優(yōu)化維修策略的一種系統(tǒng)工程方法。它向用戶(hù)提供一個(gè)邏輯圖，按照邏輯圖，使用戶(hù)根據(jù)故障后果以及故障模式技術(shù)特點(diǎn)的不同，按照狀態(tài)監(jiān)測(cè)、定期維護(hù)、定期更換、定期試驗(yàn)、糾正性維修、設(shè)計(jì)變更等維修類(lèi)型的順序，選擇合適的維修方式來(lái)管理設(shè)備的故障模式，從而提高設(shè)備的可靠性，降低維修成本。

CAP1400爆破閥是在AP1000核電廠爆破閥基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，以適應(yīng)CAP1400核電廠需求的，具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的爆破閥，主要用于控制CAP1400核電廠的事故后緩解、建立反應(yīng)堆非能動(dòng)的安全殼再循環(huán)、使反應(yīng)堆的堆芯余熱（剩余衰變熱）能夠順利導(dǎo)出。爆破閥是CAP1400核電站安注、泄壓和噴淋系統(tǒng)上的核心控制組元，是啟動(dòng)非能動(dòng)安全系統(tǒng)維護(hù)核島安全的關(guān)鍵設(shè)備，屬于核一級(jí)部件，是CAP1400第三代壓水堆核電的核心技術(shù)之一。保障爆破閥的可靠性，不僅是核電站安全運(yùn)行的先決條件，也是事故工況下延長(zhǎng)事故響應(yīng)時(shí)間，緩減事故故障后果，降低事故處理成本的保證。因此非常有必要在CAP1400爆破閥上應(yīng)用RCM。

1 RCM技術(shù)分析流程

（1）邊界劃分。邊界就是具有功能關(guān)系的設(shè)備集合體，而邊界劃分則把該集合體分解為若干互不包含的元素，以確保RCM分析對(duì)象的獨(dú)立性和準(zhǔn)確性，并防止分析范圍過(guò)大或過(guò)小而影響整個(gè)系統(tǒng)RCM分析的進(jìn)度和質(zhì)量。邊界可為設(shè)備邊界或者系統(tǒng)邊界。下面為爆破閥進(jìn)行設(shè)備邊界劃分。

（2）設(shè)備/部件分級(jí)。根據(jù) SSC（Structures，Systems，Compo-nents，構(gòu)筑物，系統(tǒng)，部件）的關(guān)鍵度將其分為3類(lèi)，即關(guān)鍵部件、重要部件以及運(yùn)行至失效（RTF，Run To Fail）。

（3）FMEA（Function，F(xiàn)ailure，F(xiàn)ailure Mode&Effect Analy-sis，功能、故障、故障模式、故障后果分析）。按嚴(yán)密的邏輯分析原則依次分析系統(tǒng)構(gòu)成元素的功能、故障、故障模式和故障后果及類(lèi)型，將有安全性故障后果、隱蔽性故障后果和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有嚴(yán)重使用性故障后果的故障歸納、記錄為重要故障模式匯總表。

（4）LTA（Logic Tree Analysis，邏輯決斷分析）。針對(duì)重要故障模式匯總表中的每一故障，確定故障對(duì)應(yīng)元素合適的維修工作類(lèi)型。

2 CAP1400爆破閥的RCM技術(shù)分析

2.1 爆破閥邊界劃分、設(shè)備/部件分級(jí)以及風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)定

CAP1400爆破閥為重要設(shè)備，其邊界劃分可根據(jù)其重要零部件來(lái)進(jìn)行。以拉緊螺栓、點(diǎn)火器、閥體、閥蓋、閥蓋C形環(huán)、閥蓋螺栓、剪切蓋、活塞、法蘭墊片為例進(jìn)行分析。其中，關(guān)鍵部件有拉緊螺栓、點(diǎn)火器、剪切蓋、活塞；重要部件有閥體、閥蓋、閥蓋螺栓；運(yùn)行至失效部件有閥蓋C形環(huán)、法蘭墊片。

風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)定是一種用于確定每種故障模式故障后果的保守方法。分級(jí)包括了依靠操作人員的反應(yīng)及干預(yù)以避免已被定義的故障后果。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣的劃分見(jiàn)表1，其中，S為嚴(yán)重性，L為可能性。

嚴(yán)重性（S）：3——導(dǎo)致重大失去動(dòng)力或反應(yīng)性事件的故障；2——導(dǎo)致最小程度失去動(dòng)力事故的故障；1——沒(méi)有導(dǎo)致失去動(dòng)力事故的故障。

可能性（L）：3——預(yù)期故障發(fā)生率最高；2——預(yù)期故障發(fā)生率中等；1——預(yù)期故障發(fā)生率最低。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）=嚴(yán)重性（S）×可能性（L）。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：9——最大嚴(yán)重性——最大可能性；6——（中等嚴(yán)重性—最大可能性）或（最大嚴(yán)重性—中等可能性）；4——中等嚴(yán)重性—中等可能性；3——（最小嚴(yán)重性—最大可能性）或（最大嚴(yán)重性—最小可能性）；2——（最小嚴(yán)重性—中等可能性）或（中等嚴(yán)重性—最小可能性）；1——最小嚴(yán)重性—最小可能性。

在一個(gè)事件中，故障模式分為嚴(yán)重性及可能性。大多數(shù)爆破閥的故障模式的可能性為“1”，出現(xiàn)的概率最低，雖然該故障模式被設(shè)定出來(lái)，但不可能發(fā)生。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）矩陣

2.2 CAP1400爆破閥FMEA

FMEA是一種歸納分析系統(tǒng)性細(xì)節(jié)的技術(shù)，以逐個(gè)部件為基礎(chǔ)，識(shí)別故障模式以及對(duì)系統(tǒng)或周邊部件推測(cè)其產(chǎn)生的故障后果（圖 1）。

圖1 FMEA流程

爆破閥FMEA的工作是對(duì)爆破閥每個(gè)部件逐個(gè)對(duì)進(jìn)行故障模式分析，然后分析其結(jié)果對(duì)系統(tǒng)或周?chē)考挠绊?，每個(gè)部件會(huì)形成一套譜系。CAP1400爆破閥故障模式和故障分析匯總?cè)缦隆?/p>

2.2.1 拉緊螺栓

部件功能：淤在額定載荷下斷裂；于在設(shè)計(jì)失效位置斷裂；盂在不同加載率下斷裂；榆固定活塞在初始位置；虞裝配時(shí)為活塞提供拉力。

（1）低載荷下斷裂模式。

原因：淤材料變質(zhì)；于加壓速率過(guò)慢；盂疲勞斷裂；榆輻射；虞螺栓已斷；愚腐蝕。

后果：淤閥門(mén)無(wú)法全開(kāi)或部分開(kāi)啟（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

（2）其他斷裂失效模式。

原因：淤活塞故障；于火藥失效；盂火藥不足；榆活塞室泄漏；虞螺栓材料變質(zhì)；愚裝配錯(cuò)誤。

后果：淤閥門(mén)無(wú)法開(kāi)啟（使用性后果）；于活塞室超壓（安全性后果）；盂堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.2 點(diǎn)火器

部件功能：淤接收電子脈沖信號(hào)；于起爆火藥室的爆破組件。（1）點(diǎn)火失敗。

原因：淤電子連接短路；于點(diǎn)火器老化；盂S-glass失效；榆電纜橋接不連續(xù)。

后果：淤閥門(mén)無(wú)法開(kāi)啟（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

（2）點(diǎn)火正常但藥量不足，難以以點(diǎn)燃腔室的火藥。

原因：淤火藥填充不足；于因密封不足的點(diǎn)火器；盂ZPP老化；榆點(diǎn)火器圓盤(pán)故障。

后果：淤閥門(mén)無(wú)法開(kāi)啟（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

（3）結(jié)構(gòu)故障。

原因：淤螺紋失效；于螺紋腐蝕；盂S-glass失效。

后果：無(wú)法裝配（非使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：1（S）×1（L）。

2.2.3 閥體

部件功能：淤壓力邊界和火藥邊界；于閥門(mén)爆破前后維持閥門(mén)各組件的位置，同時(shí)維持閥門(mén)在管道中的位置。

（1）失去壓力邊界或火藥邊界。

原因：淤材料缺陷；于過(guò)量的火藥超壓；盂水錘；榆沖擊破壞；虞地震；愚振動(dòng)。

后果：淤閥門(mén)無(wú)法實(shí)現(xiàn)其功能（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）；盂LOCA（Loss of Coolant Accident失水工況模擬試驗(yàn)）工況下失去冷卻（使用性后果）；榆再流通閥無(wú)法運(yùn)行（使用性后果）；虞產(chǎn)生飛濺物（安全性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

（2）變形。

原因：殘余應(yīng)力。

后果：淤活塞未對(duì)準(zhǔn)（使用性后果）；于活塞卡滯（使用性后果）；盂閥門(mén)無(wú)法開(kāi)啟（使用性后果）；榆堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

（3）閥體損毀。

原因：閥門(mén)爆破。

后果：淤閥門(mén)難以解體（非使用性后果）；于需替換閥體（非使用性后果）；盂停堆大修（非使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：2（S）×1（L）。

（4）閥體和閥蓋的連接螺紋失效。

原因：淤材料缺陷；于過(guò)量的火藥或水錘的超壓。

后果：淤發(fā)生LOCA事故（使用性后果）；于再流通閥無(wú)法運(yùn)行（使用性后果）；盂產(chǎn)生閥門(mén)內(nèi)漏（隱蔽的使用性后果）；榆產(chǎn)生飛濺物（安全性后果）；虞閥門(mén)無(wú)法開(kāi)啟或部分開(kāi)啟（使用性后果）；愚堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

（5）閥體和法蘭面之間的螺紋失效。

原因：淤材料缺陷；于水錘的過(guò)壓；盂螺紋失效；榆爆破時(shí)過(guò)載。

后果：淤發(fā)生LOCA事故（使用性后果）；于再流通閥無(wú)法運(yùn)行（使用性后果）；盂產(chǎn)生閥門(mén)內(nèi)漏（隱蔽的使用性后果）；榆產(chǎn)生飛濺物（安全性后果）；虞閥門(mén)無(wú)法開(kāi)啟或部分開(kāi)啟（使用性后果）；愚堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.4 閥蓋

部件功能：淤壓力邊界和火藥邊界；于閥門(mén)爆破前支撐部分閥門(mén)組件，保持火藥室的位置

（1）失去壓力邊界和火藥邊界。

原因：淤材料缺陷；于過(guò)量的火藥的超壓；盂地震；榆振動(dòng)。

后果：淤閥門(mén)無(wú)法實(shí)現(xiàn)其功能（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）；盂發(fā)生LOCA事故（使用性后果）；榆再流通閥無(wú)法運(yùn)行（使用性后果）；虞產(chǎn)生飛濺物（安全性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

（2）螺紋失效（閥蓋盤(pán)螺栓）。

原因：淤材質(zhì)缺陷；于過(guò)量火藥或水錘導(dǎo)致超壓；盂裝配錯(cuò)誤。

后果：淤發(fā)生LOCA事故（使用性后果）；于再流通閥無(wú)法運(yùn)行（使用性后果）；盂產(chǎn)生閥門(mén)內(nèi)漏（隱蔽的使用性后果）；榆產(chǎn)生飛濺物（安全性后果）；虞閥門(mén)無(wú)法開(kāi)啟或部分開(kāi)啟（使用性后果）；愚堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.5 閥蓋C形環(huán)

部件功能：密封活塞上部空間。

故障模式：流體內(nèi)漏或氣體外漏。

原因：淤安裝位置錯(cuò)誤；于鍍銀不一致；盂C形環(huán)不平整。

后果：淤閥門(mén)被淹（使用性后果）；于活塞卡滯（使用性后果）；

盂閥門(mén)無(wú)法開(kāi)啟（使用性后果）；榆堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.6 閥蓋螺栓

部件功能：淤壓力/火藥邊界；于維持閥蓋的位置。

故障模式：失去壓力邊界或火藥邊界。

原因：淤材料缺陷；于火藥過(guò)量導(dǎo)致超壓；盂地震；榆振動(dòng)。

后果：淤閥門(mén)無(wú)法實(shí)現(xiàn)其功能（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）；盂發(fā)生LOCA事故（使用性后果）；榆再流通閥無(wú)法運(yùn)行（使用性后果）；虞產(chǎn)生飛濺物（安全性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.7 剪切蓋

部件功能：淤壓力邊界；于閥門(mén)爆破時(shí)剪切斷開(kāi)；盂根據(jù)流量和L/D要求，構(gòu)成閥芯密封面。

（1）泄漏或失去閥門(mén)完整性。

原因：淤材料缺陷；于蠕變；盂應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂；榆系統(tǒng)超壓；虞輻射；愚地震；輿振動(dòng)；余疲勞。

后果：淤密封面完整性破壞（使用性后果）；于閥門(mén)無(wú)法運(yùn)行（使用性后果）；盂堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

（2）閥門(mén)爆破時(shí)剪切斷開(kāi)失敗。

原因：淤活塞速度不足；于角度有偏差；盂材質(zhì)缺陷和變質(zhì)；榆輻射；虞溫度壓力的影響。

后果：淤閥門(mén)無(wú)法運(yùn)行（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

（3）未提供適當(dāng)?shù)拿芊庾?/p>

原因：淤剪切蓋輪緣表面不規(guī)整；于閥體內(nèi)輪緣彎曲。

后果：淤密封墊泄漏（使用性后果）；于改變系統(tǒng)壓力（使用性后果）；盂機(jī)組停堆（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：2（S）×1（L）。

（4）未提供適當(dāng)?shù)腖/D或流量。

原因：剪切蓋變形影響流道。

后果：淤減少流量（使用性后果）；于堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.8 活塞

部件功能：推開(kāi)剪切蓋，使流體通過(guò)閥門(mén)。

（1）拉緊螺栓或者活塞連接失效。

原因：淤材料缺陷；于腐蝕；盂裝配不適。

后果：淤剪切蓋無(wú)法推開(kāi)（使用性后果）；于流體無(wú)法流動(dòng)（使用性后果）；盂剪切蓋部分被推開(kāi)（使用性后果）；榆堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

（2）活塞卡滯。

原因：淤腐蝕；于閥體損壞；盂被止動(dòng)震干涉；榆因剪切蓋的厚度差異；虞活塞載荷不均衡。

后果：淤不能推開(kāi)剪切蓋（使用性后果）；于流體無(wú)法流動(dòng)（使用性后果）；盂剪切蓋部分被推開(kāi)（使用性后果）；榆堆芯冷卻不足（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.9 法蘭墊片

部件功能：密封閥門(mén)法蘭面。

故障模式：泄漏。

原因：淤安裝錯(cuò)誤；于材料缺陷。

后果：淤剪切蓋側(cè)溫度增加（使用性后果）；于反應(yīng)堆冷卻液泄漏致房間（使用性后果）；盂房間被淹（使用性后果）；榆機(jī)組停堆（使用性后果）。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RR）：3（S）×2（L）。

2.3 CAP1400爆破閥邏輯決斷分析與維修任務(wù)選擇

在確定設(shè)備維修需求的RCM邏輯決斷分析時(shí)，首先分析故障后果類(lèi)型（隱蔽性后果、安全性后果、環(huán)境性后果、非使用性后果、使用性后果），然后按照故障特點(diǎn)確認(rèn)維修類(lèi)型。對(duì)非使用性后果故障以及預(yù)防維修成本高于故障維修的使用性后果故障，采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)；對(duì)隱蔽性后果故障，采用隱患檢測(cè)、定時(shí)報(bào)廢或更改設(shè)計(jì)；對(duì)安全性、環(huán)境性和使用性后果故障，采用視情維修、定期更換或定時(shí)報(bào)廢的維修手段。

假定原設(shè)計(jì)合理，不更改設(shè)計(jì)，用上述RCM邏輯決斷分析原則確定核心設(shè)備和分系統(tǒng)的維修工作類(lèi)型如下。

（1）拉緊螺栓：狀態(tài)監(jiān)測(cè)為主，視情維修為輔。

（2）點(diǎn)火器：定期更換。

（3）閥體：狀態(tài)監(jiān)測(cè)為主，視情維修為輔。

（4）閥蓋：狀態(tài)監(jiān)測(cè)為主，視情維修為輔。

（5）閥蓋C型環(huán)：定期更換。

（6）閥蓋螺栓：狀態(tài)監(jiān)測(cè)為主，視情維修為輔。

（7）剪切蓋：狀態(tài)監(jiān)測(cè)為主，視情維修為輔。

（8）活塞：狀態(tài)監(jiān)測(cè)為主，視情維修為輔。

（9）法蘭墊片：定期更換。

3 結(jié)論

CAP1400爆破閥的RCM技術(shù)分析表明，大量故障適合采取狀態(tài)監(jiān)測(cè)和視情維修的工作類(lèi)型，在充分保障爆破閥可靠性的前提下，有望取得以下收益：淤爆破閥維修項(xiàng)目少、工期短；于爆破閥維修周期合理；盂爆破閥備品、備件的消耗費(fèi)用和存儲(chǔ)費(fèi)用合理。