基于FMEA 提升核電廠鉛酸電池的可靠性

謝俊業(yè),鄒詩華

( 蘇州熱工研究院,江蘇 蘇州 215000 )

核電廠鉛酸電池主要用于核電機組重要負荷的后備電源或柴油機等重要設備的啟動電源,也可用于其他不間斷電源系統(tǒng)。 一旦核電機組正常供電出現(xiàn)問題且電池失效,將導致下游重要負荷失去電源,如反應堆保護失電、主泵等重大設備失電及柴油機無法正常啟動等,將可能引發(fā)重大事故。提高電池運行可靠性,是核電廠設備管理的重要內(nèi)容之一。

故障模式和影響分析(FMEA)作為一種應用于系統(tǒng)或設備的可靠性分析方法,在工業(yè)領域應用廣泛。 核電業(yè)內(nèi)的大部分企業(yè),特別是中小型企業(yè)大多未采用FMEA 的方法,而是采用經(jīng)驗反饋的方式,進行點對點的問題解決[1]。 預防性維修模板是基于同類設備使用經(jīng)驗和的可靠性分析,預先制定的設備預防性維修任務模板。 目前,一些核電國家已有故障模式與維修策略模板的研究與應用,而我國也在逐步關注并推動建立國內(nèi)核電廠設備維修策略模板[2]。

為了提升核電廠鉛酸電池的可靠性,本文作者將FMEA和預防性維修模板結(jié)合,利用FMEA 彌補預防性維修模板尋找設備故障模式不全和影響分析不夠深入的缺陷,并利用維修模板將FMEA 與現(xiàn)場設備維修工作相結(jié)合,規(guī)范和傳承現(xiàn)場維修與故障管理的經(jīng)驗。 通過兩者結(jié)合的方式,為核電廠鉛酸電池制定基于FMEA 的維修模板,并用以往發(fā)生的電池故障事件對該模板進行驗證,驗證提升核電廠鉛酸電池可靠性的能力。

1 故障模式和影響分析(FMEA)

FMEA 起始于20 世紀60 年代航空航天工業(yè)項目,因為在航天飛行器的研究中取得了顯著的效果而得以推廣[3]。它是一種能識別各種故障模式并給出降低風險所采取措施的方法,也是一種通過對系統(tǒng)進行分析,識別潛在故障模式、失效原因及對系統(tǒng)性能影響的系統(tǒng)化程序[4]。 它的產(chǎn)生及特點,決定了適用于與安全有關或失效后果嚴重的系統(tǒng)、設備,因此對于核電廠鉛酸電池這種高可靠性要求的設備,FMEA 可用于找出故障模式,并分析故障帶來的影響。 以核電廠鉛酸電池為例,流程設置見圖1。

圖1 核電廠鉛酸電池FMEA 流程圖Fig.1 Failure mode and effect analysis(FMEA) flow chart of lead-acid battery in nuclear power plant

2 預防性維修模板的開發(fā)

預防性維修模板的開發(fā)是指基于同類設備使用經(jīng)驗和可靠性分析,給設備建立統(tǒng)一標準、通用的維修模板。 使用該模板,可為不同系統(tǒng)中的同類設備,有針對性地快速、高效制定并優(yōu)化維修策略,提高設備運行的可靠性。 預防性維修模板的開發(fā),需要基于已識別的故障模式,結(jié)合設備的特點進行分類,并根據(jù)實際分類情況,為每一類設備選擇合適的維修任務和周期。 除了區(qū)分不同類型的設備以外,通常還要結(jié)合現(xiàn)場設備的重要程度、使用頻率和運行工況等進行細分,以提高設備維修模板開發(fā)與使用的針對性,方便開發(fā)出適用于不同結(jié)構(gòu)特點和使用場合的設備維修模板。

以核電廠鉛酸電池為例,盡管各模板不能完全符合每一款電池,但只要結(jié)構(gòu)相似,在核電廠實際運行維護中,運用的就是模板中相似的手段。 對于有差異的電池,現(xiàn)場維修或管理人員只要用相應的模板進行針對性改進,就能快速制定出相對完備、考慮相對周全的預防性維修策略。

3 基于FMEA 的核電廠鉛酸電池維修模板

對不同結(jié)構(gòu)類型的鉛酸電池進行FMEA,可找出每個部件的故障模式,并根據(jù)故障影響選擇相應的維修任務,再基于FMEA 的成果,開發(fā)核電廠鉛酸電池維修模板。

3.1 電池的結(jié)構(gòu)

不同類型的鉛酸電池,結(jié)構(gòu)特點不同,表現(xiàn)出的故障模式會存在差異,相應維修任務的選擇也不一樣。 對于核電廠鉛酸電池,在FMEA 前先按結(jié)構(gòu)特點進行分類,主要可分為排氣式和閥控式兩種。

排氣式的特點在于電池蓋上裝有排氣裝置。 電池在運行過程中,產(chǎn)生的氣體將通過排氣裝置釋放,日常維護需要補充電解液和測量電解液密度等。 另外,排氣式鉛酸電池的外殼多采用透明材質(zhì),可從外部較好地觀察到電池內(nèi)部極板、槽等部件和電解液的狀況。 閥控式的特點在于電池上裝有安全閥。 正常情況下,整個電池是密封的,只有當內(nèi)部氣體壓力超過一定限值時,才會打開安全閥并排出氣體。 相對于排氣式鉛酸電池而言,閥控式鉛酸電池的維護工作較少,且不用定期補充電解液。 另外,閥控式鉛酸電池的外殼多采用不透明材質(zhì),在日常檢查中,不能直觀地看到電池內(nèi)部狀況。

除上述結(jié)構(gòu)特點不同外,這兩種鉛酸電池都是由正負極板、隔板、電解液、正負極柱、匯流排及電池槽和槽蓋、密封圈/墊等構(gòu)成。 這些結(jié)構(gòu)若失效,都會直接或間接影響電池的可靠性,因此,在對電池進行FMEA 時,這些因素都應該考慮。

3.2 應力分析

無論何種產(chǎn)品,一旦生產(chǎn)出來,經(jīng)庫存、運輸?shù)绞褂?每時每刻都在經(jīng)受各種應力,電池也是如此。 這些應力既有設備所受的外應力,也有設備自身的內(nèi)應力。 導致核電廠鉛酸電池各部件可靠性降低甚至失效的主要應力可分為以下3類:環(huán)境應力、機械應力和電應力。

環(huán)境應力主要包括高溫、低溫、潮濕和酸霧等,其中,溫度的影響最明顯。 在高溫下,充電電流和正負極板柵的腐蝕會呈指數(shù)上升,加速設備老化;低溫會導致電池內(nèi)部反應變慢,容量下降;而酸霧會對電池外部部件造成腐蝕,也可能會使密封件遭到破壞等。

機械應力主要包括跌落、振動、沖擊和加速度等。 電池安裝前,常會受到多方面的振動和沖擊,如搬動、運輸?shù)?安裝后,若安裝得不夠好,或運行時受環(huán)境影響導致振動較大,會引起電池之間的拉應力增大、外殼變形、開裂,導致電解液溢出,引線或連接線斷裂,極柱、極板及隔板變形等問題。

電應力主要包括電壓、電流、磁場和射線等,其中,電壓和電流的作用最明顯。 過高的充電電壓、紋波電壓,會加速電池老化;過低的充電電壓,容易導致電池硫酸鹽化,引起容量降低,甚至失效。

實際上,作用于電池上的應力不是單一的,FMEA 中的各種故障正是由上述單個或多個應力作用導致的。 在單個或多個應力的作用下,電池部件的性能會發(fā)生變化;當應力停止后,有的性能變化是可逆的,有的是不可逆的。 當性能變化超過電池規(guī)范要求時,電池就會失效。

3.3 電池敏感參數(shù)及監(jiān)測手段

應力會導致電池本體或部件的失效,但在故障發(fā)生前,電池某些敏感的參數(shù)往往會發(fā)生變化。 監(jiān)測這些敏感參數(shù),可以及時發(fā)現(xiàn)電池的劣化趨勢,并進行相應處理。

現(xiàn)場經(jīng)驗反饋得到的核電廠鉛酸電池敏感參數(shù)一般有:電池容量、電池內(nèi)阻、電解液密度、電壓、電流、電池溫度和外形尺寸等。 針對這些敏感參數(shù),核電廠通常會采用核容試驗、內(nèi)阻測試、密度測量、浮充電壓、電流的測量等手段,監(jiān)測電池的健康狀況。 不同監(jiān)測手段的精度、任務量及執(zhí)行難度均不一樣,在實際選擇維修任務時,要綜合考量并選擇合適的一種或多種監(jiān)測手段,以確保鉛酸電池的可靠性。

3.4 FMEA

將核電廠鉛酸電池結(jié)構(gòu)、所受應力、敏感參數(shù)及監(jiān)測手段歸類,結(jié)合相關標準[5-14]、國內(nèi)外經(jīng)驗反饋等,對這些電池(包括排氣式和閥控式)的主要部件進行FMEA,舉例如下:

①極板。 一般有活性物質(zhì)軟化脫落、板柵腐蝕變形、硫酸鹽化等故障模式,故障主要使得電池容量逐步降低、內(nèi)阻增大,嚴重時出現(xiàn)板柵斷裂、短路等。 ②電解液。 主要有干涸、漏液等故障模式。 干涸會導致電解液濃度和內(nèi)阻增大,板柵腐蝕加速,容量下降;漏液會導致電池外部連接條等腐蝕,嚴重時會在外部形成通路,產(chǎn)生火花乃至燃燒。 ③匯流排。 主要有匯流排腐蝕,故障會導致電池開路電壓偏低、內(nèi)阻偏高,浮充電壓出現(xiàn)不停跳動等,容量會逐漸下降至電池失效,或匯流排發(fā)生斷裂,導致開路不可用。

需要分析的部件還應包括排氣裝置、安全閥、密封圈、隔板、電池外殼(包括槽、蓋和電池架)、極柱、其他連接部件(如連接螺栓)和水分重組閥(如有)等。 這些零部件的失效均會影響核電廠鉛酸電池的可靠性。 在開發(fā)模板的過程中,工程師應根據(jù)現(xiàn)場實際存在的部件,適當進行增減。

3.5 維修任務的選擇

核電廠要進行的預防性維修任務分為以下6 點:狀態(tài)監(jiān)測、定期翻修、定期更換、定期試驗、糾正維修和重新設計等。不同的鉛酸電池,使用頻率、運行工況等有差別,實際健康狀況不同,因此,核電廠在實際管理過程中不能簡單地使用單一策略來管理,而應該結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測、定期試驗及定期更換等,綜合評估劣化趨勢和程度,在該部件失效前進行維修或更換處理。 結(jié)合之前的分析,為鉛酸電池各故障模式選擇合適的維修任務,其中部分任務可管理多種故障模式。

3.6 模板的開發(fā)

在上述分析的基礎上,需要對電池設備進行分類,并選擇合適的維修周期。 按結(jié)構(gòu)特點,將核電廠鉛酸電池分為排氣式和閥控式兩個模板。 每個模板按重要程度分為重要設備(C)和非重要設備(N);按使用頻率,分為日常處于浮充電狀態(tài)(H)和日常充電頻率較低或僅處于自放電狀態(tài)(L);按運行環(huán)境,分為惡劣工況設備(S)和正常工況設備(G)。 綜上所述,核電廠鉛酸電池分為以下8 種狀態(tài):CHS、CLS、CHG、CLG、NHS、NLS、NHG 和NLG。 如CHS 表示電池為重要設備,日常處于浮充電狀態(tài),工作環(huán)境較差。

周期的選擇,需要結(jié)合相關標準[5-14]的建議周期,并結(jié)合電站實際執(zhí)行情況確定。 模板的周期以年(Y)、月(M)、周(W)和日(D)為單位(若只與機組啟停狀態(tài)相關的,應備注說明,單位為C)。 若某些任務的周期不固定,需結(jié)合其他狀態(tài)監(jiān)測的結(jié)果,則周期可標示為AR。 如1 M 指每月執(zhí)行一次該任務;3 C 指每3 次機組停機檢修時執(zhí)行該任務。

按照上述分類完成預防性維修模板,其中排氣式鉛酸電池的部分成果示例見表1。

表1 核電廠排氣式鉛酸電池預防性維修策略模板Table 1 Preventive maintenance strategy template for vented lead-acid batteries in nuclear power plants

4 模板應用及可靠性提升

上述基于FMEA 開發(fā)出的預防性維修模板,不僅可為在建核電廠或尚未制定鉛酸電池維修策略的廠家確定電池預防性維修需求,還可提供制定維修策略的思路和執(zhí)行細節(jié)。在運行的核電廠,可用此模板優(yōu)化維修策略,并為鉛酸電池可靠性管理或分析人員提供思路,推動可靠性管理的完善。

將模板與某核電集團近8 年來反饋的嚴重電池故障事件進行比對,發(fā)現(xiàn)除了設計缺陷及人為導致的2 起事件外,其余6 起故障事件均可用此模板進行優(yōu)化,從而避免故障的發(fā)生。 換而言之,如果在8 年前使用該模板進行優(yōu)化,在排除維修質(zhì)量等因素的影響下,電池故障將減少75%。

2013 年10 月30 日,廣東某核電站220 V 配電系統(tǒng)的大量排氣式鉛酸電池殼體發(fā)生開裂滲液,影響上下游設備的正常運行。 經(jīng)分析,發(fā)現(xiàn)故障原因是密封圈老化、極柱腐蝕產(chǎn)物聚積過多。 將模板與這些電池原有的維修策略進行對比,發(fā)現(xiàn)缺少以下維修任務:沒有對密封圈/墊等密封裝置進行維護;沒有定期對電池密封性進行檢查;沒有定期對極柱涂抹凡士林等防腐材料等。 若使用該模板對比優(yōu)化,可提前發(fā)現(xiàn)密封圈和極柱的異常,避免該故障的發(fā)生。

2017 年1 月4 日,廣東某核電站的柴油機系統(tǒng)閥控式鉛酸電池在啟動時瞬間爆裂,對現(xiàn)場重要設備造成傷害,給現(xiàn)場工作人員造成了極大的風險。 經(jīng)調(diào)查,電池爆裂的原因是內(nèi)部金屬導體開裂,內(nèi)阻增大,日常缺乏對內(nèi)阻的檢查。 如果提前進行模板與電池維修策略的分析對比,就可以發(fā)現(xiàn)該電池屬于重要、不處于浮充、環(huán)境較好的電池(CLG),按照維修模板應該有每季度/啟動前的電池內(nèi)阻監(jiān)測。 若提前使用該模板優(yōu)化,可避免該故障的發(fā)生。

實踐證明,該模板能找出現(xiàn)有維修任務的缺漏或不足,完善電池管理策略,避免大量因維修任務不合理或周期不完善而導致的電池故障事件,提高核電廠鉛酸電池的可靠性。

5 結(jié)論

本文作者根據(jù)國內(nèi)核電廠鉛酸電池的實際運行、維護情況,采用FMEA 和維修模板相結(jié)合的方法,開發(fā)出基于FMEA的核電廠鉛酸電池預防性維修策略模板。 分析國內(nèi)某大型核電公司近8 年的電池故障,發(fā)現(xiàn)利用該模板可減少核電廠因管理手段的缺失或不當而造成的故障,在排除維修質(zhì)量等因素的影響下,可減少該公司電池故障達75%。

實踐證明,核電廠能運用該模板,快速、高效地制定和優(yōu)化維修策略,顯著提高核電廠鉛酸電池的可靠性。 此外,該模板還可給從事相關工作的工作人員提供技術參考,對于固化和傳承現(xiàn)場維修與故障管理成功經(jīng)驗,實現(xiàn)核電廠鉛酸電池可靠性管理的標準化、高效化,也具有重要意義。