基于AP-913 設(shè)備分級(jí)的核電廠系統(tǒng)監(jiān)督實(shí)施探討

蘇 夏，宋春景

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

0 引言

AP-913《設(shè)備可靠性管理程序》是美國INPO（Institute of Nuclear Power Operation，核電運(yùn)行研究所），以設(shè)備分級(jí)為起點(diǎn)建立的一整套設(shè)備可靠性管理流程，旨在提高電廠安全性和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。AP-913 包含設(shè)備分級(jí)、性能監(jiān)測、缺陷處理、預(yù)防性維修、持續(xù)改進(jìn)和壽期管理六大模塊，彼此關(guān)聯(lián)、相互促進(jìn)，形成了一個(gè)完善的閉環(huán)設(shè)備可靠性管理系統(tǒng)。其中，設(shè)備分級(jí)是整個(gè)設(shè)備可靠性管理的第一項(xiàng)要素，是性能監(jiān)測和設(shè)備可靠性持續(xù)提升的輸入，而系統(tǒng)監(jiān)督是落實(shí)性能監(jiān)測模塊的必要措施。

1 設(shè)備分級(jí)

基于AP-913 可靠性管理流程的設(shè)備分級(jí)主要包括3 個(gè)方面，分別為設(shè)備關(guān)鍵度分級(jí)、運(yùn)行頻度分級(jí)和設(shè)備工作環(huán)境分級(jí)，其中關(guān)鍵度分級(jí)是可靠性分級(jí)的核心內(nèi)容。同時(shí)，為了方便電廠對(duì)設(shè)備維修窗口進(jìn)行分析判斷，并支持預(yù)防性維修計(jì)劃開發(fā)，增加了運(yùn)行頻度分級(jí)和工作環(huán)境分級(jí)。設(shè)備關(guān)鍵度分級(jí)流程主要通過下述步驟開展[1]。

1.1 明確系統(tǒng)的功能

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)資料，如系統(tǒng)說明書、流程圖、技術(shù)規(guī)格書等，確定系統(tǒng)功能清單，劃分系統(tǒng)之間的邊界，避免系統(tǒng)邊界交叉導(dǎo)致功能重復(fù)或遺漏。每個(gè)系統(tǒng)功能由一個(gè)或多個(gè)功能設(shè)備組來完成。

1.2 劃分功能設(shè)備組（FEG）

FEG（功能設(shè)備組）是多個(gè)設(shè)備或部件組成的功能設(shè)備組，具有共同的隔離特征或可以同時(shí)退出運(yùn)行，方便運(yùn)行隔離和維修活動(dòng)的實(shí)施。圖1 為AP1000 化學(xué)與容積控制系統(tǒng)（CVS）中的一個(gè)代表性FEG，其中包含以補(bǔ)水泵為核心進(jìn)出口閥門、小流量熱交換器和相關(guān)儀表。將系統(tǒng)功能分配至FEG 或FEG 組合，以每個(gè)FEG 為單位開展設(shè)備可靠性分級(jí)，也是AP1000 在應(yīng)用AP-913 管理流程上的創(chuàng)新突破[1]。

圖1 功能設(shè)備組示例

1.3 開展設(shè)備關(guān)鍵度分級(jí)

設(shè)備的關(guān)鍵度分級(jí)是基于單個(gè)設(shè)備的失效所導(dǎo)致的后果，以回答問題的方式來判定的。AP-913 中介紹了一種四級(jí)分級(jí)方式，將設(shè)備分為高關(guān)鍵設(shè)備、低關(guān)鍵設(shè)備、非關(guān)鍵設(shè)備、運(yùn)行至失效設(shè)備。AP1000 在實(shí)際應(yīng)用過程中，根據(jù)電廠的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的拓展和調(diào)整，綜合考慮MR（Maintenance Rule 維修規(guī)則）管理范圍、基于PSA（Probalilistic Safety Assessment，概率安全評(píng)價(jià)）分析的設(shè)計(jì)可靠性保證大綱（D-RAP）和發(fā)電可靠性分級(jí)等判斷因素，通過依次回答表1 中的問題來確定設(shè)備的分級(jí)，將設(shè)備分為CC1（高關(guān)鍵）、CC2（關(guān)鍵）、NC（非關(guān)鍵）和RTF（運(yùn)行至失效）設(shè)備。

傳統(tǒng)設(shè)備分級(jí)一般采用RCM（Reliability Centered Maintenance，以可靠性為中心的維修）法，即先識(shí)別重要功能，再分析關(guān)鍵設(shè)備的方法，這種方法容易發(fā)生將重要設(shè)備遺漏的情況[1]。而基于AP-913 的設(shè)備關(guān)鍵度分級(jí)，需要對(duì)每個(gè)系統(tǒng)的每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行分級(jí)，其理論本質(zhì)與RCM 保持一致，但分級(jí)流程大大簡化，并且避免遺漏情況的發(fā)生[5]。

2 EPRI 系統(tǒng)監(jiān)督

性能監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)設(shè)備可靠性管理的前提，也是預(yù)防性維修工作和持續(xù)提升可靠性的重要基礎(chǔ)。EPRI（Electric Power Research Institiute，電力研究學(xué)會(huì)）在1997 年布了系統(tǒng)監(jiān)督導(dǎo)則[4]，該導(dǎo)則主要針對(duì)MR 范圍中的設(shè)備/部件指導(dǎo)如何落實(shí)維修規(guī)則中關(guān)于性能監(jiān)測的要求。在2010 年，EPRI 結(jié)合應(yīng)用2007 年發(fā)布的AP-913 設(shè)備可靠性管理流程的要求，對(duì)導(dǎo)則進(jìn)行了完善。新版導(dǎo)則更推薦參照AP-913 可靠性分析來確定系統(tǒng)監(jiān)督大綱的范圍并制定系統(tǒng)監(jiān)督計(jì)劃。

制定系統(tǒng)性能監(jiān)督計(jì)劃的流程可以歸納為：確定系統(tǒng)范圍→識(shí)別重要功能并開展失效影響評(píng)價(jià)→定義降級(jí)機(jī)理和指標(biāo)參數(shù)→識(shí)別數(shù)據(jù)需求→確定趨勢跟蹤和趨勢分析的方法→確定可接受閾值并制定行動(dòng)計(jì)劃。

2.1 確定系統(tǒng)范圍

最初EPRI 導(dǎo)則建議使用篩選矩陣識(shí)別需要實(shí)施監(jiān)督的系統(tǒng)，維修規(guī)則（MR）、發(fā)電重要、重要支持系統(tǒng)和電廠/行業(yè)經(jīng)驗(yàn)是確定系統(tǒng)范圍的關(guān)鍵因素。隨著AP-913 的發(fā)布，其中的設(shè)備可靠性關(guān)鍵準(zhǔn)則已包含MR、發(fā)電、安全、環(huán)境和放射性風(fēng)險(xiǎn)因素，因此新版導(dǎo)則更推薦參照AP-913 來篩選系統(tǒng)范圍。

2.2 識(shí)別重要功能并開展失效影響評(píng)價(jià)

建議參照MR、AP-913 或電廠預(yù)防性維修大綱來確定功能重要度，如果某功能失效會(huì)影響到下列電廠關(guān)鍵原則，則該功能應(yīng)納入系統(tǒng)監(jiān)督大綱范圍之內(nèi)。電廠關(guān)鍵原則包括：停堆、顯著降功率、瞬態(tài)、觸發(fā)專設(shè)、關(guān)鍵安全功能失控、達(dá)到和/或維持反應(yīng)堆安全停堆的能力下降、緊急停堆、進(jìn)入短期限制工況、安全系統(tǒng)失去冗余、喪失應(yīng)急運(yùn)行規(guī)程能力、環(huán)境影響、放射性/人員安全影響、監(jiān)管負(fù)擔(dān)顯著增加、換料停堆延長、啟動(dòng)延遲等。

對(duì)功能開展失效影響評(píng)價(jià)是確定系統(tǒng)范圍和識(shí)別重要功能的主要方法，一般采用故障模式影響分析方法確定失效的影響。

2.3 定義降級(jí)機(jī)理和指標(biāo)參數(shù)

識(shí)別出系統(tǒng)的重要功能之后，分析功能的降級(jí)機(jī)理，并確定監(jiān)測哪些參數(shù)，如何監(jiān)測這些參數(shù)才能有效監(jiān)測到系統(tǒng)功能降級(jí)的早期指標(biāo)。降級(jí)機(jī)理和指標(biāo)參數(shù)可能存在于系統(tǒng)級(jí)、功能級(jí)和設(shè)備級(jí)，這一環(huán)節(jié)需要透徹地了解系統(tǒng)功能、支持這些功能的設(shè)備及其可能發(fā)生降級(jí)的物理、電氣和機(jī)械特性。如果設(shè)備失效會(huì)引起所支持功能的降級(jí)或失效，那么這些設(shè)備就是關(guān)鍵設(shè)備，需要分析設(shè)備的降級(jí)機(jī)理和降級(jí)指標(biāo)參數(shù)。在這一環(huán)節(jié)，行業(yè)經(jīng)驗(yàn)、供貨商資料和故障歷史等都可以作為分析的信息來源。

2.4 識(shí)別數(shù)據(jù)需求

確定監(jiān)督所需的直接數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)與降級(jí)指標(biāo)關(guān)聯(lián)起來。這一步中需要確定數(shù)據(jù)類型、采集頻率和數(shù)據(jù)精度。需知目前核電廠日常開展的監(jiān)測活動(dòng)并不是出于系統(tǒng)監(jiān)督的目的而設(shè)置的，因此還要比較需求數(shù)據(jù)和目前有效數(shù)據(jù)之間的差異，將不具備的數(shù)據(jù)源記錄在案并評(píng)估其風(fēng)險(xiǎn)。待數(shù)據(jù)具備后可以考慮升級(jí)系統(tǒng)監(jiān)督計(jì)劃，確保能夠定性或定量地確定失效機(jī)理相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 確定趨勢跟蹤和趨勢分析的方法

這一環(huán)節(jié)中對(duì)監(jiān)督數(shù)據(jù)的趨勢變化進(jìn)行跟蹤和分析，趨勢分析方法的適當(dāng)性與數(shù)據(jù)要求相關(guān)，確定趨勢分析的頻率時(shí)還要考慮老化和實(shí)際參數(shù)收集頻率。工程師可以利用指標(biāo)參數(shù)-時(shí)間趨勢圖或?qū)⒅笜?biāo)參數(shù)與可接受閾值的比較來發(fā)現(xiàn)問題并采取行動(dòng)。系統(tǒng)功能最終是落實(shí)在設(shè)備上來執(zhí)行的，因此設(shè)備性能監(jiān)督是系統(tǒng)監(jiān)督的主體。

2.6 確定可接受閾值并制定行動(dòng)計(jì)劃

可接受閾值是分配給每個(gè)參數(shù)的可定義的趨勢水平或限值，建立適當(dāng)?shù)目山邮荛撝禌Q定了系統(tǒng)監(jiān)督的有效性?？山邮荛撝狄话惴譃榫G、白、黃、紅4 個(gè)等級(jí)，其中綠色代表良好、白色代表關(guān)注、黃色代表提醒、紅色代表報(bào)警。4 個(gè)等級(jí)的劃分有利于在早期識(shí)別異常情況，以便在不干擾正常工作的情況下采取行動(dòng)來檢測、分析然后糾正或緩解。確定閾值范圍時(shí)應(yīng)考慮留有適當(dāng)?shù)奶崆霸６龋谐渥愕臅r(shí)間做出積極的決定。

行動(dòng)計(jì)劃是預(yù)先制定的、當(dāng)監(jiān)督參數(shù)達(dá)到相應(yīng)的閾值級(jí)別時(shí)采取的行動(dòng)/決策，多重行動(dòng)等級(jí)能保證在失效前實(shí)施適當(dāng)?shù)男袆?dòng)計(jì)劃。行動(dòng)計(jì)劃包括管理關(guān)注、啟動(dòng)糾正性行動(dòng)項(xiàng)、增加監(jiān)測頻率、增加監(jiān)測參數(shù)、運(yùn)行限制、操作員動(dòng)作、問題分析、試驗(yàn)等。

3 基于AP-913 的系統(tǒng)監(jiān)督計(jì)劃

新版導(dǎo)則更推薦參照AP-913 來篩選系統(tǒng)范圍，認(rèn)為其包含了更全面的基于系統(tǒng)功能的設(shè)備可靠性分析，適合用來確定系統(tǒng)監(jiān)督大綱的范圍。但實(shí)際上，基于AP-913 的設(shè)備關(guān)鍵度分級(jí)流程，通過回答問題的方式對(duì)所有系統(tǒng)的所有設(shè)備進(jìn)行了分級(jí)。設(shè)備關(guān)鍵度分級(jí)原則與EPRI 功能影響評(píng)價(jià)考慮的電廠關(guān)鍵原則在本質(zhì)上是一致的。在電廠開展系統(tǒng)監(jiān)督時(shí)，如果能充分利用設(shè)備關(guān)鍵度分級(jí)的結(jié)果，采用逆向思維方式，將CC1/CC2 級(jí)設(shè)備/FEG 所支持的重要功能直接識(shí)別進(jìn)入監(jiān)督范圍，為CC1/CC2 級(jí)設(shè)備制定相應(yīng)的監(jiān)督計(jì)劃，自下而上地構(gòu)建系統(tǒng)/功能監(jiān)督框架，可以避免傳統(tǒng)RCM 方法可能遺漏關(guān)鍵設(shè)備的問題，同時(shí)系統(tǒng)監(jiān)督體系能更好地AP-913 設(shè)備可靠性管理流程保持一致。

根據(jù)EPRI 規(guī)定的步驟，美國Comanche Peak 電廠以化學(xué)與容積控制系統(tǒng)為例，完成了系統(tǒng)監(jiān)督計(jì)劃，對(duì)系統(tǒng)和功能逐層分析，完成系統(tǒng)監(jiān)督計(jì)劃（圖2）。

圖2 Comanche peak 電廠系統(tǒng)監(jiān)督計(jì)劃示例（部分）

如果核電廠已完成設(shè)備關(guān)鍵度分級(jí)，那么在此基礎(chǔ)上可以逆向識(shí)別出需要監(jiān)督的重要系統(tǒng)功能，同時(shí)設(shè)備性能監(jiān)督的結(jié)果可以為系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)提供輸入。以AP1000 CVS（化學(xué)與容積控制系統(tǒng)）為例，設(shè)備分級(jí)示例（部分）見表2 和表3。

表2 AP1000 CVS 設(shè)備分級(jí)示例（FEG-021）

表3 AP1000 CVS 設(shè)備分級(jí)示例（FEG-001）

上述設(shè)備屬于同一個(gè)FEG 單元（圖1），設(shè)備失效的后果影響了D-RAP 相關(guān)的功能，進(jìn)而影響MR 中的高風(fēng)險(xiǎn)功能，關(guān)鍵度分級(jí)為CC1。這些設(shè)備所支持的“為RCS 提供補(bǔ)水，避免非能動(dòng)安全系統(tǒng)動(dòng)作”功能必然是重要功能，應(yīng)納入電廠系統(tǒng)監(jiān)督范圍，同時(shí)電廠應(yīng)針對(duì)這些為CC1 的設(shè)備制定后續(xù)性能監(jiān)督計(jì)劃。

上述設(shè)備屬于同一個(gè)FEG 單元，設(shè)備失效將在7 d 內(nèi)影響RCS 水化學(xué)，導(dǎo)致電廠進(jìn)入停機(jī)時(shí)間限制小于等于7 d的技術(shù)規(guī)格書運(yùn)行限制條件狀態(tài)。這些設(shè)備所支持的“冷卻劑水化學(xué)控制”功能被識(shí)別為重要功能，應(yīng)納入電廠系統(tǒng)監(jiān)督范圍，并針對(duì)這些劃分為CC1 的設(shè)備制定后續(xù)性能監(jiān)督計(jì)劃。

采用AP-913 設(shè)備可靠性分級(jí)結(jié)果，為CVS 制定系統(tǒng)監(jiān)督計(jì)劃（圖3）。與Comanche Peak 電廠的CVS 監(jiān)督計(jì)劃相比，該計(jì)劃層級(jí)數(shù)量減少、關(guān)鍵設(shè)備清晰，能更直觀地體現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)督以設(shè)備分級(jí)為基礎(chǔ)，進(jìn)而為設(shè)備可靠性持續(xù)改進(jìn)提供參考依據(jù)。

圖3 AP1000 電廠CVS 監(jiān)督計(jì)劃示例（部分）

4 結(jié)束語

性能監(jiān)測是AP-913 設(shè)備可靠性管理大綱的重要模塊，也是目前我國核電廠實(shí)施經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺的模塊。本文介紹了基于AP-913 的設(shè)備可靠性分級(jí)方法，探討將設(shè)備可靠性分級(jí)結(jié)果應(yīng)用于制定系統(tǒng)監(jiān)督計(jì)劃的方案，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行說明。

基于AP-913 設(shè)備關(guān)鍵度分級(jí)結(jié)果制定系統(tǒng)監(jiān)督計(jì)劃時(shí)，實(shí)際上已在設(shè)備分級(jí)時(shí)完成針對(duì)功能的失效模式和失效影響分析，其中綜合考慮了發(fā)電、安全、環(huán)境和放射性風(fēng)險(xiǎn)等因素，實(shí)質(zhì)上與EPRI 導(dǎo)則中的關(guān)鍵功能原則一致。核電廠基于基于設(shè)備可靠性分級(jí)結(jié)果制定監(jiān)督計(jì)劃，可以快速、全面、準(zhǔn)確地制定系統(tǒng)監(jiān)督計(jì)劃，更好地確保性能監(jiān)督模塊與AP-913 設(shè)備可靠性管理體系保持一致。