AP1000核电厂设备可靠性分级研究与探讨

陈秀娟

（三门核电有限公司，三门 317112）

设备可靠性管理理念已广泛应用于国外核电厂的设备管理中，并为其带来了显著的经济效益［1，2］。美国核电运行研究所（INPO）总结经验并编制了一系列以设备可靠性为中心的管理程序。在我国，随着三门核电AP1000首堆工程调试工作的展开，三门核电在借鉴国外核电厂管理经验的基础上，逐步将设备可靠性管理理念应用于三门核电AP1000机组的设备管理中。设备可靠性管理首先对设备进行了等级划分，然后针对不同等级的设备，采取不同的可靠性管理策略。因此，借鉴国外的经验，建立一套科学合理的，适用于AP1000机组的设备可靠性分级标准，是设备可靠性管理的基础和前提。

1 AP1000核电厂设备可靠性分级原则制定依据

开展设备可靠性管理的首要工作是设备的可靠性（Equipment Reliability，ER）分级。引进INPO的可靠性理念［3-5］，管理总体流程如图1所示，同时结合自身设计特点，根据设备在核电厂安全运行中的重要程度，从核安全、风险、电力生产、工业安全、环境安全、法律法规要求、维修经济性等多个角度综合考虑，制定出设备的可靠性分级原则。三门核电一期工程采用的是美国西屋公司的AP1000核电技术，现有的设备分级方法有3种：核安全等级、风险等级、电力生产关键性等级。这3种分级分别是从不同的角度考虑制定出的，将作为可靠性分级原则的制定依据。

图1 设备可靠性管理流程图Fig.1 Equipment reliability process diagram

核安全分级原则是基于设备对核安全的影响程度，参考美国核学会（ANS）［6］的核安全要求，将设备分为安全相关设备与非安全相关设备［7，8］。其中A、B、C级被用于限制厂区外照射，保证冷却剂压力边界完整性，或用于反应堆安全停堆并保持其处于安全停堆状态的安全相关构筑物、系统和设备的分组，相当于美国核学会的安全1、2、3级［9］。非安全相关设备对核安全的影响程度很小。

从核电厂堆芯损坏的概率和对公众安全影响的角度出发，通过建立模型，应用概率风险评估（PRA）、确定论分析和专家决策等方法，得出设备对核电厂设计基准事件的贡献程度。根据贡献程度的不同，将设备定义为风险设备和非风险设备。AP1000 的PRA的主要内容包括：始发事件及事件树分析，成功准则分析，单个系统分析，人因可靠性分析，共因失效分析，严重事故分析，剂量分析，氢气控制分析和地震裕度分析等［10］。这样，既保证系统和设备的可靠性，又做到合理性，经济性。满足了安全管理部门要求营运单位递交确定论的安全分析报告和PSA分析报告［11］。

AP1000合同中要求：核电厂的平均可用性93%，可靠性目标为非计划停堆率每年少于1次［12］。要达到这一目标，需要分析设备故障对电力生产的影响，如反应堆停堆、强迫停堆、降功率等。与前面描述的核安全分级、风险分级不同，该分级是根据设备对核电厂电力生产影响的严重程度，将其分为R-1、R-2、R-3和NR4个等级。

此外，还首次引入了10CFR50.65“核电厂维修有效性的监测要求”（简称维修规则，Maintenance Rule，MR）［13］和 INPOAP-913 的设备筛选原则［14］。根据MR中的设备筛选原则，核安全等级与风险等级将有助于进行MR范围内设备的筛选。MR范围内的设备包括核安全A、B、C类设备及部分非安全相关设备，也包含高风险设备。

2 AP1000核电厂设备可靠性等级

INPO将设备分为关键（CC）、非关键（NC）、运行至失效（RTF）3个等级。通过与国外电厂的交流与对标，国外电厂如Voglte等均在借鉴INPO的基础上，根据自身实际对设备可靠性等级进行细化。结合三门核电AP1000项目的实际设计特点，又将CC级设备细分为CC1级设备和CC2级设备。

CC1级设备，满足下列一种或多种情况：

（1）失效后将丧失高风险的MR功能（等同于高风险等级）；

（2）失效后短期内（7天内）对生产有直接或重大影响（包括生产R-1、R-2级设备）；

（3）失效后会触发专设安全设施。

CC2级设备，满足下列一种或多种情况：

（1）包含于技术规格书、应急运行规程中的设备；

（2）失效7天或以上，对生产造成影响，或存在潜在风险（包括生产R-3类设备）；

（3）失效后完全丧失对放射性废物的处理能力；

（4）失效导致关键换料途径延长。

NC级设备，下列一个或多个问题回答为“是”即可：

（1）是否为重要系统功能的冗余设备？

（2）设备失效是否会导致其他关键设备的失效？

（3）设备失效是否会导致人员所受辐射增加？

（4）设备失效是否有任何工业安全问题？

（5）设备是否涉及相关法律法规的要求，失效后将导致管理当局采取行动？

（6）设备失效是否会阻碍关键设备的及时修复？

（7）部件的更换时间是否过长，导致所需维修的设备得不到及时修复？

（8）设备或类似设备是否有应被消除的过度纠正性维修？

（9）相比故障后的修复或替换，是否存在更为经济的预防性维修？

RTF级设备：此类设备失效后的风险和后果可接受，不需安排任何预测性和预防性维修，且延长这类设备的寿命既有难度又不经济。

因此，根据上述判定原则，将设备最终划分为4个等级：CC1、CC2、NC、RTF。

根据设备对核电厂安全、生产影响的紧急程度对CC级设备再细化，将CC1级设备作为核电厂管理的重中之重，有利于设备的精细化管理。

此外，在等级判定的基础上，又进行了分级的延伸。增加了设备的工作频度、工作环境以及功能设备组（FEG）的判定。

表1 ER分组矩阵表Table 1 Equipment reliability（ER）group matrix

根据设备的工作循环和加载的数量来判定工作频度，分为“高（H）”和“低（L）”；根据设备运行时内部和外部环境条件，将工作环境状况分为“良好（M）”和“恶劣（S）”。然后与设备可靠性等级结合，形成12个ER分组，见表1。这项分组采用了美国电科院（EPRI）［15］的预防性维修模板，为预防性维修大纲的开发工作提供支持，可在一定程度上减少预防性维修大纲的编制难度。

功能设备组（Functional Equipment Group，FEG）由围绕主设备的多个设备/子设备组成，具有共同的系统隔离特征或者可同时退出运行。FEG中各个设备的全部工作可以同时判定、同时安排。如图2所示，一台泵的FEG需要由电机或驱动单元，泵的零部件，支持或辅助系统（润滑油或密封油设备）以及供应电源等组成。

图2 泵功能设备组的示意图Fig.2 Diagran of functional equipment group for a pump

FEG可应用于运行隔离、维修计划的安排与维修活动的实施。将具有相同隔离特征的FEG内各设备的维修工作合理地安排在一起，在尽量减少运行隔离的同时，也简化了维修计划的安排，有利于减少维修活动的管理周期。

3 AP1000核电厂设备可靠性分级过程

设备分级工作以系统为单位进行。分级过程主要由设备可靠性管理工程师组织，由系统工程师负责实施，由各领域经验丰富的专家组成的专业技术小组审查。

分级之前需要收集系统相关的资料，如系统说明书、图纸、技术规格书、核电厂运行规程、设计文件、PRA文件等。分级时主要有3个层次的内容：系统层级的功能分析，设备层级的故障模式和影响分析以及设备的等级判定。首先，分析系统功能重要性。即依照MR重要性、风险重要性、电力生产关键性3方面的判定原则，分析每个系统功能对核电厂的重要程度。其次是设备层级的故障模式和影响分析。分析设备可能的失效模式，以及失效后对系统功能有何影响。第三是设备的等级判定。依照上述设备可靠性分级原则，划分相应的等级。如果某设备满足多个判断依据，则依照“从高原则”进行划分。具体分析过程如图3所示。

图3 ER分级分析过程Fig.3 Analytical process of the ER classification

4 设备分级过程中需注意的几个问题

随着分级工作的逐步深入，总结了几个需特别注意的问题。

（1）需要分级的设备范围：可靠性分级主要涉及生产设备，作为设备的一项基础信息，需纳入设备的信息管理中。非生产类设备（如工器具等）不采用可靠性管理模式，故无需进行可靠性分级。

（2）分析过程中，要把握一条主线，即分析设备可能出现的故障模式，设备的失效是否会使相应的系统丧失功能，系统功能丧失对核电厂又会产生何种影响。因此，最好按照设备所支持的系统功能将设备分组，这样按组依次分析，既能够理清思路，不致出错，又能提高工作效率。

（3）CC级设备主要是对核安全、生产有重要影响且不允许有非计划故障的设备，其判定需依据核电厂各方面的资料，如系统设计文件、计算书、运行规程以及系统在核电厂各种工况下的要求等文件。NC级设备主要是从工业安全、环境安全、辐射安全、法律法规要求、维修经济性等角度考虑筛选出的设备，这些设备对核电厂安全生产的影响通常不大，采取可靠性管理策略通常能够节约核电厂人力、物力、财力资源。另外，NC级设备的数量与核电厂的计划成本有关。RTF设备的失效后果和风险是可接受的，延长它们的寿命既有难度又不经济，允许其运行直到需要维修。

（4）分级时采用“单一故障”原理，即只考虑单个设备失效后对相应系统、核电厂产生的影响。如某设备存有冗余或备用设备，则冗余或备用的设备与该设备的等级一致。

（5）特种设备的分级：核电厂的特种设备主要有压力容器、锅炉、安全阀、国家强制类仪表等。法律法规对这些设备有人员资质或产品质量等强制要求，若对核电厂的核安全、生产运行无重大影响时，建议将这类设备定为NC级。

5 应用简析

对设备进行分级管理，将核电厂的人力、财力、物力资源重点放在关键重要设备上，保证关键重要设备的可靠性和可用性，能够减少工作量和管理成本，用有限的资源获得较大的经济效益。

设备的分级管理将影响核电厂多个领域的程序和工作过程。如预防性维修、预测性维修、维修规则管理、纠正性维修、工作过程管理、寿期管理、长期计划制定等。不同等级的设备需综合各领域的管理目标，采取不同的管理策略。

目前三门核电已开展设备可靠性分级及预防性维修工作。如从设备可靠性分级结果在除盐水处理系统（DTS）预防性维修大纲中的应用来看，设备可靠性分级对预防性维修有一定程度的影响。

DTS共有设备1 273件。分别以传统方式和设备可靠性分级结果两种方式为输入，编制预防性维修大纲的数据对比见表2。

表2 经设备可靠性分级修改前后的DTS预防性维修大纲数据对比Table 2 Comparison of preventive maintenance before ER classification and after

以传统方式编制的DTS预防性维修大纲中，需要预防性维修的设备有390台件，预防性维修项目共有680项。经AP1000设备可靠性分级后，该系统无关键设备，NC级设备有159台件，RTF设备有1 114台件。修改后的预防性维修大纲中只有159台件设备需要预防性维修，维修项目共232项，修改后的预防性维修大纲将大大减少后续的工作量和管理成本。仔细分析，可看出设备可靠性分级的3大优点：第一，可靠性分级结果的应用在一定程度上减少了预防性维修工作对于经验的依赖。传统方式没有对DTS设备在核电厂中的重要性进行分析、判定，完全依靠经验给出，只有具有一定经验的编制人员才能编制出切合核电厂实际的大纲。这种大纲编制方式对于三门AP1000这类新建核电厂并不适用，而设备可靠性分级可以指导一些工作经验较少的员工，通过科学的分析，认知设备及相应系统在核电厂安全运行中的重要性，从而判定设备等级，更能有的放矢地编制出切实可行的大纲。第二，可靠性分级方法提供了一种规范化、标准化的流程，有效减少了因人因失误导致的结果偏差，使不同人员得出了相对一致的结果。第三，该分级结果的应用能有效减少设备不必要的维修，减少设备的非计划停役时间，对运行电厂也具有很好的借鉴意义。

目前，三门核电已完成了工艺系统的设备可靠性分级工作，经初步统计，设备台件数共3万有余，其中CC1级、CC2级、NC级和RTF级设备的占比分别为4%、2%、24%、70%，如图4所示。工艺系统中的主要设备类型（泵、阀门、仪表）的统计结果如图5所示。该项统计数据表征了电厂资源在工艺系统中的配置状况。工艺系统约有七成设备可采取纠正性维修，可纳入可靠性管理范畴，采取可靠性管理策略的设备约占三成。设备管理的重中之重约为4%，随着后续资源配置的逐步丰富与完善，可逐渐扩大管理范围。

图5 泵、仪表、阀门的等级比例图Fig.5 A proportional diagram of pumps，instrumentation，valves

6 结论

AP1000设备可靠性分级融合了INPO与AP1000的技术特点，综合考虑多种因素，并进行了探索性的延伸，是一套综合性的分级方法。该方法的结果可作为核电厂优化资源配置的依据，对预防性维修等工作具有积极的指导作用。

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