以可靠性为中心的维修在CAP1400爆破阀中的应用

李 玮，尹绪雨，杨 涛，简海林，俞照辉

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

0 引言

RCM（Reliability Centered Maintenance，以可靠性为中心的维修）是目前国际上通用的、用以确定资产预防性维修需求、优化维修策略的一种系统工程方法。它向用户提供一个逻辑图，按照逻辑图，使用户根据故障后果以及故障模式技术特点的不同，按照状态监测、定期维护、定期更换、定期试验、纠正性维修、设计变更等维修类型的顺序，选择合适的维修方式来管理设备的故障模式，从而提高设备的可靠性，降低维修成本。

CAP1400爆破阀是在AP1000核电厂爆破阀基础上开发出来的，以适应CAP1400核电厂需求的，具有我国自主知识产权的爆破阀，主要用于控制CAP1400核电厂的事故后缓解、建立反应堆非能动的安全壳再循环、使反应堆的堆芯余热（剩余衰变热）能够顺利导出。爆破阀是CAP1400核电站安注、泄压和喷淋系统上的核心控制组元，是启动非能动安全系统维护核岛安全的关键设备，属于核一级部件，是CAP1400第三代压水堆核电的核心技术之一。保障爆破阀的可靠性，不仅是核电站安全运行的先决条件，也是事故工况下延长事故响应时间，缓减事故故障后果，降低事故处理成本的保证。因此非常有必要在CAP1400爆破阀上应用RCM。

1 RCM技术分析流程

（1）边界划分。边界就是具有功能关系的设备集合体，而边界划分则把该集合体分解为若干互不包含的元素，以确保RCM分析对象的独立性和准确性，并防止分析范围过大或过小而影响整个系统RCM分析的进度和质量。边界可为设备边界或者系统边界。下面为爆破阀进行设备边界划分。

（2）设备/部件分级。根据 SSC（Structures，Systems，Compo-nents，构筑物，系统，部件）的关键度将其分为3类，即关键部件、重要部件以及运行至失效（RTF，Run To Fail）。

（3）FMEA（Function，Failure，Failure Mode&Effect Analy-sis，功能、故障、故障模式、故障后果分析）。按严密的逻辑分析原则依次分析系统构成元素的功能、故障、故障模式和故障后果及类型，将有安全性故障后果、隐蔽性故障后果和对整个系统有严重使用性故障后果的故障归纳、记录为重要故障模式汇总表。

（4）LTA（Logic Tree Analysis，逻辑决断分析）。针对重要故障模式汇总表中的每一故障，确定故障对应元素合适的维修工作类型。

2 CAP1400爆破阀的RCM技术分析

2.1 爆破阀边界划分、设备/部件分级以及风险分析评定

CAP1400爆破阀为重要设备，其边界划分可根据其重要零部件来进行。以拉紧螺栓、点火器、阀体、阀盖、阀盖C形环、阀盖螺栓、剪切盖、活塞、法兰垫片为例进行分析。其中，关键部件有拉紧螺栓、点火器、剪切盖、活塞；重要部件有阀体、阀盖、阀盖螺栓；运行至失效部件有阀盖C形环、法兰垫片。

风险分析评定是一种用于确定每种故障模式故障后果的保守方法。分级包括了依靠操作人员的反应及干预以避免已被定义的故障后果。风险等级矩阵的划分见表1，其中，S为严重性，L为可能性。

严重性（S）：3——导致重大失去动力或反应性事件的故障；2——导致最小程度失去动力事故的故障；1——没有导致失去动力事故的故障。

可能性（L）：3——预期故障发生率最高；2——预期故障发生率中等；1——预期故障发生率最低。

风险等级（RR）=严重性（S）×可能性（L）。风险等级（RR）：9——最大严重性——最大可能性；6——（中等严重性—最大可能性）或（最大严重性—中等可能性）；4——中等严重性—中等可能性；3——（最小严重性—最大可能性）或（最大严重性—最小可能性）；2——（最小严重性—中等可能性）或（中等严重性—最小可能性）；1——最小严重性—最小可能性。

在一个事件中，故障模式分为严重性及可能性。大多数爆破阀的故障模式的可能性为“1”，出现的概率最低，虽然该故障模式被设定出来，但不可能发生。

表1 风险等级（RR）矩阵

2.2 CAP1400爆破阀FMEA

FMEA是一种归纳分析系统性细节的技术，以逐个部件为基础，识别故障模式以及对系统或周边部件推测其产生的故障后果（图 1）。

图1 FMEA流程

爆破阀FMEA的工作是对爆破阀每个部件逐个对进行故障模式分析，然后分析其结果对系统或周围部件的影响，每个部件会形成一套谱系。CAP1400爆破阀故障模式和故障分析汇总如下。

2.2.1 拉紧螺栓

部件功能：淤在额定载荷下断裂；于在设计失效位置断裂；盂在不同加载率下断裂；榆固定活塞在初始位置；虞装配时为活塞提供拉力。

（1）低载荷下断裂模式。

原因：淤材料变质；于加压速率过慢；盂疲劳断裂；榆辐射；虞螺栓已断；愚腐蚀。

后果：淤阀门无法全开或部分开启（使用性后果）；于堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

（2）其他断裂失效模式。

原因：淤活塞故障；于火药失效；盂火药不足；榆活塞室泄漏；虞螺栓材料变质；愚装配错误。

后果：淤阀门无法开启（使用性后果）；于活塞室超压（安全性后果）；盂堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.2 点火器

部件功能：淤接收电子脉冲信号；于起爆火药室的爆破组件。（1）点火失败。

原因：淤电子连接短路；于点火器老化；盂S-glass失效；榆电缆桥接不连续。

后果：淤阀门无法开启（使用性后果）；于堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

（2）点火正常但药量不足，难以以点燃腔室的火药。

原因：淤火药填充不足；于因密封不足的点火器；盂ZPP老化；榆点火器圆盘故障。

后果：淤阀门无法开启（使用性后果）；于堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

（3）结构故障。

原因：淤螺纹失效；于螺纹腐蚀；盂S-glass失效。

后果：无法装配（非使用性后果）。

风险等级（RR）：1（S）×1（L）。

2.2.3 阀体

部件功能：淤压力边界和火药边界；于阀门爆破前后维持阀门各组件的位置，同时维持阀门在管道中的位置。

（1）失去压力边界或火药边界。

原因：淤材料缺陷；于过量的火药超压；盂水锤；榆冲击破坏；虞地震；愚振动。

后果：淤阀门无法实现其功能（使用性后果）；于堆芯冷却不足（使用性后果）；盂LOCA（Loss of Coolant Accident失水工况模拟试验）工况下失去冷却（使用性后果）；榆再流通阀无法运行（使用性后果）；虞产生飞溅物（安全性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

（2）变形。

原因：残余应力。

后果：淤活塞未对准（使用性后果）；于活塞卡滞（使用性后果）；盂阀门无法开启（使用性后果）；榆堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

（3）阀体损毁。

原因：阀门爆破。

后果：淤阀门难以解体（非使用性后果）；于需替换阀体（非使用性后果）；盂停堆大修（非使用性后果）。

风险等级（RR）：2（S）×1（L）。

（4）阀体和阀盖的连接螺纹失效。

原因：淤材料缺陷；于过量的火药或水锤的超压。

后果：淤发生LOCA事故（使用性后果）；于再流通阀无法运行（使用性后果）；盂产生阀门内漏（隐蔽的使用性后果）；榆产生飞溅物（安全性后果）；虞阀门无法开启或部分开启（使用性后果）；愚堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

（5）阀体和法兰面之间的螺纹失效。

原因：淤材料缺陷；于水锤的过压；盂螺纹失效；榆爆破时过载。

后果：淤发生LOCA事故（使用性后果）；于再流通阀无法运行（使用性后果）；盂产生阀门内漏（隐蔽的使用性后果）；榆产生飞溅物（安全性后果）；虞阀门无法开启或部分开启（使用性后果）；愚堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.4 阀盖

部件功能：淤压力边界和火药边界；于阀门爆破前支撑部分阀门组件，保持火药室的位置

（1）失去压力边界和火药边界。

原因：淤材料缺陷；于过量的火药的超压；盂地震；榆振动。

后果：淤阀门无法实现其功能（使用性后果）；于堆芯冷却不足（使用性后果）；盂发生LOCA事故（使用性后果）；榆再流通阀无法运行（使用性后果）；虞产生飞溅物（安全性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

（2）螺纹失效（阀盖盘螺栓）。

原因：淤材质缺陷；于过量火药或水锤导致超压；盂装配错误。

后果：淤发生LOCA事故（使用性后果）；于再流通阀无法运行（使用性后果）；盂产生阀门内漏（隐蔽的使用性后果）；榆产生飞溅物（安全性后果）；虞阀门无法开启或部分开启（使用性后果）；愚堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.5 阀盖C形环

部件功能：密封活塞上部空间。

故障模式：流体内漏或气体外漏。

原因：淤安装位置错误；于镀银不一致；盂C形环不平整。

后果：淤阀门被淹（使用性后果）；于活塞卡滞（使用性后果）；

盂阀门无法开启（使用性后果）；榆堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.6 阀盖螺栓

部件功能：淤压力/火药边界；于维持阀盖的位置。

故障模式：失去压力边界或火药边界。

原因：淤材料缺陷；于火药过量导致超压；盂地震；榆振动。

后果：淤阀门无法实现其功能（使用性后果）；于堆芯冷却不足（使用性后果）；盂发生LOCA事故（使用性后果）；榆再流通阀无法运行（使用性后果）；虞产生飞溅物（安全性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.7 剪切盖

部件功能：淤压力边界；于阀门爆破时剪切断开；盂根据流量和L/D要求，构成阀芯密封面。

（1）泄漏或失去阀门完整性。

原因：淤材料缺陷；于蠕变；盂应力腐蚀开裂；榆系统超压；虞辐射；愚地震；舆振动；余疲劳。

后果：淤密封面完整性破坏（使用性后果）；于阀门无法运行（使用性后果）；盂堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

（2）阀门爆破时剪切断开失败。

原因：淤活塞速度不足；于角度有偏差；盂材质缺陷和变质；榆辐射；虞温度压力的影响。

后果：淤阀门无法运行（使用性后果）；于堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

（3）未提供适当的密封座。

原因：淤剪切盖轮缘表面不规整；于阀体内轮缘弯曲。

后果：淤密封垫泄漏（使用性后果）；于改变系统压力（使用性后果）；盂机组停堆（使用性后果）。

风险等级（RR）：2（S）×1（L）。

（4）未提供适当的L/D或流量。

原因：剪切盖变形影响流道。

后果：淤减少流量（使用性后果）；于堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.8 活塞

部件功能：推开剪切盖，使流体通过阀门。

（1）拉紧螺栓或者活塞连接失效。

原因：淤材料缺陷；于腐蚀；盂装配不适。

后果：淤剪切盖无法推开（使用性后果）；于流体无法流动（使用性后果）；盂剪切盖部分被推开（使用性后果）；榆堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

（2）活塞卡滞。

原因：淤腐蚀；于阀体损坏；盂被止动震干涉；榆因剪切盖的厚度差异；虞活塞载荷不均衡。

后果：淤不能推开剪切盖（使用性后果）；于流体无法流动（使用性后果）；盂剪切盖部分被推开（使用性后果）；榆堆芯冷却不足（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×1（L）。

2.2.9 法兰垫片

部件功能：密封阀门法兰面。

故障模式：泄漏。

原因：淤安装错误；于材料缺陷。

后果：淤剪切盖侧温度增加（使用性后果）；于反应堆冷却液泄漏致房间（使用性后果）；盂房间被淹（使用性后果）；榆机组停堆（使用性后果）。

风险等级（RR）：3（S）×2（L）。

2.3 CAP1400爆破阀逻辑决断分析与维修任务选择

在确定设备维修需求的RCM逻辑决断分析时，首先分析故障后果类型（隐蔽性后果、安全性后果、环境性后果、非使用性后果、使用性后果），然后按照故障特点确认维修类型。对非使用性后果故障以及预防维修成本高于故障维修的使用性后果故障，采用状态监测；对隐蔽性后果故障，采用隐患检测、定时报废或更改设计；对安全性、环境性和使用性后果故障，采用视情维修、定期更换或定时报废的维修手段。

假定原设计合理，不更改设计，用上述RCM逻辑决断分析原则确定核心设备和分系统的维修工作类型如下。

（1）拉紧螺栓：状态监测为主，视情维修为辅。

（2）点火器：定期更换。

（3）阀体：状态监测为主，视情维修为辅。

（4）阀盖：状态监测为主，视情维修为辅。

（5）阀盖C型环：定期更换。

（6）阀盖螺栓：状态监测为主，视情维修为辅。

（7）剪切盖：状态监测为主，视情维修为辅。

（8）活塞：状态监测为主，视情维修为辅。

（9）法兰垫片：定期更换。

3 结论

CAP1400爆破阀的RCM技术分析表明，大量故障适合采取状态监测和视情维修的工作类型，在充分保障爆破阀可靠性的前提下，有望取得以下收益：淤爆破阀维修项目少、工期短；于爆破阀维修周期合理；盂爆破阀备品、备件的消耗费用和存储费用合理。