改进型RCM维修优化技术在核电厂主变压器的应用实践

马海龙,江 虹,张 圣

(苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

确保核电厂系统、设备具有足够的可靠性是实现核电厂安全和运营业绩稳步提升的重要保证。维修优化技术作为保障核电厂系统和设备使用可靠性的重要方法，是设备管理和维修领域研究的热点。以可靠性为中心的维修(Reliability Centered Maintenance,简称RCM)是国际上通用的、用以确定设备预防性维修需求、优化维修策略的一种系统工程方法[1-2]。自20世纪80年代，美国电力科学研究院(EPRI)将RCM技术从航空业引入核能领域以来，解决了核电厂定期检修带来的“维修不足”和“维修过度”的问题，显著提升了核电机组的安全性和设备的可靠性，有效降低了运行维护成本。但由于RCM技术要广泛适用于航空、电力、石油、化工和铁路等工业领域，决定了其在技术方法、决断逻辑等方面的针对性不强，在核电厂实施RCM分析过程中存在资源投入大、分析周期长、分析结果主观性强等不足，阻碍了其在核能领域的进一步推广应用[3]。为此，本文结合RCM的技术特点和核能领域RCM分析的实践经验，通过融合INPO AP-913(设备可靠性管理程序)中设备关键度分级和技术特性分析，形成了一种改进型RCM维修优化技术，并将其应用于核电厂常规岛电气设备中唯一受核安全监管的发电机出口升压变压器(核电厂主变压器)的预防性维修大纲优化，为核电厂高电压大容量的主变压器安全、可靠、经济运行提供了技术保障。

1 改进型RCM维修优化技术介绍

改进型RCM维修优化技术是在传统RCM实践应用的基础上，融合INPO AP-913设备可靠性管理理念，在分析过程中引入了设备关键度识别和技术特性分析，结合维修模板数据库等资源，优化分析流程和决断逻辑，是一种经济高效的用以确定设备预防性维修需求、优化维修策略的一种系统工程方法。与传统RCM分析过程类似[4]，改进型RCM分析主要集中于以下8个问题的提问与回答。

1)用户需要设备提供什么功能及相关的性能标准是什么(功能分析) ？

2)什么情况下设备无法实现其功能(功能故障)？

3)功能失效后会导致哪些故障后果(功能故障及后果分析)？

4)哪些功能故障相关设备值得管理(设备关键度分类)？

5)引起设备失效的故障模式有哪些(故障模式分析)？

6)故障模式发生后的影响及后果是什么(故障影响分析) ？

7)什么工作能预防或预测该故障模式(维修策略分析)？

8)如果无法预防或预测该故障模式，如何管理其后果(故障后果管理)？

在具体分析过程中通过设备分类识别将设备分为需要进行管理的设备和不需要进行管理的设备，其中需进行管理的设备主要来源于两类：①功能故障后果分析对应的重要功能，支持该重要功能完成的全部设备。②对于非重要功能关联的设备，按照RTM判断准则进行二次筛选，对于满足如表1 RTM筛选准则中任意一条的纳入需进行管理的设备范围。

表1 RTM筛选准则Table 1 RTM screening criteria

对于RTM筛选后不需要管理的设备可直接让其运行至维修或更换(执行纠正性维修)。将分析工作集中于需要进行管理的设备，实现分析资源的优化配置，并充分利用设备类维修模板数据库，减少重复分析，并对设备开展技术特性分析，即按照设备的重要度、使用频度和运行环境等不同维度的组合选取针对性的维修策略，提升分析效率和质量。其主要分析流程如图1所示。

图1 改进型RCM分析流程图Fig.1 Improved RCM analysis flow chart

2 RCM技术在核电厂主变压器中的应用

某核电基地一期工程有2台CPR1000核电机组，每台机组分别拥有一组1200 MVA主变压器按“发电机-断路器-变压器组”的单元接线方式与GIS开关站相连，向500 kV电网供电。每组主变压器由3台DFP-40000/500TH型单相变压器组成,其主要技术参数如表2所示。

表2 DFP-40000/500TH型主变压器技术参数表Table 2 Technical parametersof the DFP-40000/500THmain transformer

2.1 边界定义

通过对主变压器边界定义明确分析范围，防止设备遗漏，根据输电系统(GEV)接线图定义边界如下：低压侧与同步并网(GSY)系统分相隔离强迫空气冷却封闭母线相连，以低压侧软连接为界；高压侧与开关站SF6绝缘母线(GIC)相连，以高压套管为界；中性点侧以隔直装置接地点为界。

2.2 功能分析

通过主变压器系统设计手册(SDM)和设备运行维护手册(EOMM)等资料对主变压器的主要功能和辅助功能进行分析，如图2所示。由于主变压器结构复杂，功能较多，本文以主变压器冷却功能为例进行说明。

主变压器冷却系统的主要功能是通过强迫油循环导向空气冷却器对运行中变压器的铁心、绕组等所产生的热量进行冷却，使变压器不至因温升过高而损坏。

2.3 功能故障及对应的故障后果

功能故障包括功能的完全失效或部分失效，导致用户期望的功能指标不能满足要求，对于变压器冷却失效将导致变压器冷却功能完全丧失或者冷却效率降低。导致变压器铁心、线圈内部温度升高，长时间运行会导致变压器内部热点温度过高从而损坏变压器固体绝缘，影响变压器的正常运行与使用寿命，重要度高。

2.4 设备分类识别

通过设备分类识别筛选出需要进行管理的设备，根据工艺流程图分析,该主变压器冷却系统共配有4组冷却器。每组冷却器包括1台油泵及3台风机。各冷却器组整组投入或切除。

支持变压器冷却功能的设备主要有：冷却器、风机、潜油泵、油流继电器、冷却器控制柜、蝶阀和管道等。根据以上设备分类准则(满足判断准则①)识别为需管理的设备。

图2 核电主变压器功能分析Fig.2 Functional analysis for the main transformer

2.5 故障模式与故障影响分析

在确定需管理的设备清单后，对清单设备逐个进行故障模式与故障影响分析。潜油泵是强迫油循环变压器的关键设备，也是冷却系统的唯一动力来源，它的可靠运行直接关系到变压器的冷却效果和安全稳定运行，本文分析的潜油泵为国内某厂家生产的盘式电机油泵，采用轴向气隙感应电机，电机直接嵌入泵壳内装配，其电动机转子安装在油泵叶轮上组成泵机一体,额定流量为135 m3/h,额定流量时的扬程为4.6 m，转速为900 r/min。根据潜油泵EOMM并结合内外部经验反馈信息对潜油泵分析如表3所示。

表3 潜油泵故障模式与故障影响分析表Table 3 FMEA analysis for the submersible pump

2.6 维修策略分析

在进行维修策略分析，需根据决断逻辑综合故障后果、故障模式特性、维修技术可行性及经济性等多方面因素，考虑如何通过状态监测、定期翻新、定期更换、定期试验来管理故障，将故障导致的风险降低至可容忍的程度，若无法通过预防性维修策略来管理故障时，可通过设计改进等方式来将风险降低至可接受的程度。

结合潜油泵设备类维修模板数据库和故障历史数据对潜油泵进行维修策略分析，确定潜油泵的维修任务如表4所示。

表4 潜油泵维修任务汇总表Table 4 Maintenance task summaryof the submersible pump

2.7 维修任务汇总

由于每个设备具有多种故障模式，而每个故障模式也可能存在多种维修任务同时对该故障模式进行管理，在对各设备维修决策分析的基础上，按照执行专业，周期等顺序汇总所有维修任务，完成预防性维修任务汇总表，并与变压器相关行业法规标准(比如DL/T596 电力设备预防性试验规程等)进行对比分析，确保相关法规标准得到遵守，重要设备预防性维修任务没有遗漏，进而形成最终的预防性维修大纲。

2.8 分析成果

通过与优化前主变预防性维修大纲比较分析，新增任务3项、删除任务1项，周期延长2项，周期缩短1项，具体变化项如表5所示。

表5 预防性维修大纲优化前后对比表Table 5 Comparison of the preventive maintenanceprogram before and after optimization

通过延长存在过度维修的预防性维修任务的周期(含取消不必要的维修任务，可认为优化后周期为无穷大)，减少了维修风险的引入，同时降低了维修产生的人工费、消耗品费用和备品备件费用等。通过缩短存在欠维修的预防性维修任务的周期(含新增预防性维修任务，可认为优化前周期为无穷大)，有效管理了安全和生产相关的故障后果，保障了设备的运行可靠性。

此外，对在分析过程中发现的设计隐患，提出了工程改造建议。比如：针对主变总动力箱及冷却器控制柜照明和加热器回路共用一路电源，存在照明和加热器回路发生短路故障导致主变冷却器全部停运的风险，提出将主变总动力箱及控制柜照明和加热器回路电源改造为独立供电方式，以保障变压器的可靠运行。

3 结论

改进型RCM维修优化技术是在传统RCM实践的基础上，通过融合INPO AP-913 设备可靠性管理理念形成的一种经济高效的确定设备维修需求、优化设备维修大纲的系统工程方法。本文将其应用于核电厂主变压器的预防性维修大纲优化，取消或延长了部分大纲项目，降低了维修成本，同时减少了维修风险的引入，新增了一些管理严重故障后果的维修任务，降低了严重故障的发生概率，进一步提高了主变压器的运行可靠性，同时对分析过程中发现的可靠性薄弱环节提出了改进建议，为核电厂主变压器的安全稳定运行提供了技术保障，也为核电及其他领域推行可靠性维修优化技术提供了参考。