基于COFA的核電廠設備RCM分析方法研究

喬 真，康澄杰，劉 偉

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢 430223）

0 引言

以可靠性為中心的維修（RCM）是一套確認哪些設備需要預防性維修（PM）的邏輯方法，廣泛用于航空、工業、能源等領域。1980年代以來，RCM方法也經歷了不斷改進和優化，這些方法雖然在流程上略有區別，但都采取了從系統功能著手，而后分析影響功能實現的重要設備[1]。其流程需要分析人員必須了解各系統設計原理，熟悉RCM的分析方法，對分析者專業知識要求高，否則不僅不能保證功能分析完整，也容易導致重要設備發生遺漏或重復分析，最終分析效果不理想。后來衍生出多種的簡化方法，如SRCM（精簡型以可靠性為中心的維修），SRCM雖簡化了分析流程，但容易忽略一些重要的設備，同時缺少設備的隱性故障分析。本文介紹的失效后果分析（COFA）方法來自《Reliability Centered Maintenance-Implementation Made Simple》，是作者Neil B.Bloom四十多年航空和核電設備可靠性工作經驗的總結，該方法彌補了經典RCM和SRCM的不足，更加簡單和實用。

1 COFA分析方法介紹

在系統復雜、設備眾多的核電廠，設備失效后果是設備管理人員關注的重點。COFA方法在經典RCM方法的基礎上進行了引申和改進，按照以設備為中心的理念，從設備功能而不是系統功能著手，分析前視每個設備都同等重要。只要分析每一個設備的功能，也就包含了整個系統的所有功能，不會像其他RCM方法一樣發生遺漏系統的功能。

RCM起源于航空業，系統邊界和接口在民用航空領域已經存在，航空業這樣做只是為了方便分析，將RCM方法完全照搬到核電行業是不合適的[2]。COFA從設備開始分析，分析過程中省去耗費精力的系統邊界和系統功能分析，可以簡化分析流程，提高分析效率。雖然COFA方法會導致設備分析數量增加，但相較于費事費力的系統邊界和系統功能分析，COFA方法增加的設備分析工作量微不足道[3]。

COFA方法強調設備的隱性故障分析，設備隱性故障不會立即對電廠產生影響，且不易被發現，在疊加其他事件（狀態轉換、設備失效等）會導致嚴重后果。隱性故障的分析有助于發現核電廠的潛在隱患，為隱性故障開發合適的維修策略，可以提高核電廠的安全可靠性。

2 COFA分析流程

2.1 設備分級導則

COFA方法中，確定設備分級原則是關鍵步驟，COFA方法使用單一失效原則，隱性故障發生時不會對系統或電廠立即產生影響，所以需要對隱性故障進行多重失效分析。如果隱性故障導致關鍵功能喪失，則該設備為潛在關鍵設備。潛在關鍵設備和運行到失效的設備都不會對電廠立即產生影響，其本質區別是一個為隱性故障、一個為顯性故障。

按照設備失效影響重要程度，對Neil B.Bloom提出的設備關鍵度等級進行適應性修改，以滿足試點核電廠設備管理要求，由原來的5級（關鍵設備、潛在關鍵設備、法規監管的設備、經濟類的設備和運行到失效的設備）調整為4個級別：關鍵設備（CC）、重要設備（NC）和一般設備（RTM）。單個設備故障即可導致電廠停堆、停機、降功率、功率大幅度波動的設備為關鍵1級設備，對電廠的核安全和機組發電具有關鍵作用的設備為關鍵2級設備[4]。潛在關鍵設備不滿足關鍵1級條款，劃分到關鍵2級；法規監管設備和經濟類設備滿足重要設備條款，劃分到重要設備。

根據設備運行環境的嚴酷程度和工作頻度的高低，將工作環境分為“嚴酷（S）”和“良好（M）”，工作頻度分為“高（H）”和“低（L）”。

2.2 設備分級流程

在確定設備分級導則的前提下，基于COFA方法的設備分級流程如圖1所示。

（1）設備清單。設備清單由核電廠生產管理系統中導出，包括設備編碼、設備名稱和設備類型。

（2）描述設備所有功能及功能故障。根據系統流程圖、設計手冊、運行規程等資料，分析設備的所有功能，包括正常運行功能及應急保護功能。COFA方法只分析能動設備，如泵、風機、電動閥、變送器等，不分析非能動設備，如構筑物、管道、節流孔板、手動閥等。如果設備有歷史失效記錄或行業經驗反饋，則需要進行功能分析。功能故障是設備不能完成其設計功能，并不會對分析提供有價值信息，COFA方法中設置功能故障是為了更好地了解分析流程，以及使COFA方法符合美國機車協會（SAE）JA1011標準中對RCM的定義。

圖1 設備分級流程

（3）功能失效的主要設備失效模式。設備失效模式為核電設備實際可能發生的主要失效模式。對于設備不太可能發生或概率很小的失效模式不予分析，除非設備失效有歷史失效記錄或行業經驗反饋，要對此失效模式的適用性進行分析。

（4）失效模式顯、隱性判斷。如果設備的故障模式是顯性的，在發生故障時，主控會有儀表監視或報警，主控操作人員可以輕易發現，或現場操作人員可以通過巡檢發現。相反，設備的故障模式為隱性的，設備分級采用單一設備失效，對于隱性故障需要采用多重故障分析，對于一直處于備用的系統、設備，分析其在運行狀態時的設備失效。

（5）故障影響判斷。故障影響分析包括系統級影響和電廠級影響，系統級失效影響分析是為了更好地確定電廠級影響，最后根據設備分級導則條款確定設備的關鍵度。

2.3 PM開發流程

在核電廠實施RCM是為了編制或優化設備預防性維修大綱。根據COFA方法完成設備分級后，對設備的關鍵/重要故障模式，需要開發適當的PM策略，其具體流程如圖2所示。

從維修的有效性和費用考慮，在選擇維修項目時，首先考慮基于狀態的、非侵入式的維修任務，比如故障診斷、狀態監測等；在沒有實施條件的情況下，再考慮基于時間的定期維修，比如定期解體、更換、校準等維修任務；對于設備故障模式為隱性故障，應為其制定故障查找的維修任務，比如定期試驗。如果沒有合適的故障查找維修策略，需要對設備進行設計變更。

維修周期可以依據預防性維修模板（PMT），結合設備運行狀態、廠家建議、行業經驗、法規要求等內容進行確定，并在實施過程中不斷優化。

圖2 PM開發流程

3 COFA方法應用實例

COFA方法已經在國內某核電廠得到成功應用，通過該方法完成了7個重要工藝系統的設備分級及PM大綱開發。設備分級結果和PM大綱優化數據統計，如圖3和圖4所示。以凝結水系統的設備為例，對COFA方法進行具體闡述。

3.1 設備分級

凝結水系統示例設備分析見表1。在凝結A運行時，凝泵A出口逆止閥（CEX004VL）卡在開位置，這時不會對凝結水系統和電廠產生影響，只有當凝泵A切換或跳閘時，備用凝結水泵啟動，CEX004VL拒關，會導致凝結水倒流，除氧器供水不足。CEX004VL的拒關失效模式是隱性故障。

3.2 PM大綱開發

針對CEX004VL的重要故障模式，列出可能的故障機理，并分配能消除這些故障機理的有效維修任務和維修周期，見表2。在PM大綱開發過程中，充分利用PMT，可以大幅提高PM大綱的開發效率。

圖3 設備分級結果統計

圖4 PM大綱優化統計

表1 設備分級示例

表2 PM大綱開發過程示例

凝結水系統每3個月有凝結水泵定期切換試驗，可以作為逆止閥故障查找的任務，本任務包含在凝結水系統定期試驗規程中。最后，對同一設備執行周期相同或相近的維修項目（按執行專業）進行匯總，就完成了CEX004VL維修策略開發，見表3。

表3 CEX004VL預防性維修

4 總結

通過COFA方法優化核電廠PM大綱，證實該方法更加簡潔高效，實用性強，體系完整，適用于核電廠設備的RCM分析。核電廠關鍵設備的管理已經得到足夠多的重視，潛在關鍵設備的識別及制定合適的維修策略，可以作為電廠提升可靠性的一個關鍵手段。

COFA方法對軟件工具沒有要求，如果開發適用的軟件平臺，把分析流程電子化，集成典型設備的故障模式和預防性維修模板，可以大幅提高工作效率，共享已有的分析成果，同時還可以實現對COFA分析成果的動態管理。