秦二廠堆外核測(cè)系統(tǒng)FMEA分析與設(shè)備分級(jí)

朱鵬飛，盧 建， 黃 靖，佟 潔

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 維修三處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

圖1 RPN系統(tǒng)設(shè)備組成Fig.1 Composition of RPN system equipment

壓水堆核電站在啟動(dòng)過(guò)程及其后的運(yùn)行中，必須通過(guò)堆外核測(cè)系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)堆的核功率進(jìn)行連續(xù)不斷的測(cè)量和監(jiān)視。這一過(guò)程從反應(yīng)堆啟動(dòng)到滿功率運(yùn)行，是不能間斷的。為保證核電機(jī)組的不間斷運(yùn)行，運(yùn)維人員需制定堆外核測(cè)系統(tǒng)所有設(shè)備的定期試驗(yàn)與維護(hù)策略。堆外核測(cè)系統(tǒng)整體分級(jí)為關(guān)鍵敏感系統(tǒng)（SPV）[1]，該系統(tǒng)由眾多設(shè)備組成，高精度與高頻率的運(yùn)維并不適用所有子設(shè)備，如能將所有設(shè)備關(guān)鍵度進(jìn)行合理分檔，便可合理制定定期試驗(yàn)與維護(hù)的精度與頻率。在堆外核測(cè)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備存在小缺陷時(shí)，部分末端設(shè)備分級(jí)不明，需要運(yùn)維人員討論確定維修分級(jí)，制定維修策略。這不僅降低了運(yùn)維效率，同時(shí)嚴(yán)重阻礙了系統(tǒng)設(shè)備管理和運(yùn)維的精細(xì)化。因此，詳細(xì)、全面地分析各個(gè)設(shè)備失效模式及失效后果并確定設(shè)備的關(guān)鍵度級(jí)別勢(shì)在必行。本文應(yīng)用故障模式與失效分析法，針對(duì)由于故障缺陷而引起的系統(tǒng)功能間潛在故障模式并對(duì)其可靠性的影響進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)包含的關(guān)鍵敏感設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)分級(jí)，為電廠后續(xù)的管理行動(dòng)措施制定提供參考[2]。

1 秦二廠堆外核測(cè)系統(tǒng)

堆外核測(cè)系統(tǒng)是核電廠安全重要儀控系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置在反應(yīng)堆壓力容器外的一系列中子探測(cè)器，連續(xù)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率、功率水平和功率分布的變化，為操縱員提供在堆芯裝料、停堆、啟堆和功率運(yùn)行期間的反應(yīng)堆狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率的分布，使其運(yùn)行在安全的狀態(tài)，并且在超過(guò)預(yù)極限、極限時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)和保護(hù)動(dòng)作[3]，并在中子注量率高和中子注量率快變化時(shí)，觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。

2 設(shè)備組成

堆外核測(cè)系統(tǒng)設(shè)備主要由兩個(gè)源量程和中間量程探測(cè)器組件、4個(gè)功率量程探測(cè)器組件、4個(gè)保護(hù)機(jī)柜、1個(gè)控制機(jī)柜和主控室的報(bào)警燈、記錄儀、功率分布監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)等顯示終端設(shè)備組成。RPN系統(tǒng)利用安裝在壓力容器外圍的探測(cè)器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率、功率變化和功率分布狀況，由探測(cè)器給出代表中子通量水平的脈沖或電流信號(hào)，經(jīng)源量程、中間量程、功率量程通道調(diào)理單元處理后，送給下級(jí)處理單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字量進(jìn)行軟件處理（計(jì)算、比較等），并將處理結(jié)果轉(zhuǎn)為所需的信號(hào)輸出，完成保護(hù)功能和控制功能[4]。3個(gè)通道安裝在控制機(jī)柜中，通道由可配置的模塊化的核電站儀表與控制系統(tǒng)來(lái)完成。源量程、中間量程、功率量程通過(guò)NERVIA專用網(wǎng)絡(luò)連接，可以將通道內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)信息、故障記錄等信息傳送到控制計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。控制機(jī)柜RPN005AR主要通過(guò)微機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與操作者之間的人機(jī)界面，以及同其他系統(tǒng)的接口。機(jī)柜接收來(lái)自功率量程信號(hào)調(diào)理部分的模擬信號(hào)，以及4個(gè)保護(hù)機(jī)柜信號(hào)處理部分通過(guò)NERVIA網(wǎng)絡(luò)傳送的信息。控制機(jī)柜中的控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制功能，該功能在控制計(jì)算機(jī)中執(zhí)行，通過(guò)一個(gè)界面友好的用戶程序，操作者可通過(guò)菜單操作來(lái)選擇顯示內(nèi)容，可供操作選項(xiàng)包括：顯示內(nèi)部參數(shù)，操作者可將其同調(diào)節(jié)值作比較，顯示設(shè)定值。另一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成功率分布監(jiān)測(cè)（RPDM）功能。每個(gè)通道的測(cè)量值按曲線的形式顯示出來(lái)；菜單選項(xiàng)對(duì)應(yīng)于不同的運(yùn)行階段：停堆、啟動(dòng)和功能運(yùn)行；結(jié)合了曲線和數(shù)字的圖形顯示使所顯示的信息更直觀；當(dāng)檢測(cè)到有故障發(fā)生（自檢）或信號(hào)超過(guò)定值時(shí)，報(bào)警信息自動(dòng)產(chǎn)生，以提醒操作者。

3 堆外核測(cè)系統(tǒng)FMEA分析

秦二廠1/2號(hào)機(jī)組核儀表系統(tǒng)（RPN）由法國(guó)RRCN公司供貨，已連續(xù)運(yùn)行近20年。近幾年，隨著運(yùn)行年限的增加，核儀表系統(tǒng)老化現(xiàn)象逐漸凸顯，設(shè)備故障率逐漸升高，可靠性逐漸下降，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了較大的威脅。核儀表系統(tǒng)在核電廠功率運(yùn)行期間需持續(xù)運(yùn)行，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，往往很難快速、精準(zhǔn)地定位故障點(diǎn)。電廠維修與技術(shù)人員憑現(xiàn)場(chǎng)情況和使用經(jīng)驗(yàn)判斷故障點(diǎn)，不利于現(xiàn)場(chǎng)高風(fēng)險(xiǎn)搶修工作的開展。為了提高系統(tǒng)的可靠性，運(yùn)維人員必須有針對(duì)性地制定相應(yīng)的預(yù)防性維修策略，并加以實(shí)施本著專業(yè)化、精細(xì)化以及科學(xué)決策的原則，科學(xué)地針對(duì)堆外核測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備分級(jí)顯得尤為重要。應(yīng)當(dāng)分析梳理出影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的關(guān)鍵敏感部件，針對(duì)由于故障缺陷而引起系統(tǒng)功能間的潛在故障模式對(duì)其可靠性的影響進(jìn)行分析，從而在故障未發(fā)生前便能夠?qū)嵤┫鄳?yīng)預(yù)防措施，并評(píng)價(jià)估計(jì)RPN系統(tǒng)的健康狀態(tài)，以此避免系統(tǒng)完全故障，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的健康管理。結(jié)合系統(tǒng)各設(shè)備的故障模式與失效后果的影響與嚴(yán)重程度，總體劃分系統(tǒng)設(shè)備關(guān)鍵度，并對(duì)系統(tǒng)包含的關(guān)鍵敏感設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)分級(jí)，為維修人員提供預(yù)維建議和更換要求，也為電廠后續(xù)的管理行動(dòng)措施制定提供參考。

工程應(yīng)用中常用Failure Mode and Effects Analysis(FMEA)[5]即故障模式與失效分析法，針對(duì)由于故障缺陷而引起的系統(tǒng)功能間潛在故障模式并對(duì)其可靠性的影響進(jìn)行分析，在故障未發(fā)生前能夠?qū)嵤┫鄳?yīng)預(yù)防措施。結(jié)合本文，對(duì)核儀表系統(tǒng)進(jìn)行FMEA分析的任務(wù)包括：

1）以系統(tǒng)設(shè)備卡件為最小分析單元，按照堆內(nèi)、堆外層級(jí)順序與組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分梳理。

2）結(jié)合得到的系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)，逐一闡述系統(tǒng)各設(shè)備存在的潛在故障模式，分析設(shè)備故障失效對(duì)系統(tǒng)功能造成的影響與后果。

3）根據(jù)分級(jí)導(dǎo)則的定義與要求，結(jié)合系統(tǒng)各設(shè)備的故障模式與失效后果的影響與嚴(yán)重程度，總體劃分系統(tǒng)設(shè)備關(guān)鍵度，并對(duì)系統(tǒng)包含的關(guān)鍵敏感設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)分級(jí)。

3.1 設(shè)備分級(jí)方法

設(shè)備分級(jí)是對(duì)設(shè)備關(guān)鍵度進(jìn)行劃分和標(biāo)識(shí)，通過(guò)正確的導(dǎo)則對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行分級(jí)，可以確保系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備得到充分的重視，而良好的設(shè)備分級(jí)是設(shè)備可靠性體系建設(shè)的基礎(chǔ)在系統(tǒng)中獨(dú)立地完成某一特定功能的一種實(shí)體被稱為設(shè)備，通過(guò)故障模式和故障影響的詳細(xì)分析，用下列各分級(jí)導(dǎo)則給出設(shè)備分級(jí)[6]。

關(guān)鍵1級(jí)設(shè)備（CC1），即關(guān)鍵敏感設(shè)備（Single Point Vulnerability，簡(jiǎn)稱SPV）：是指單個(gè)設(shè)備故障即可導(dǎo)致電廠停堆、停機(jī)、降功率、功率大幅度波動(dòng)的設(shè)備。

關(guān)鍵2級(jí)設(shè)備（CC2）：指關(guān)鍵1級(jí)設(shè)備以外的設(shè)備，單個(gè)設(shè)備故障即可導(dǎo)致支持電站核安全或機(jī)組發(fā)電的重要功能喪失或降級(jí)的設(shè)備。

重要設(shè)備（Non critical Component，簡(jiǎn)稱NC）：指對(duì)電站核安全或機(jī)組發(fā)電具有重要作用的設(shè)備，也包括通過(guò)維修可以避免重大設(shè)備損失，降低維修成本的設(shè)備。

一般設(shè)備（Run-to-Maintenance，簡(jiǎn)稱RTM）：指除關(guān)鍵和重要設(shè)備之外的其他設(shè)備。

對(duì)于CC1級(jí)設(shè)備的詳細(xì)分級(jí)，進(jìn)行如下劃分：

CC1-a：引起自動(dòng)或手動(dòng)停堆、停機(jī)。

CC1-b：引起大的功率擾動(dòng)，擾動(dòng)幅度≥10%FP。

CC1-c：非計(jì)劃進(jìn)入LOCA（Loss of Coolant Accident，失水事故）要求的降模式，無(wú)法在線檢修或不能在限期內(nèi)完成修復(fù)的設(shè)備。

CC1-d：無(wú)法在線對(duì)其進(jìn)行檢修，且該設(shè)備的故障使機(jī)組無(wú)法保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 分級(jí)原則與依據(jù)

設(shè)備分級(jí)依據(jù)核電廠類型（壓水堆、沸水堆等），核實(shí)電廠設(shè)計(jì)采用的假設(shè)始發(fā)事件，機(jī)械、儀表及其供電冗余度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，分級(jí)時(shí)考慮設(shè)備在電廠的所有運(yùn)行方式（正常模式與假設(shè)始發(fā)事件）下，對(duì)故障預(yù)防與緩解后果方面的作用，以下是設(shè)備分級(jí)導(dǎo)則具體細(xì)則[7]：

（S）關(guān)鍵敏感設(shè)備：如果設(shè)備故障導(dǎo)致如下情況之一，則該設(shè)備屬于關(guān)鍵敏感設(shè)備。

1）引起自動(dòng)或手動(dòng)停堆、停機(jī)。

2）引起大的功率擾動(dòng)，幅度≥10%FP。

3）要求在7天及以內(nèi)修復(fù)，否則進(jìn)入LOCA要求的降模式，或LOCA有降模式要求，而設(shè)備不可在線修復(fù)。

4）無(wú)法在線對(duì)其進(jìn)行檢修，且該設(shè)備的故障使機(jī)組無(wú)法保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（A）關(guān)鍵設(shè)備：如果設(shè)備故障導(dǎo)致如下情況之一，則該設(shè)備屬于關(guān)鍵設(shè)備。

1）引起大的功率擾動(dòng)，幅度＜10%FP。

2）非計(jì)劃進(jìn)入LOCA要求的降模式，要求在7天以上時(shí)間修復(fù)。

3）導(dǎo)致停堆、停機(jī)或降功率邏輯單通道脫扣。

4）失去安全系統(tǒng)冗余功能。

5）安全系統(tǒng)啟動(dòng)。

6）不能控制反應(yīng)堆重要安全功能。

7）停堆或維持停堆狀態(tài)，余熱排出的能力下降。

8）EOP程序無(wú)法執(zhí)行。

9）不能防止或緩解放射性向廠外釋放。

（B）重要設(shè)備：如果設(shè)備故障導(dǎo)致如下情況之一，則該設(shè)備屬于重要設(shè)備。

1）設(shè)備失效導(dǎo)致重要系統(tǒng)冗余減少，或縱深防御深度減少。

2）設(shè)備失效導(dǎo)致不可接受的化學(xué)、放射性或環(huán)境危害。

3）設(shè)備失效導(dǎo)致非計(jì)劃進(jìn)入LOCA，通過(guò)替代手段可以免除降模式要求。

4）設(shè)備失效促進(jìn)關(guān)鍵設(shè)備失效。

5）設(shè)備失效導(dǎo)致妨礙或阻止關(guān)鍵設(shè)備的及時(shí)維修。

6）設(shè)備失效導(dǎo)致不可接受的維修、更換或運(yùn)行費(fèi)用增加。

7）備件稀少、購(gòu)買周期長(zhǎng)或價(jià)值昂貴的設(shè)備。

8）導(dǎo)致失去重要報(bào)警或運(yùn)行參數(shù)無(wú)法監(jiān)視，增加運(yùn)行人員負(fù)擔(dān)的設(shè)備。

9）裝換料設(shè)備或影響大修關(guān)鍵路徑的設(shè)備。

（C）一般設(shè)備：不屬于以上3類分級(jí)之內(nèi)的設(shè)備。

4 設(shè)備分級(jí)結(jié)果

根據(jù)本文上述對(duì)堆外核測(cè)系統(tǒng)FMEA分析得出的結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)有的分級(jí)原則與依據(jù)，對(duì)秦二廠堆外核測(cè)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行關(guān)鍵度分級(jí)，結(jié)果見表1。

表1 設(shè)備分級(jí)結(jié)果Table 1 Equipment classification results

5 分級(jí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和建議

核儀表系統(tǒng)繼電器機(jī)架原來(lái)分級(jí)為空，經(jīng)過(guò)本次分析，系統(tǒng)除保護(hù)信號(hào)之外的報(bào)警和相關(guān)邏輯都由繼電器機(jī)架產(chǎn)生和送出，需分級(jí)為NC-i；RPNXXXTO原來(lái)分級(jí)為空，經(jīng)過(guò)本次分析，功率變化率高停堆復(fù)位按鈕需分級(jí)為CC2-c；核儀表系統(tǒng)主控室報(bào)警窗之前分級(jí)為RTM，本次經(jīng)過(guò)分析，與控制相關(guān)報(bào)警應(yīng)與繼電器機(jī)架分級(jí)相對(duì)應(yīng)，需分級(jí)為NC-i。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了堆外核測(cè)系統(tǒng)組成和設(shè)備分級(jí)方法，通過(guò)對(duì)堆外核測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)器、機(jī)柜、繼電器等設(shè)備分析，從故障模式和影響入手分析，給出其中的CC1-a級(jí)和CC1-c級(jí)重要設(shè)備。根據(jù)分析結(jié)論對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行全面的分級(jí)，可方便區(qū)分各設(shè)備的重要程度，有利于合理配置各級(jí)別設(shè)備的管理資源，方便制定針對(duì)性的管理策略，還能夠降低維修人員的運(yùn)維難度，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，以實(shí)現(xiàn)核電廠安全可靠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。