基于AP-913 設備分級的核電廠系統監督實施探討

蘇 夏，宋春景

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

0 引言

AP-913《設備可靠性管理程序》是美國INPO（Institute of Nuclear Power Operation，核電運行研究所），以設備分級為起點建立的一整套設備可靠性管理流程，旨在提高電廠安全性和機組經濟性。AP-913 包含設備分級、性能監測、缺陷處理、預防性維修、持續改進和壽期管理六大模塊，彼此關聯、相互促進，形成了一個完善的閉環設備可靠性管理系統。其中，設備分級是整個設備可靠性管理的第一項要素，是性能監測和設備可靠性持續提升的輸入，而系統監督是落實性能監測模塊的必要措施。

1 設備分級

基于AP-913 可靠性管理流程的設備分級主要包括3 個方面，分別為設備關鍵度分級、運行頻度分級和設備工作環境分級，其中關鍵度分級是可靠性分級的核心內容。同時，為了方便電廠對設備維修窗口進行分析判斷，并支持預防性維修計劃開發，增加了運行頻度分級和工作環境分級。設備關鍵度分級流程主要通過下述步驟開展[1]。

1.1 明確系統的功能

根據系統的設計資料，如系統說明書、流程圖、技術規格書等，確定系統功能清單，劃分系統之間的邊界，避免系統邊界交叉導致功能重復或遺漏。每個系統功能由一個或多個功能設備組來完成。

1.2 劃分功能設備組（FEG）

FEG（功能設備組）是多個設備或部件組成的功能設備組，具有共同的隔離特征或可以同時退出運行，方便運行隔離和維修活動的實施。圖1 為AP1000 化學與容積控制系統（CVS）中的一個代表性FEG，其中包含以補水泵為核心進出口閥門、小流量熱交換器和相關儀表。將系統功能分配至FEG 或FEG 組合，以每個FEG 為單位開展設備可靠性分級，也是AP1000 在應用AP-913 管理流程上的創新突破[1]。

圖1 功能設備組示例

1.3 開展設備關鍵度分級

設備的關鍵度分級是基于單個設備的失效所導致的后果，以回答問題的方式來判定的。AP-913 中介紹了一種四級分級方式，將設備分為高關鍵設備、低關鍵設備、非關鍵設備、運行至失效設備。AP1000 在實際應用過程中，根據電廠的技術特點進行了相應的拓展和調整，綜合考慮MR（Maintenance Rule 維修規則）管理范圍、基于PSA（Probalilistic Safety Assessment，概率安全評價）分析的設計可靠性保證大綱（D-RAP）和發電可靠性分級等判斷因素，通過依次回答表1 中的問題來確定設備的分級，將設備分為CC1（高關鍵）、CC2（關鍵）、NC（非關鍵）和RTF（運行至失效）設備。

傳統設備分級一般采用RCM（Reliability Centered Maintenance，以可靠性為中心的維修）法，即先識別重要功能，再分析關鍵設備的方法，這種方法容易發生將重要設備遺漏的情況[1]。而基于AP-913 的設備關鍵度分級，需要對每個系統的每個設備都進行分級，其理論本質與RCM 保持一致，但分級流程大大簡化，并且避免遺漏情況的發生[5]。

2 EPRI 系統監督

性能監測是實現設備可靠性管理的前提，也是預防性維修工作和持續提升可靠性的重要基礎。EPRI（Electric Power Research Institiute，電力研究學會）在1997 年布了系統監督導則[4]，該導則主要針對MR 范圍中的設備/部件指導如何落實維修規則中關于性能監測的要求。在2010 年，EPRI 結合應用2007 年發布的AP-913 設備可靠性管理流程的要求，對導則進行了完善。新版導則更推薦參照AP-913 可靠性分析來確定系統監督大綱的范圍并制定系統監督計劃。

制定系統性能監督計劃的流程可以歸納為：確定系統范圍→識別重要功能并開展失效影響評價→定義降級機理和指標參數→識別數據需求→確定趨勢跟蹤和趨勢分析的方法→確定可接受閾值并制定行動計劃。

2.1 確定系統范圍

最初EPRI 導則建議使用篩選矩陣識別需要實施監督的系統，維修規則（MR）、發電重要、重要支持系統和電廠/行業經驗是確定系統范圍的關鍵因素。隨著AP-913 的發布，其中的設備可靠性關鍵準則已包含MR、發電、安全、環境和放射性風險因素，因此新版導則更推薦參照AP-913 來篩選系統范圍。

2.2 識別重要功能并開展失效影響評價

建議參照MR、AP-913 或電廠預防性維修大綱來確定功能重要度，如果某功能失效會影響到下列電廠關鍵原則，則該功能應納入系統監督大綱范圍之內。電廠關鍵原則包括：停堆、顯著降功率、瞬態、觸發專設、關鍵安全功能失控、達到和/或維持反應堆安全停堆的能力下降、緊急停堆、進入短期限制工況、安全系統失去冗余、喪失應急運行規程能力、環境影響、放射性/人員安全影響、監管負擔顯著增加、換料停堆延長、啟動延遲等。

對功能開展失效影響評價是確定系統范圍和識別重要功能的主要方法，一般采用故障模式影響分析方法確定失效的影響。

2.3 定義降級機理和指標參數

識別出系統的重要功能之后，分析功能的降級機理，并確定監測哪些參數，如何監測這些參數才能有效監測到系統功能降級的早期指標。降級機理和指標參數可能存在于系統級、功能級和設備級，這一環節需要透徹地了解系統功能、支持這些功能的設備及其可能發生降級的物理、電氣和機械特性。如果設備失效會引起所支持功能的降級或失效，那么這些設備就是關鍵設備，需要分析設備的降級機理和降級指標參數。在這一環節，行業經驗、供貨商資料和故障歷史等都可以作為分析的信息來源。

2.4 識別數據需求

確定監督所需的直接數據并將數據與降級指標關聯起來。這一步中需要確定數據類型、采集頻率和數據精度。需知目前核電廠日常開展的監測活動并不是出于系統監督的目的而設置的，因此還要比較需求數據和目前有效數據之間的差異，將不具備的數據源記錄在案并評估其風險。待數據具備后可以考慮升級系統監督計劃，確保能夠定性或定量地確定失效機理相關的風險。

2.5 確定趨勢跟蹤和趨勢分析的方法

這一環節中對監督數據的趨勢變化進行跟蹤和分析，趨勢分析方法的適當性與數據要求相關，確定趨勢分析的頻率時還要考慮老化和實際參數收集頻率。工程師可以利用指標參數-時間趨勢圖或將指標參數與可接受閾值的比較來發現問題并采取行動。系統功能最終是落實在設備上來執行的，因此設備性能監督是系統監督的主體。

2.6 確定可接受閾值并制定行動計劃

可接受閾值是分配給每個參數的可定義的趨勢水平或限值，建立適當的可接受閾值決定了系統監督的有效性?？山邮荛撝狄话惴譃榫G、白、黃、紅4 個等級，其中綠色代表良好、白色代表關注、黃色代表提醒、紅色代表報警。4 個等級的劃分有利于在早期識別異常情況，以便在不干擾正常工作的情況下采取行動來檢測、分析然后糾正或緩解。確定閾值范圍時應考慮留有適當的提前裕度，有充足的時間做出積極的決定。

行動計劃是預先制定的、當監督參數達到相應的閾值級別時采取的行動/決策，多重行動等級能保證在失效前實施適當的行動計劃。行動計劃包括管理關注、啟動糾正性行動項、增加監測頻率、增加監測參數、運行限制、操作員動作、問題分析、試驗等。

3 基于AP-913 的系統監督計劃

新版導則更推薦參照AP-913 來篩選系統范圍，認為其包含了更全面的基于系統功能的設備可靠性分析，適合用來確定系統監督大綱的范圍。但實際上，基于AP-913 的設備關鍵度分級流程，通過回答問題的方式對所有系統的所有設備進行了分級。設備關鍵度分級原則與EPRI 功能影響評價考慮的電廠關鍵原則在本質上是一致的。在電廠開展系統監督時，如果能充分利用設備關鍵度分級的結果，采用逆向思維方式，將CC1/CC2 級設備/FEG 所支持的重要功能直接識別進入監督范圍，為CC1/CC2 級設備制定相應的監督計劃，自下而上地構建系統/功能監督框架，可以避免傳統RCM 方法可能遺漏關鍵設備的問題，同時系統監督體系能更好地AP-913 設備可靠性管理流程保持一致。

根據EPRI 規定的步驟，美國Comanche Peak 電廠以化學與容積控制系統為例，完成了系統監督計劃，對系統和功能逐層分析，完成系統監督計劃（圖2）。

圖2 Comanche peak 電廠系統監督計劃示例（部分）

如果核電廠已完成設備關鍵度分級，那么在此基礎上可以逆向識別出需要監督的重要系統功能，同時設備性能監督的結果可以為系統性能評價提供輸入。以AP1000 CVS（化學與容積控制系統）為例，設備分級示例（部分）見表2 和表3。

表2 AP1000 CVS 設備分級示例（FEG-021）

表3 AP1000 CVS 設備分級示例（FEG-001）

上述設備屬于同一個FEG 單元（圖1），設備失效的后果影響了D-RAP 相關的功能，進而影響MR 中的高風險功能，關鍵度分級為CC1。這些設備所支持的“為RCS 提供補水，避免非能動安全系統動作”功能必然是重要功能，應納入電廠系統監督范圍，同時電廠應針對這些為CC1 的設備制定后續性能監督計劃。

上述設備屬于同一個FEG 單元，設備失效將在7 d 內影響RCS 水化學，導致電廠進入停機時間限制小于等于7 d的技術規格書運行限制條件狀態。這些設備所支持的“冷卻劑水化學控制”功能被識別為重要功能，應納入電廠系統監督范圍，并針對這些劃分為CC1 的設備制定后續性能監督計劃。

采用AP-913 設備可靠性分級結果，為CVS 制定系統監督計劃（圖3）。與Comanche Peak 電廠的CVS 監督計劃相比，該計劃層級數量減少、關鍵設備清晰，能更直觀地體現系統監督以設備分級為基礎，進而為設備可靠性持續改進提供參考依據。

圖3 AP1000 電廠CVS 監督計劃示例（部分）

4 結束語

性能監測是AP-913 設備可靠性管理大綱的重要模塊，也是目前我國核電廠實施經驗相對欠缺的模塊。本文介紹了基于AP-913 的設備可靠性分級方法，探討將設備可靠性分級結果應用于制定系統監督計劃的方案，并結合實例進行說明。

基于AP-913 設備關鍵度分級結果制定系統監督計劃時，實際上已在設備分級時完成針對功能的失效模式和失效影響分析，其中綜合考慮了發電、安全、環境和放射性風險等因素，實質上與EPRI 導則中的關鍵功能原則一致。核電廠基于基于設備可靠性分級結果制定監督計劃，可以快速、全面、準確地制定系統監督計劃，更好地確保性能監督模塊與AP-913 設備可靠性管理體系保持一致。