1. 背景

目前，国内核电机组一般分为十年大修/首次换料大修，年度大修和短大修。根据某集团历次大修经验，如果要实现25天短大修，必须将大修计划工期控制在22天以内，而剩余3天的时间用来处理现场出现的设备异常以及启动过程中的异常[1]。该集团30年来的核电机组大修均采用重要厂用水系统(以下简称SEC系统)两个子列倒列排水的方式进行检修，而SEC系统设备需要整体隔离周期为1C (一个燃料循环周期，约18个月)的预防性维修项目，占用大修关键路径约3天。按照目前双列倒列排水的大修方式，SEC系统与设备能够稳定且可靠运行。如果将SEC系统相关维修大纲周期由1C延长至2C，可实现单列排水检修的新型大修管理方案，将维修裕度充分释放。

2. 系统介绍

CRP1000型号机组SEC系统属于开式循环系统，其主要功能是在核电厂正常和事故工况下把设备冷却水系统(以下简称RRI系统)传输的热量带到海水中，是核岛的最终热阱。由于SEC系统属安全相关系统，所以在设计上考虑了系统的冗余性和独立性。即该系统由互相独立的、互不影响的两个系列(A列和B列)组成。每个系列通过两台并联的SEC系统泵吸入海水，然后经过SEC管道、贝类捕集器，最终排放两台并联的RRI/SEC热交换器带走热量的海水至循环水排水渠。

SEC系统母管隔离阀/膨胀节内部检查、涵道清理、贝类捕集器内外部检查、压力仪表校验等1C大修项目的执行，需SEC排空检修(参考图1)，其中SEC贝类捕集器、RRI/SEC换热器位于系统高点，其他设备位于系统低点。

3. 分析方法介绍

目前核电厂预防性维修策略的制定通常采用“传统RtCM分析方法(以可靠性为中心的维修分析)”、“基于AP-913体系下的设备分级 + PM模板”。在实际运行过程中，具体设备因其工作环境、运行条件等因素的动态变化，导致不同机组设备故障模式和概率发生变化。以上两种方式因为缺少定量化的计算，需要在维修策略实施过程中不断调整分析模型或维修方案。本论文中SEC系统维修大纲周期延长的论证工作，使用了FMEA、As-Found、定量化分析方法相结合的方法对维修策略进行分析。该方法通过获取的精确数据支持，按照适用的分析方法和模型，针对不同机组制定不同的维修方案，就能够实现维修裕度的深度利用。

Figure 1. The main 1C maintenance items of the SEC system

图1. SEC系统主要1C检修项目

Figure 2. General technical route

图2. 总体技术路线

SEC系统维修大纲周期延长论证流程见图2，在识别需要隔离排空的1C检修任务后，对分析范围内的维修大纲进行故障模式和维修策略分析(FMEA)，收集As-Found反馈和老化件的性能测试数据开展定量化分析，并以此综合分析制定不同类型的预防性维修方案。在分析的过程中需要结合目前已发生历史事件的故障机理、内外部经验反馈，对共模故障进行统计与总结，提出可靠性改进建议。确保以可靠性为中心基础上制定的预防性维修大纲，得到合理的周期优化。

3.1. FMEA分析方法介绍

故障模式和影响分析(Failure Mode and Effects Analysis—FMEA)是对系统进行分析，以识别潜在失效模式、失效原因及其对系统性能影响的系统化程序[2]。通过对SEC系统相关设备进行故障模式和维修策略的分析，制定不同类型的预防性维修方案，以此确定维修策略延长的限制条件。本节以CRP1000机组SEC贝类捕集器部件的故障模式和影响分析为例，对FMEA分析方法进行简述。

3.1.1. FEMA分析过程

本项目的FMEA分析过程包括4个步骤：

1) 确定“SEC系统整体隔离预防性维修周期延长研究”分析范围，见表1；

2) 分析相关设备的功能、失效类别、故障后果，识别需要管理的失效类别；

3) 结合设备运行环境、结构特点、部件材质，分析和识别与失效类别相关的具体故障模式及现有维修手段，见表2；

4) 根据FMEA分析确定制约“SEC系统整体隔离预防性维修周期延长研究”的故障模式并分析合理的维修方案，见本文3.4.章节。

Table 1. List of analysis scope

表1. 分析范围清单

3.1.2. SEC贝类捕集器反冲洗唇缘橡胶故障模式分析

贝类捕集器SEC-001/002FI使用TAPROGGE (达极)生产的网孔为Φ2 mm或Φ3 mm的球形过滤器。球形过滤器本体由上/下过滤器腔室、轴承组件、回转轴、滤网、检查孔共6部分组成，在过滤器底部设计有一个排污阀。贝类捕集器日常运行期间可以在主控室手动启动捕集器的反冲洗，或由时间继电器控制反冲洗电机和排污阀的开启进行反冲洗，也可以通过压差控制反冲洗功能。正常运行时，海水从滤网凹侧流入过滤异物，当启动反冲洗时，打开反冲洗阀门，通过反冲洗斗(橡胶材质)的旋转，刮除滤网表面异物，并通过系统压力对异物进行冲洗排出。贝类捕集器反冲洗唇缘橡胶横档与网板之间有8 mm的间隙，但网片表面有一条10 mm的挡条，作用是防止橡胶横档带动贝壳杂质旋转，当杂质行至挡条位置即被刮进反洗斗排放出去。因橡胶横档与网板之间的8 mm间隙小于10 mm挡条的高度，每当橡胶横档旋转一周到此位置，都会受到向内部折弯的力。长期运行，橡胶横档会因老化与疲劳损坏最终导致贝类捕集器反冲洗功能丧失，影响SEC系统功能。反冲洗唇缘橡胶目前只能定期更换管理(见表2应对措施)，因此其使用寿命影响SEC系统维修策略是否能够由1C延长至2C。

Table 2. FMEA Analysis of Shellfish Traps (Related to 1C Inspection Items)

表2. 贝类捕集器FMEA分析(1C检查项目相关)

3.2. As-Found及经验反馈分析过程介绍

某核电集团于2018年在下属核电厂推广实施“As-Found Equipment Condition维修前设备状态”见证(简称As-Found)，建立全面的维修执行反馈机制。As-Found为核电厂设备可靠性管理(AP913) PM执行情况中的一部分；开展As-Found验证的目的是在维修前检查关键部件的状态，验证预防性维修大纲是否合适[3]。SEC系统维修大纲周期延长论证根据设备类、厂家、型号、功能位置等，对As-Found数据进行统计，尤其是在1C检修周期项目的As-Found总体状态评估。通过图3的流程推导As-Found结论，按照维修大纲有效性的判断进行打分：良好(A: 100分)，可接受(B: 80分)；不满意(C: 60分)；失效(D: 40分)，纠正性维修(E: 40分)，维修大纲有效性状态监测。将设备按关键度等级依次分为CCM、C、S、E、R共5级。CCM设备95~100分，C/S类设备85~100分，E类设备75~100分，R类设备60~100分，代表设备存在过维修，需要开展减项的大纲评估。

维修大纲有效性 = $\frac{100\times \text{A}+80\times \text{B}+60\times \text{C}+40\times \text{D}+40\times \text{E}}{\text{A}+\text{B}+\text{C}+\text{D}+\text{E}}$

Figure 3. Conclusion of As-Found condition

图3. As-found状态结论

3.3. 定量化分析

关键设备维修策略的优化，需要在依托FMEA分析及现场As-Found状态评价的基础上，通过出厂试验数据和材料试验数据进行定量化分析，确认SEC系统设备易老化材料的真实寿命，给予维修建议。本节以CRP1000机组SEC贝类捕集器反冲唇缘橡胶刮板寿命分析为例，简述定量化分析过程。

3.3.1. 出厂试验数据分析

核电现场SEC贝类捕集器电机转速1400 rpm，输出转速87 rpm，贝类捕集器蜗轮蜗杆转速比40：1，贝类捕集器实际转速2.15 rpm。按照目前每次1小时，每次2分钟的冲洗设定频率，贝类捕集器定期启动，橡胶刮板如果运行2C会旋转经过刮板挡条111,456次。如果启动连续运转功能，橡胶刮板每天旋转经过刮板挡条运行3096次。

根据厂家进行的耐久试验数据，选用的3个SBR材质橡胶刮板样本，1#样本持续37,875次疲劳试验，结构完整无缺；2#样本，在556,295次疲劳试验时，结构出现了裂纹；3#样本，在241,900次疲劳试验时，结构出现了裂纹。按照2#、3#样本疲劳寿命计算，在SEC贝类捕集器定期更换橡胶刮板工作由1C延长至2C后，根据“剩余可连续运转天数 = (刮板疲劳寿命(2#/3#) − 运转寿命)/每天旋转次数”可得出贝类捕集器在解体周期由1C延长至2C后，橡胶刮板连续运转预期寿命仍有42~143天。

3.3.2. 现场设备试验数据分析

SEC系统贝类捕集器所使用的反冲洗刮板采用丁苯橡胶材料，根据文献[4]的研究，在相同的温度下，老化初期在海水中SBR的性能变化比在空气中的快，而老化后期在空气中的性能变化比在海水中快。依据该理论，对现场拆卸的反冲洗刮板，分别对不同放置条件的橡胶刮板共计6个样品进行老化研究。所选取的6个试验样本，均在水下使用1C左右，并在水上放置1个月至2年不等间隔时间。

分别开展宏观、微观形貌观察、并根据GB/T531.1-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部分：邵氏硬度计法(邵尔硬度)》、GB/T533-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶密度的测定》、标准GB/T528-2009《硫化橡胶或热塑性拉伸应力变能的测定》、GB/T6040-2019《红外光谱分析方法通则》，进行硬度、密度、拉伸性能、材质分析，最终对贝类捕集器橡胶横档样品进行屈挠疲劳性能测试(见表3)。开展综合性能评价，得出剩余预期寿命，为周期论证提供理论依据。

Table 3. Test results of flexural fatigue performance

表3. 屈挠疲劳性能试验结果

注：龟裂等级分类：1级：试样出现肉眼可见象“针刺点”样的龟裂点数目为10个或10个以下；2级：龟裂点数目超过10个或有个别龟裂点有明显的长度，但长度不超过0.5 mm；3级：龟裂点有明显的长度和较小的深度，长度大于0.5 mm，但不大于1 mm；4级：最大龟裂点长度大于1 mm，但不大于1.5 mm；5级：最大龟裂点长度大于1.5 mm，但不大于3.0 mm；6级：最大龟裂点长度大于3.0 mm。

3.4. 预防性维修方案的制定

预防性维修方案的制定需要以最大限度提高设备的使用可靠性为目的，应用可得到的安全性和可靠性数据，判别哪些子系统和零部件处于临界状态，哪些需要修复、改进或重新设计，确定维修的必要性和可行性，对维修要求进行评估，最终制订出实用、合理的维修计划或大纲。确定纠正性维修(CM)策略、定期维修(PM)策略、预测性维修(PdM)策略的合理选择[5]。按照状态监测、定期维护、定期更换、定期试验、设计改进的决断逻辑顺序进行分析[6]，为处理各种不同类型的故障和需求，制定合理的维修方案。

SEC系统主要功能是为核岛设备提供冷却，如果SEC系统不能正常工作或其冷却能力下降，可能会导致被冷却设备温度过高。对于核电机组而言，高温可能会影响设备的性能和安全，如导致反应堆压力容器等关键设备超温，进而影响其结构完整性，增加安全风险。通过“FMEA + As-Found + 定量化分析”的方法论证后，确认部分核电机组维修任务周期由1C延长至2C仍存在一定安全风险。为了消除该部分风险，制定管理加强措施进行消除，具体方案见表4。

Table 4. Strengthening measures for the management of SEC system equipment

表4. SEC系统设备的管理加强措施

因海水泥沙沉积严重，部分电厂的SEC贝类补集器、换热器引压管线的解体清理任务周期延长后系统安全风险明显增加。受限于不同机组特点和改进成本，管理加强措施需要分阶段实现。目前阶段为了实现深度利用SEC系统设备的维修裕度，需要根据不同核电机组根据实际海洋泥沙含量制定两种不同的预防性维修策略优化方案。

方案1，局部排水检修方案：SEC系统全部排水项目检修周期延长至2C，80%排水的检修项目，选择性延长至2C。

对于热交换器、贝类捕集器如法兰面清理工作，维修方式为SEC系统局部排水项目保持1C不变，其余项目根据现场状态选择性延长至2C (见表5)。

方案2，全部排水检修方案：需排空SEC系统的1C项目全部延长至2C。

表5中，SEC系统需排水检修的1C机电仪大纲项目全部延长至2C，执行方案2的前提需要满足以下必要条件：

1) 现场对仪表引压管线加强监测与日常冲洗；

2) 完成适合本电厂的管线、换热器改造实施，并经过1个循环验证其改造效果良好。

Table 5. The 1C item of the SEC system needs to be drained and overhauled

表5. SEC系统需排水检修的1C机项目

4. 核电机组的应用及长远影响

4.1. 核电机组应用收益

某集团CPR1000机组为实现冷源检修模式优化推动设备改进方案，在做好充分的论证，落实管理加强措施后在2023年9月完成示范机组应用，通过方案1实现冷源检修模式优化。创新性的将SEC排水检修方案由每次大修修两列改为长大修修两列，为机组大修节约了24小时关键路径，支持CRP1000机组实现14.6天超短大修工期。截至本文撰写日期，该集团另外两个电厂的1号机的第6轮大修及第8轮大修也实现了推广应用，各为本电厂的1号机组节约12小时和24小时的大修关键路径。已获得的发电收益=节约工期(60 h) * 每小时发电量(约100万千瓦时) * 上网电价(约0.4元/千瓦时)，约2千400万的经济收益。

该集团目前在运的可应用电站共计24台机组，单机组每两年一次短大修，每次短大修预期节约12-24小时大修关键路径，可节约480~960万。核电机组按照60年运行寿命计算，共计40个换料周期，其中有20个短大修。60年预期收益 = 短大修次数(20次) * 机组数量(24台) * 发电收益(480~960万/次)，所以核电机组60年运行寿命的经济预期收益在23.04亿元到46.08亿元区间。

4.2. 长远影响

目前核电的短大修计划工期能够控制在22天以内，如果能够将短大修规划成“无低低水位”大修，大修工期可以常态化规划在20天，甚至更短。而需SEC排空检修的1C大纲项目延长周期，可以为实现20天创优工期提供先决条件。“FMEA + As-Found + 定量化分析”方法，尽量降低了传统维修策略分析方法在最初制定维修策略后，较难及时适应不同机组设备运行动态变化的影响。该方法在核电机组上的推广应用，也为后续同类维修策略的优化研究提供了技术思路和实践经验。

5. 结论

SEC系统维修大纲周期延长论证的过程中以FMEA分析方法为基础，通过As-Found反馈和老化件的试验测试引入定量化分析结论，提高了维修大纲周期延长论证的精准性和适用性。按照此分析方法，能够综合系统各项任务关系在合理的成本控制下提出适当的设计改进意见并加强日常管理，最终实现在保障核电机组可靠运行的前提下，合理的减少系统和设备的维修频次，减少维修引入的风险，缩短大修工期降低运营成本，提高机组可用率和核心竞争力的目的。

参考文献