李 云

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

美國核電廠自1996年正式實(shí)施維修規(guī)則(MR)至今，已有20余年，其機(jī)組平均能力因子水平大幅提升，平均換料大修時(shí)間顯著減少，平均重大事件次數(shù)逐步降低，核電廠業(yè)績處于世界領(lǐng)先水平[1-4]。美國核電實(shí)施維修規(guī)則的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對中國核電發(fā)展具有非常重要的參考價(jià)值及借鑒意義。2017年國家核安全局發(fā)布《改進(jìn)核電廠維修有效性的技術(shù)政策(試行)》，鼓勵(lì)各核電廠采用試點(diǎn)、示范方式逐步開展相關(guān)研究；并明確要求對申請運(yùn)行許可證延期的核電廠，必須在批準(zhǔn)之前建立維修有效性評價(jià)體系(維修規(guī)則)[5]。秦山300 MW機(jī)組由于延壽需要，于2016年開始了維修規(guī)則試點(diǎn)工作。本文概述了維修規(guī)則的監(jiān)管范圍、監(jiān)管方式及實(shí)施流程，再以300 MW機(jī)組一回路海水系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了依據(jù)歷史運(yùn)維數(shù)據(jù)，利用正態(tài)分布開發(fā)維修規(guī)則范圍內(nèi)構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備(SSCs)可用性指標(biāo)的方法，可供同行參考，以滿足國內(nèi)核電廠執(zhí)行監(jiān)管部門技術(shù)政策的需求。

1 MR內(nèi)容簡介

1.1 MR監(jiān)管范圍

維修規(guī)則b條款[6]規(guī)定了其監(jiān)管的范圍，主要包括：

b1：安全相關(guān)SSCs。在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故中/后，用以維持反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界完整性的SSCs；實(shí)現(xiàn)安全停堆和保持安全停堆狀態(tài)的SSCs以及防止或緩解放射性事故后果的SSCs。

b2：部分重要非安全相關(guān)SSCs。核電廠最終安全分析報(bào)告(FSAR)中用于緩解事故或瞬態(tài)后果的SSCs；核電廠應(yīng)急運(yùn)行規(guī)程(EOP)中的SSCs；失效導(dǎo)致安全相關(guān)SSCs無法執(zhí)行安全功能的SSCs；失效觸發(fā)非計(jì)劃停堆或安全系統(tǒng)動作的SSCs。

1.2 MR監(jiān)管方式

維修規(guī)則a條款[6]規(guī)定了其監(jiān)管的方式，主要包括：

a1：特殊管理。監(jiān)測SSCs不滿足性能指標(biāo)，則進(jìn)行原因分析、采取糾正行動，設(shè)置a1目標(biāo)，直至滿足設(shè)定目標(biāo)后，進(jìn)入a2管理。

a2：正常管理。監(jiān)測SSCs滿足性能指標(biāo)，則繼續(xù)保持原預(yù)防性維修、定期試驗(yàn)等維修活動不變。

a3：定期評估。至少每個(gè)燃料循環(huán)，對維修活動有效性進(jìn)行評估，持續(xù)改進(jìn)不當(dāng)之處。

a4：風(fēng)險(xiǎn)評估管理。開展維修活動之前，應(yīng)對其可能引起的風(fēng)險(xiǎn)增量進(jìn)行評估和管理。

2 MR實(shí)施流程

維修規(guī)則的實(shí)施主要分成兩個(gè)過程[7]：開發(fā)性能指標(biāo)及執(zhí)行性能監(jiān)測，如圖1所示。主要流程包括：1)范圍篩選；2)風(fēng)險(xiǎn)重要性判定；3)性能指標(biāo)開發(fā)；4)性能監(jiān)測；5)定期評估；6)維修活動風(fēng)險(xiǎn)評估與管理。

圖1 維修規(guī)則流程圖

范圍篩選：首先從系統(tǒng)功能入手，分析出系統(tǒng)的MR功能，然后再識別出支持該功能實(shí)現(xiàn)的SSCs，即為維修規(guī)則管理范圍內(nèi)的SSCs，范圍以外的SSCs繼續(xù)執(zhí)行原有的維修大綱。

風(fēng)險(xiǎn)重要性判定：當(dāng)PSA分析模型完備時(shí)，采用NUMARC93-01推薦的風(fēng)險(xiǎn)增加值(RAW)、風(fēng)險(xiǎn)減少值(RRW)以及堆芯損傷頻率(CDF)貢獻(xiàn)度來判定風(fēng)險(xiǎn)重要性；當(dāng)缺少PSA分析模型時(shí)，采用NUMARC93-02推薦的“DELPHI RISK RANKING”專家判斷來確定風(fēng)險(xiǎn)重要性[8]。

性能指標(biāo)開發(fā)：通常，性能指標(biāo)分為兩層三類，一層是核電廠層級的性能指標(biāo)，適用于所有的SSCs；另一層是系列或設(shè)備層級的性能指標(biāo)，適用于具體的SSCs；第一類是可靠性指標(biāo)(RPC)，即監(jiān)測周期內(nèi)SSCs的失效次數(shù)；第二類是可用性指標(biāo)(APC)，即監(jiān)測周期內(nèi)SSCs的不可用時(shí)間；第三類是狀態(tài)監(jiān)測指標(biāo)(CPC)，即SSCs狀態(tài)表征參數(shù)，例如壁厚、泄漏率等。

性能監(jiān)測：定期收集運(yùn)行、維修、試驗(yàn)等相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合開發(fā)的性能指標(biāo)，開展SSCs維修有效性監(jiān)測活動。對于滿足性能指標(biāo)的SSCs，進(jìn)行正常管理；對于不滿足性能指標(biāo)的SSCs，采用特殊管理，直至滿足設(shè)定目標(biāo)后，再改為正常管理。

定期評估：每個(gè)燃料循環(huán)對監(jiān)測情況進(jìn)行評估。評估內(nèi)容包括：性能指標(biāo)是否合理，糾正行動是否合適，可靠性與可用性是否平衡等。對于評估中發(fā)現(xiàn)的不合理/不合適的地方需要持續(xù)優(yōu)化。

維修活動風(fēng)險(xiǎn)評估與管理：針對風(fēng)險(xiǎn)重要性高的SSCs，在開展預(yù)防性維修、糾正性維修或者修后試驗(yàn)等維修活動之前，應(yīng)對其可能引起的風(fēng)險(xiǎn)增量進(jìn)行評估并對風(fēng)險(xiǎn)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行管控。

3 指標(biāo)開發(fā)

3.1 范圍篩選

秦山300 MW機(jī)組一回路海水系統(tǒng)滿足單一故障準(zhǔn)則，由兩個(gè)獨(dú)立的回路構(gòu)成；每個(gè)回路又包括兩個(gè)泵列(共A/B/C/D四個(gè)泵列)，由海水泵及相關(guān)閥門管道等組成。只要有一臺海水泵運(yùn)行，本系統(tǒng)即可提供100%的容量，保證海水系統(tǒng)各用戶的用水要求。其功能與M310機(jī)組SEC系統(tǒng)功能類似，屬于安全相關(guān)系統(tǒng)。

一回路海水系統(tǒng)識別出一個(gè)MR功能，即在機(jī)組各種運(yùn)行工況下把設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組冷卻器收集的熱負(fù)荷由兩條安全有關(guān)的冗余回路輸送到最終熱阱(大海)；針對MR功能，識別出支持該功能實(shí)現(xiàn)的SSCs及其失效模式清單，即為維修規(guī)則的監(jiān)管范圍。因設(shè)備數(shù)量較多，僅以部分典型數(shù)據(jù)為例，見表1。

表1 MR設(shè)備及失效模式清單(部分)

3.2 風(fēng)險(xiǎn)重要性判定

NUMARC93-01推薦的風(fēng)險(xiǎn)重要性判定準(zhǔn)則[7]如下：

RAW>2.00：如果假設(shè)此功能失效，由此帶來的CDF或LERF(放射性物質(zhì)大量早期釋放頻率)風(fēng)險(xiǎn)增加值大于2，則認(rèn)為此功能風(fēng)險(xiǎn)重要性高；

RRW>1.005：如果假設(shè)此功能100%可靠，由此帶來的CDF或LERF風(fēng)險(xiǎn)減少值大于1.005，則認(rèn)為此功能風(fēng)險(xiǎn)重要性高；

90%CDF：如果某一項(xiàng)功能包含在若干割集中，這些割集遞減排序且累計(jì)對CDF的貢獻(xiàn)大于90%，則認(rèn)為此功能風(fēng)險(xiǎn)重要性高。

一回路海水系統(tǒng)的PSA分析模型完備，利用分析軟件RISKSPECTRUM對4個(gè)泵列進(jìn)行計(jì)算，其風(fēng)險(xiǎn)增加值RAW>2.00，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)重要性判定準(zhǔn)則，判定為高風(fēng)險(xiǎn)重要性。

3.3 可用性指標(biāo)開發(fā)

根據(jù)NUMARC93-01中性能指標(biāo)開發(fā)的一般原則，一回路海水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)重要性高且運(yùn)行，應(yīng)按系列(泵列)層次開發(fā)可靠性指標(biāo)及可用性指標(biāo)。本文僅討論可用性指標(biāo)開發(fā)。通常，在維修規(guī)則中采用不可用時(shí)間作為可用性指標(biāo)?？捎眯灾笜?biāo)基于自身的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，即通過給SSCs設(shè)置一個(gè)依據(jù)歷史數(shù)據(jù)的不可用時(shí)間，來判斷SSCs性能優(yōu)劣。

為避免隨機(jī)失效造成的不可用時(shí)間增加，依據(jù)識別出的MR設(shè)備及失效模式清單(見表1)，收集統(tǒng)計(jì)4個(gè)泵列過去5年(2013—2017年)的不可用歷史數(shù)據(jù)，包括不可用時(shí)間和要求可用時(shí)間，并計(jì)算出不可用率，見表2。

表2 不可用歷史數(shù)據(jù)

注：不可用率=實(shí)際不可用時(shí)間/要求可用時(shí)間。

參考美國核電廠維修規(guī)則實(shí)踐，假設(shè)數(shù)據(jù)(不可用率)服從正態(tài)分布，按90%置信度要求反算出不可用時(shí)間。其中，監(jiān)督周期為2個(gè)燃料循環(huán)，按30個(gè)月，21 600 h計(jì)算。正態(tài)分布函數(shù)的數(shù)學(xué)公式[9]為：

(1)

式中：μ——常數(shù)，隨機(jī)變量的均值；

σ——常數(shù)，隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)差。

(2)

由式(2)得

t=σu+μ

(3)

對式(3)兩邊微分得dt=σdu

(4)

(5)

將式(2)(4)(5)代入式(1)，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)：

(6)

(7)

表3 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)表

依據(jù)表2中的不可用率數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算得：均值μ=1.40×10-2，標(biāo)準(zhǔn)差σ=1.57×10-2，代入式(7)則x=3.41×10-2，即90%置信度要求下的不可用率為3.41×10-2，則在2個(gè)燃料循環(huán)21 600 h內(nèi)，單個(gè)泵列不可用時(shí)間的理論計(jì)算值為：21 600×3.41×10-2=736.56 h。

再收集統(tǒng)計(jì)出4個(gè)泵列最近兩個(gè)燃料循環(huán)(C16&C17)的實(shí)際不可用時(shí)間分別為：A列362.71 h，B列281.42 h，C列0 h，D列21.16 h。經(jīng)歷史不可用數(shù)據(jù)驗(yàn)證，理論計(jì)算值作為監(jiān)督周期內(nèi)的不可用時(shí)間指標(biāo)值是合理的。

目前，一回路海水系統(tǒng)沒有采用在線維修策略，按歷史數(shù)據(jù)計(jì)算的維修不可用時(shí)間只適用于糾正性維修，還需要考慮預(yù)防性維修的時(shí)間。查詢系統(tǒng)預(yù)防性維修大綱，海水泵及相關(guān)閥門等主要MR設(shè)備的預(yù)防性維修周期均在3個(gè)燃料循環(huán)及以上，為平衡SSCs的可用性與可靠性，假設(shè)在監(jiān)督周期內(nèi)進(jìn)行1次主要設(shè)備的預(yù)防性維修。

查詢技術(shù)規(guī)格書，當(dāng)只有一條海水回路可運(yùn)行時(shí)，應(yīng)在72 h內(nèi)恢復(fù)至兩條回路均可運(yùn)行狀態(tài)，否則需要降模式運(yùn)行直至冷停堆。由于本系統(tǒng)具有2個(gè)回路，每個(gè)回路包含2個(gè)泵列，1個(gè)泵列可用即可提供100%的容量，在單一故障準(zhǔn)則下，選擇1個(gè)合適的泵列進(jìn)行主要設(shè)備的預(yù)防性維修超過72 h，不會違反技術(shù)規(guī)格書限制。亦即可以不用考慮技術(shù)規(guī)格書中的允許維修時(shí)間限制，只需考慮采用維修經(jīng)驗(yàn)來確定預(yù)防性維修時(shí)間，例如：柴油機(jī)估計(jì)為336 h，水泵估計(jì)為168 h，閥門估計(jì)為48 h等。

因此，在一個(gè)監(jiān)督周期內(nèi)，作為最終性能指標(biāo)的不可用時(shí)間應(yīng)該是糾正性維修的時(shí)間加上一次海水泵預(yù)防性維修的時(shí)間，見表4。

表4 最終不可用時(shí)間

最后，需要特別強(qiáng)調(diào)幾點(diǎn)：1)對于在反應(yīng)堆功率運(yùn)行期間沒有開展預(yù)防性維修的系統(tǒng)設(shè)備，利用正態(tài)分布計(jì)算得出的不可用時(shí)間，只適用于糾正性維修；可用性指標(biāo)還必須包括預(yù)防性維修時(shí)間;2)可用性指標(biāo)必須包含一定裕度，避免隨機(jī)失效造成的不可用時(shí)間增加而突破指標(biāo)值，但是也不能過于寬松而無法暴露出維修活動的問題;3)必須定期評估可用性等其他性能指標(biāo)設(shè)置是否合理，持續(xù)優(yōu)化評估中發(fā)現(xiàn)的不合理之處，才能不斷提升核電廠維修有效性。

4 結(jié)束語

依據(jù)歷史運(yùn)維數(shù)據(jù)，采用正態(tài)分布反算要求置信度下的不可用率，進(jìn)而得出不可用時(shí)間，該方法合理可行，能夠滿足執(zhí)行技術(shù)政策的需求，具有行業(yè)參考價(jià)值。