陈璞, 童节娟, 刘涛, 张勤昭, 王宏
清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084
收稿日期：2022-09-06
作者简介：陈璞(1998—)，男，硕士研究生
通讯作者：刘涛，副研究员，E-mail: liu-tao@tsinghua.edu.cn

摘要：高温气冷堆主氦风机是清华大学自主研发的先进核能核心装备之一，对于反应堆的正常运行至关重要。主氦风机停机会导致反应堆紧急停堆，直接影响核电厂的运行，并可能带来安全风险。因此，需要评估主氦风机的可靠性，并对主氦风机开展预防性维修策略研究，以保障高温气冷堆核电厂高质量运行。首先，该文使用故障模式、影响和危害性分析(failure mode, effects and criticality analysis，FMECA)方法识别主氦风机的关键重要部件；然后，基于各部件的通用数据评估得出主氦风机的故障率及各部件故障率占比，为提高主氦风机的运行可靠性提供参考依据；最后，使用以可靠性为中心的维修分析(reliability centered maintenance analysis，RCMA)对主氦风机的预防性维修策略进行规划，提出预防性维修方案建议。该文研究成果可为新研核能设备提升设计质量提供参考，为其他相关核能设施开展可靠性和维修性研究提供借鉴。
关键词：主氦风机故障模式、影响和危害性分析以可靠性为中心的维修分析高温气冷堆
Preventive maintenance strategy of the helium circulator in the high-temperature gas-cooled reactor
CHEN Pu, TONG Jiejuan, LIU Tao, ZHANG Qinzhao, WANG Hong
Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Abstract: [Objective] The helium circulator of the high-temperature gas-cooled reactor (HTGR) is advanced core equipment independently developed by Tsinghua University and is highly important for normal reactor operation. The shutdown of the helium circulator will lead to an emergency shutdown of the reactor, directly affecting the operation of the nuclear power plant and possibly causing safety problems. Therefore, it is necessary to evaluate the reliability of the helium circulator and study the preventive maintenance strategy to ensure the high-quality operation of the HTGR demonstration project (HTR-PM). [Methods] First, we used the failure mode, effects and criticality analysis (FMECA) method to analyze the failure modes, causes, effects, and degree of severity of the components of the helium circulator and list the usage guarantee recommendations. Since FMECA has not been performed on HTGR thus far, we referred to the national military standard to specify the severity degree of the helium circulator's failure consequences. Through FMECA, we can also identify its key components, the parts that must be emphasized during the design and maintenance of the circulator. Then, we used the general component data to determine the failure rate of the circulator and the failure rate proportion of each component. Finally, we used the reliability-centered maintenance analysis (RCMA) method to plan the preventive maintenance strategy of the circulator and put forward preventive maintenance plan suggestions. Preventive maintenance is mainly performed through condition monitoring, function test, etc., which will not affect the normal operation of nuclear power plants. According to RCMA, the preventive maintenance measures of the helium circulator mainly include condition-based maintenance (CBM), usage inspection, function test, and so on. CBM can be performed online, and other preventive maintenance measures can be completed during the overhaul; thus, these measures can effectively improve system availability and reduce financial losses. In addition, the maintenance interval is mainly based on the severity degree and the proportion of the failure rate of components, as well as the corresponding maintenance measures. A more accurate maintenance interval must be updated after receiving the monitoring data feedback. [Results] The calculated failure rate of the helium circulator was 0.18 times/year, which met the design criteria that the helium circulator shut down due to failure should occur less than once a year. However, a more accurate failure rate evaluation needs to be further updated after accumulating actual operation data. The calculation results showed that the drive motor in the helium circulator exhibited the highest failure rate of 88.57%, while that of the frequency converter in the drive motor was 60.82%. Therefore, the reliability of these components should be increased to improve that of the helium circulator. The reliability prediction results can provide a reference for improving the design and then the operation reliability of the helium circulator. [Conclusions] The research process of this paper is significant as a reference for conducting reliability analysis, improving the design quality, and planning maintenance strategy of newly developed nuclear power equipment, and it can also provide insights for relevant analyses of equipment in other nuclear power plants.
Key words: helium circulatorfailure mode, effects and criticality analysis (FMECA)reliability-centered maintenance analysis (RCMA)high-temperature gas-cooled reactor
中国在高温气冷堆的设计和建造上走在世界前列，目前已建成10 MW高温气冷实验堆(10 MW high temperature gas-cooled reactor test module, HTR-10)和石岛湾高温气冷堆示范工程(high temperature gas-cooled reactor pebble-bed module project, HTR-PM)，600 MW级高温气冷堆工程(600 MW high temperature gas-cooled reactor, HTR-PM 600)正在建设中^[1-2]。
主氦风机是高温气冷堆一回路冷却剂循环的驱动设备，是清华大学自主研发的先进核能核心装备。主氦风机故障停机会导致反应堆紧急停堆，不仅影响核电厂的运行经济性，还可能造成安全风险。因此，需要评估主氦风机的可靠性，并通过预防性维修避免或减少其故障的发生。对主氦风机进行可靠性和维修性分析，可以为主氦风机设计质量的提升提供技术反馈，帮助维持反应堆正常运行，减少经济损失；同时，可以为核电厂运行风险和安全分析提供数据支撑，为核电厂其他设备的相关分析提供借鉴。
1 主氦风机的结构与功能主氦风机是高温气冷堆冷却剂系统中氦气循环风机的简称，与压水堆中的主泵具有相似的作用。主氦风机的主要功能是在反应堆启动、运行等工况下，驱动冷却剂(氦气)以一定的流量在高温气冷堆一回路中循环^[3-4]。
高温气冷堆核电厂采用模块化设计，每个反应堆-蒸汽发生器模块配置1台主氦风机，每台主氦风机由12个主要部件组成，其运行还需要电力、设备冷却水等系统的支持。图 1为主氦风机结构示意图。



2 分析流程及方法2.1 分析流程为开展高温气冷堆主氦风机预防性维修策略研究，首先依据主氦风机的结构组成和所承担的主要功能对主氦风机开展部件层级的故障模式、影响和危害性分析(failure mode, effects and criticality analysis，FMECA)，找出主氦风机各组成部件的故障模式、故障原因和故障影响等。在此基础上提出初步的使用保障建议，并通过FMECA找出对主氦风机运行有重要影响的关键重要部件(简称“关重件”)。然后，基于部件的通用故障率数据评价得到各组成部件故障造成主氦风机停机所占的比例及主氦风机停机的频率。最后，采用以可靠性为中心的维修分析(reliability-centered maintenance analysis，RCMA)进一步确认主氦风机中需要进行预防性维修的项目并给出各部件对应的维修保障建议。图 2为分析流程图。



2.2 FMECAFMECA诞生于20世纪60年代，是可靠性分析的一个重要内容，也是开展产品安全性和维修性等分析的基础。FMECA方法比较成熟，已经成功应用于众多行业、领域，如Singh等^[5]采用FMECA对配电变压器进行研究，得出降低变压器风险的措施。Catelani等^[6]通过FMECA方法分析光伏组件的太阳能转换效率降低的因素。核电领域也引入了FMECA方法，如陈杰^[7]使用FMECA方法对核电厂热交换器进行分析，并在此基础上计算其可靠性。宗树枫^[8]使用FMECA对核电厂仪控系统进行分析得到对仪控系统的功能执行有重要影响的关键设备。
FMECA分为功能FMECA、硬件FMECA和软件FMECA等^[9]3大类。其中功能FMECA主要用于找出设备的设计缺陷和薄弱环节，以及通过分析故障原因制定事故预防措施等。作为分析流程的前半部分，使用功能FMECA方法关注主氦风机的功能故障及其造成的影响，可为确定关重件提供支持。
为了明确部件影响的严酷度类别，对主氦风机开展了任务分析，制定了任务成功准则和故障判据，参照FMECA严酷度类别的定义^[9]和主氦风机故障对反应堆冷却剂系统的影响，可以得出主氦风机故障后果的严酷度类别，如表 1所示。
表 1 主氦风机故障后果严酷度类别


表选项






导致严酷度类别Ⅰ和Ⅱ的部件故障必须予以避免，这也是预防性维修工作关注的重点。一些工程项目也将导致严酷度类别Ⅰ和Ⅱ的部件定义为关重件进行管理^[10]。
2.3 数据来源主氦风机属于核电领域的首台(套)设备，缺乏足够的运维经验，目前还没有真实运行数据的反馈；主氦风机需要在高温气冷堆一回路的高压工作环境中运行，很难在可接受的时间和成本条件下由模拟试验得出各部件的故障率，因此本文采用非电子元件可靠性数据库(nonelectronic parts reliability data，NPRD)^[11]中的相关数据来近似主氦风机各部件的失效率。NPRD数据库包含各种电气、机械、机电等部件和组件的故障率数据，在缺乏实际运行数据的情况下，这些数据可作为可靠性失效率通用数据替代特定数据，以协助进行可靠性分析和评估。
2.4 RCMA核电厂设备的维修可分为两大类：为预防故障发生而进行的预防性维修和为缓解故障后果而进行的纠正性维修^[12]。如果在主氦风机发生故障后进行纠正性维修将直接导致一回路冷却剂循环停止，对核电厂造成经济损失，一些故障模式还有引发放射性物质释放的风险。而预防性维修主要通过状态监测、功能检测等方式进行，不会影响核电厂的正常运行。
RCMA是所有维修决策方法中最突出的设备管理策略之一，它依据对象的可靠性状态，应用逻辑判断方法确定维修项目和维修级别等，旨在用最少的维修资源使设备处于规定的可靠性和安全性水平。核电领域很早就引入了RCMA方法，美、韩、法等国都采用RCMA对核电厂进行维修^[13-15]。中国的大亚湾、秦山等核电厂也使用了RCMA方法，实际运维经验表明，RCMA可以有效降低运行检修成本，提高系统设备的可用性^[16]。RCMA认为，大部分设备的失效不是突然发生的，而是有一个发展过程，即设备的P-F曲线^[17]，如图 3所示。



P为可以监测到设备存在潜在故障(potential failure)的时间点，F为设备发生故障(function failure)的时间点，两点之间为P-F区间。如果在P-F区间内安排维修，则可以避免故障的发生，防止设备故障带来的安全性影响和经济损失。
本文将维修级别分为两级：厂区级和厂外级。厂区级指在核电厂区内即可完成的维修；厂外级指需要在设备制造厂进行的维修。其中，厂区级又分为在运维修和停机维修。代码1、2和3分别代表在运维修、停机维修和厂外维修。
3 分析结果3.1 主氦风机FMECA结果主氦风机的任务是主氦风机在各种工况下(主要为反应堆启动和正常功率运行)能实现其规定的功能。评判任务成功的准则是主氦风机可以带动反应堆冷却剂系统强迫循环。故障判据为主氦风机某一组成部件故障导致主氦风机停机。
进行FMECA时应明确分析的约定层次，本文FMECA的约定层次为主氦风机，初始约定层次为反应堆冷却剂系统，最低约定层次为组成主氦风机的部件。本文以主氦风机的预防性维修策略为研究目标，部件是开展预防性维修项目的基本单元，在部件的基础上再进行细分可以进一步细化设备的维修项目。FMECA中没有考虑如电力丧失、设备冷却水丧失等支持系统的故障，这是为了更加聚焦主氦风机自身部件的功能和性能，去除因支持系统失效对其带来的影响。表 2为主氦风机部件FMECA的结果简表。对部件的FMECA分析中还应包括部件的功能、故障原因、局部影响、最终影响、故障检测方法和基本维修措施，表 2未全部列出，仅以驱动电机为例进行说明，如表 3所示。
表 2 主氦风机部件FMECA简表


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表 3 驱动电机FMECA表


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3.2 主氦风机故障率初步评价由表 2可以看出，严酷度为Ⅱ和Ⅲ的部件发生故障会导致主氦风机停机；而严酷度为Ⅳ的部件故障几乎不影响主氦风机的正常运行，且不存在导致主氦风机停机的部件组合。根据导致主氦风机停机的部件故障可以保守估计主氦风机的故障率。基于通用数据源的评价还可以得到同等工业水平下，主氦风机部件失效率及所占的比例，如表 4所示。
表 4 主氦风机部件失效率及占比


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由表 4可以看出，驱动电机中的变频器所占比例最高，为60.82%，由变频器和电机本体所组成的驱动电机总体所占的比例高达88.57%。因此，应通过预防性维修等设法提高驱动电机的可靠性，从而提高主氦风机的可靠性。以主氦风机年运行时间8 760 h为假设条件时，根据NPRD中提供的通用数据评估得到主氦风机的故障率为0.18次/a，符合设计准则中主氦风机因故障停机频率小于1次/a的要求，但是更加准确的故障率评价需要依据主氦风机各部件的实际可靠性数据或通过运行数据修正后进一步更新。
3.3 主氦风机的维修保障方案规划本文参考RCMA的逻辑决断图^[18]对FMECA表中列出的部件进行分析，并以驱动电机和叶轮为例进行说明，如表 5所示，其余部件均按相同方法进行分析。对主氦风机进行RCMA，可获得主氦风机中需要进行预防性维修的部件并对各部件对应的维修策略提出建议，表 6为主氦风机RCMA结果汇总表。
表 5 驱动电机和叶轮RCMA表


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表 6 主氦风机RCMA汇总表


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提前规划设置部件的预防性维修项目，可以避免或减轻部件失效带来的影响。RCMA方法提出的预防性维修项目主要包括监控、使用检查、功能检测和定期更换等。对于主氦风机而言，操作人员监控即为基于状态监测的维修(condition-based maintenance, CBM)，该维修措施是由预防性维修发展而来的更先进的检修方式。CBM通过对部件在线监测、重点检查和故障诊断等方式，判断部件的性能状况和发展趋势，使检修人员可以在设备发生故障前进行有计划的维修^[19]。除操作人员监控外的预防性维修措施均可在大修期间完成，以有效提升系统的可用性，减少经济损失。
由于目前还没有主氦风机各部件P-F间隔期的相关数据，因此，对于维修间隔期的规划主要基于部件的严酷度和造成主氦风机故障的占比以及相应的维修措施得出。更加准确的维修间隔期需要在获得一定的监测数据反馈后更新。预防性维修的实施不仅可以减少以检修为目的的停堆和不必要的维修工作，而且可以大大降低发生严重故障的概率，能够有效提高主氦风机的可靠性、可用性和经济性。
4 结论本文使用FMECA方法、故障率定量分析、RCMA方法对高温气冷堆主氦风机进行分析，确定了各部件故障对于主氦风机的影响程度，针对重要部件提出了预防性维修和保障建议，为提高主氦风机可靠性、可用性和经济性提供技术支持。未来还将继续基于收集的运行数据对维修保障方案进行优化，包括更新维修项目的实施周期等。在此基础上，也可以对主氦风机建立完整的通用质量特性设计和评估体系。
本文的研究流程对于新研核能装备如何进行可靠性分析、提升设计质量和规划维修策略具有参考意义，也可为其他堆型的核电厂中设备的相关分析提供借鉴。

参考文献