基于可靠性分析的核电管道阀门维修策略优化

引言

核电厂安全运行是核电产业发展的重要保证，管道系统作为核电厂一、二回路的重要组成部分，负责冷却剂、蒸汽等介质的输送，核电厂管道系统的运行安全可靠是核电厂运行的基础保证。阀门作为管道系统的重要控制设备，起着开关、调节、排空等作用，在核电厂的正常运行与事故工况下的安全隔离、应急冷却等方面都有着非常重要的作用。

一、常见失效模式与影响

1. 密封泄漏

阀盖与阀体密封面泄漏、阀座与阀芯密封面泄漏主要是指密封面磨损、腐蚀、变形或密封物老化而产生的密封泄漏。密封泄漏将引发介质损失或环境污染(如放射性介质泄漏)，甚至会导致核电系统压力损失等问题，影响核电的运行。

2. 阀杆卡涩

阀杆与填料函摩擦阻力加大，导致阀门不能开、关、调等问题，主要原因是填料老化、阀杆腐蚀、润滑不到位、异物卡涩等。阀门阀杆卡涩，会造成事故工况阀门不能及时动作，延误处置时机，导致事故发生。

3. 执行机构故障

电动、气动或液压执行机构故障，因电机烧坏，气缸漏气，控制信号故障，阀门无法实现远方或自动控制。执行机构故障导致阀门失去控制，处于人为手动状态，动作速度慢。

4. 阀体裂纹

阀体疲劳伤，腐蚀疲劳伤、疲劳损坏引发裂纹，阀体疲劳伤是指阀门阀体在高温、高压作用下，比如主蒸汽阀门阀体上出现裂纹，阀体裂纹可能会导致介质大量泄漏甚至是导致阀体损坏，从而发生恶性事故。

二、可靠性分析方法

1. 失效模式及影响分析（FMEA）

针对以上失效模式，对核电管道阀门建立FMEA 分析表，从“严重度（S）、发生度（O）、探测度（D）”三个方面对失效模式进行评估：

严重度(S) ：按照失效方式对核电安全、环境、经济的影响程度进行打分(1—10)，例如密封失效导致放射性泄漏：10 分，性能下降导致偏差流量：3-4 分。

发生度(O) ：按照该失效方式出现频率的大小进行打分(1-10)，例如密封失效：7-8 分，结构失效：1-2 分。

探测度 (D) ：对这一失效模式的早期探测能力按照现行监测方法进行 1-10分打分，如压力传感器可实时探测到密封泄露，探测度为 2-3 分，阀杆内部疲劳裂纹不易发现，探测度为8-9 分。

经过以上工作，根据 RPN=S×O×D 的大小，对失效模式进行风险优先数排序，RPN 值大于 100 的失效模式（密封失效，执行机构失效引起起闭失效）为“高风险失效模式”，应重点予以关注并采取控制措施。

2. 故障树分析（FTA）

通过建立以“核电管道阀门失效”为顶事件，“密封失效、启闭故障”为中间事件，“密封面磨损、填料老化、电机损坏”为底事件，以连接逻辑门（与、或）作为失效关联关系，通过布尔代数化简，对故障树进行定性分析，求出最小割集“密封面磨损 + 填料老化”、“电机损坏 + 控制信号故障”等，确定导致顶事件发生的失效路径；“同时引入底事件失效率值（历史数据统计 + 设备手册资料）等，定量分析确定顶事件失效率、平均无故障工作时间（MTBF）等数据，为后续维修定量化指导工作，如某型号截止阀，MTBF 计算结论为 8500小时，其中，底事件“密封面磨损”对顶事件失效率贡献值达到 60% ，需重点进行维修。

三、基于可靠性的核电管道阀门维修策略优化

1. 维修策略优化框架设计

基于上文可靠性评价结果，通过可靠性—风险—策略—效果—验证的 RCM理念，制定基于“可靠性评价—风险等级—策略优选—效果验证”的维修策略优选模型。

可靠性分析：通过 FMEA、FTA 以及数字化监测，得到阀门 RPN 值、MTBF、关键失效路径等可靠性数据。

风险分级：根据 RPN 值及其该阀门在核电系统的重要程度 ( 安全级阀门、非安全级阀门 ) 对阀门的 RPN 进行危险性等级分级，划分为高风险 (RPN> 120、安全级)、中风险 (80⩽RPN⩽120 ，重要非安全级)、低风险 (RPN<80 ，一般非安全级)3 个等级；危险性分级。

策略匹配：针对不同风险等级的阀门，制定差异化维修策略。

现场试验：在现场运行中，测试阀门的失效概率、维护费用等数据，评估策略的有效性并进行调整。

2. 差异化维修策略制定（1）高风险阀门：预测性维修为主

高风险阀门，尤其是核电一回路冷却剂管道截止阀对机组影响较大，失效后果严重，采用“预测性维修”为主的策略。根据数字化测点数据，通过可靠性分析后，建立预测模型 ( 如神经网络失效预测模型 )，根据密封面磨损量、阀杆疲劳度等指标的量变，预测阀门寿命周期，当寿命周期到预设值 ( 如阀门额定寿命的 20%) 时，开展维修。如采用振动传感器检测阀杆振动，提取频率特征，当特征频率变化率超过 15% 时，阀杆寿命周期将近 500h ，提前开展阀杆更换；每3个月开展1次FMEA，每6个月开展1次故障树量化分析，动态调整维修方案。

（2）中风险阀门：视情维修与预防性维修结合

中风险阀位( 二回路蒸汽管道调节阀) 失效影响较小，把控风险，采用“视情维修 + 预防性维修”的组合维修策略。通过数字化监测系统正常期间的阀门，若监控参数出现异常 ( 调节精度 ±5%) 采取视情维修，正常的阀门按照 MTBF值设定预防维修时间，如某调节阀型号的 MTBF 为 6000h 设定预防性维修时间为 5000h( 即 MTBF 的 80% ，而不是在高的可靠性期间不维修，每年开展一次阀门的 FMEA 评估，评估结果表明 RPN 值从 95 值减低为 85 值时，可将维修时间增加 5500h. 。

（3）低风险阀门：事后维修与定期检查结合

低风险阀门如辅助系统管道闸阀，失效对机组影响较小、可靠性较高，采用“事后维修 + 定期检查”策略，正常情况下不进行维修，故障时再进行维修；每 12 个月 ( 外观检查、手动启闭检测 ) 检查 1 次 ( 对阀门的外观进行检查 )，更改可靠性数据，当RPN 值升至80 及以上( 如腐蚀导致密封失效危险度较高) 时更改为中风险阀门，采用相应的维修策略。

结语

总之，维修措施的改良能够有效降低核电管道阀门的损伤频率，降低核电管道阀门维修成本，延长产品使用周期，为核电设备维修管理指明了正确方向。在核电行业数字化、智能化建设背景下，可靠性分析和维修策略的融合程度将越来越高，这有助于核电管道阀门运行维护水平的提升，同时也将有助于其他核电关键设备维修策略的优化，推动我国核电工业发展。

参考文献：

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[2] 张东杨. 核电站阀门的种类及常见故障维修及保养[J]. 消费导刊, 2018.

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