大亚湾核电站在线设备的预测性维修探索及应用

大亚湾核电站在线设备的预测性维修探索及应用景建国摘要：本文以设备的故障模式的六种曲线为引线，较详细地描述了预测性维修的内涵及意义，以及预测性维修在大亚湾核电站的应用。通过阅读本文可以使读者了解到；什么是潜在故障？什么是P-F间隔？如何确定状态监测的频度？同时，可以了解到；实施预测性维修的必要条件和手段，它能给电站带来什么。最后，提出设备管理面临挑战的观点与同行探讨，把电站的设备管理搞的更好。关键词：预测性维修、潜在故障、P-F间隔1.引言核电站从问世以来一直备公认为集高科技于一身的大型发电企业，它的生产设备的技术含量和复杂程度包含了现代科技的方方面面。因此，对构成电站设备的设备故障观点不能用一种单一的“浴盆”曲线来描述和管理。新研究认为：设备的实际故障曲线按发生故障的概率和运行时间的关系，设备的故障模式可分为六种曲线，如图一所示。故障曲线A就是众所周知的“浴盆曲线”，起始段故障率较高（称做“早期失效率”），其后故障率恒定，寿期末故障率增加。曲线B显示故障率恒定，寿期末故障率增加。曲线C显示故障率缓慢增加，没有明显的寿期。曲线D显示当部件是新的故障率较低，而后迅速增加到一个较稳定的水平。曲线E显示在寿期内故障率恒定不变，故障随机发生。曲线F显示早期故障率较高，而后故障率逐渐下降到一个稳定或缓慢增加的水平。据航空业的统计数据表明，其中三种与时间相关的故障模式曲线（曲线；A、B、C）仅占所有故障模式的11%（其它工业没有超过20%），而89%的故障模式（曲线；D、E、F）与运行的时间无关。从新的故障模式曲线可以得出以下结论：1.1、设备的可靠性与运行时间（部件寿期）之间的联系并没有想像那么密切。并非是对设备修得越频繁，设备就越可靠。除非有一种支配性部件与运行时间相关（如：密封垫、橡胶隔膜、阀门盘根等），否则，设备大修对提高可靠性贡献不大。1.2、89%的设备故障与时间无关，并不能通过对设备定期解体维修（定期维护、定期更换）来避免设备失效，相反，应采取对设备进行科学的状态监测，了解设备运行状态，跟踪其变化趋势根据设备状态决策维修。1.3、由于设备早期失效率达到72%，如果对设备进行过分维修，就会将原本运行在稳定期的设备重新返回到早期失效状态，因此，定期对设备进行解体大修，不但不能提高设备的可靠性，反而增加了设备的故障率（定期易损件更换除外）。但对故障后果极为严重的设备另当别论，必须对其采取相应预防措施，降低故障后果造成的影响。综上所述，大多数设备自身的故障特性并不支持其解体维修。那么现行的以设备大修为主导的预防性维修就可以放弃吗？答案是明确的“不能放弃”，这是由于核电站的运行特性和部分设备存在与时间相关故障模式决定的。本文不对预防性维修给予更多地描述，只以预测性维修为探索对象，与同行进行探讨。2.预测性维修的内涵及意义预测性维修是通过状态监测手段诊断设备运行能否保持满足期望性能指标，以便采取措施预防功能故障或避免功能故障的后果。实践证明；大量的设备故障不会瞬间发生，总是有一个发展过程，且这个发生过程能够被捕捉到即能够显示功能故障将要发生或正在发生。这种故障被称为潜在故障。状态监测是管理潜在故障最有效的方法。它在运行设备没有完全失效（功能故障）前，对其采取必要措施，防止功能故障避免或降低故障后果。例如，控制棒驱动机构电源系统（RAM）的发电机滑环表面粗糙，造成碳刷的磨损加快，这时一个潜在故障。如果发现及时（定期监视碳刷长度，低于20mm更换碳刷）可以及时对发电机滑环进行处理或更换，并更换被磨短的碳刷。就可以防止由于碳刷太短不能与滑环有效接触，造成该列发电机组失磁保护动作故障跳闸这一功能故障。但是状态检修不是万能的，实施状态检修并不能完全取代定期维护、定期检修、定期试验等工作内容。它只能管理具有潜在故障的故障模式。例如，我们可能都有这样的经验；家里买的电视机，新的时候很少发生故障，也不可能将电视机送去维修，当使用7～8年的时候，可能会发生跳屏或连续开机一段时间发生黑屏现象，如果不及时将电视机送去修理，可能就完全不能看了。有时维修人员会给您一个建议：“换一台新的电视吧”！这是因为电视机内的一些电子元器件已经到了寿期，或者一些与时间相关的故障模式发挥作用（焊点开裂）。由此可见，对电视机是不能采取预测性维修方式来管理的。2.1．状态监测的频度确定执行状态监测过程中，除了考虑设备故障模式是潜在故障之外，还需要考虑P-F间隔，即从故障变得可以探测的那一点到潜在故障发展成为功能故障的那一点之间所需要的时间见图二。其中：P1或P2－能发现设备故障的点即潜在故障点。F－设备失效点即功能故障点。P-F间隔在实施状态监测中起到重要作用，它决定了状态监测的频度。一般情况下不同的故障模式P-F间隔长短也不同，变化范围从几秒到几十年不等。如果检查到的潜在故障点与正常状态偏差越小，需要的监测设备灵敏度越高，但P-F间隔越长，即P1的偏差和P1-F间隔。如果检查到的潜在故障点与正常状态偏差越大，P-F间隔越小，即P2的偏差和P2-F间隔。实施状态监测需要在潜在故障发展成功能故障之前监测到潜在故障，那么状态监测频度必须要小于P-F间隔，但状态监测频度不能大于P-F间隔。如果状态监测间隔比P-F间隔长，就有可能完全漏掉故障，起不到状态监测的作用。反之状态监测间隔远远小于P-F间隔，监测过程中会浪费资源。例如，对某一电动泵实施状态监测管理，其中一项任务是定期用红外线测温仪测量轴承温度，并跟踪其变化趋势。一般情况下轴承由于缺少润滑油（不是完全没有）或安装不当，会造成轴承磨损轴承温度会升高。根据经验此故障的P-F间隔为几天至数月。如果每周测量轴承温度一次，那么肯定能够监测到轴承温度比正常温度高这一潜在故障。相反，如果每半年测量轴承温度一次，就可能错过整个故障过程，起不到状态监测的作用。如果每天测量轴承温度一次，又是对人力资源的浪费。其实确定状态监测的频度，难点在于确定设备某一部件的P-F间隔。这就需要我们积累经验，了解设备的习性。如果不能确定状态监测的频度，就不能用状态监测手段管理故障模式，选用其它方法对其管理。2.2．预测性维修的必要条件实施状态监测必须满足下列条件，方可实施对故障模式的管理。⑴能够确定一个明显的潜在故障状态；对某一设备实施状态监测，必须知道设备具有那些故障模式会引起功能故障，且故障模式是潜在故障，从而对这个潜在故障进行监测。否则，不能对这一设备实施状态监测管理。科学选点十分重要。⑵P-F间隔比较稳定；选择了能够表征设备运行状态的潜在故障点，这个潜在故障点的P-F间隔必须是较稳定，否则，无法正确确定状态监测的时间间隔，因此也无法实施状态维修。⑶状态监测具有可操作性；状态监测频度必须要小于P-F间隔，且实施的状态监测手段能够监测到潜在故障的发生过程。否则，无法实施状态维修。⑷潜在故障的P-F间隔必须足够长；如果被选择的潜在故障点的P-F间隔很短，短到即便在很高频率的状态监测下，监测到潜在故障点的故障发生，但没有足够的时间来处理故障且无法避免故障发生所带来的后果。同样，实施状态监测管理故障不可行。2.3．预测性维修的技术手段实施状态维修有以下技术手段给予支持；2.3.1状态监测技术；2.3.2主要测量参数监测技术；2.3.3基于人的感官检查技术。⑴状态监测技术；用敏感的设备检查其它设备的运行状态，称状态监测技术。其实，状态监测技术是一种人的感官的高灵敏度形式，一些高灵敏监测设备，可以提前较长时间发现潜在故障的发生，这对状态监测十分有力。但它也有一定的局限性，大多数监测设备只能监测一种状态，没有人的感官那么全面。当今，一些技术人员已经研究出或正在研究系统监测设备，克服单一监测设备的局限性。例如，汽轮机专家诊断系统，发电机在线专家故障诊断系统。选用状态监测设备是一项技术性很强事情，在决定采用状态监测技术之前，要考虑以下事项：*选用状态监测设备能够监测到潜在故障的发生过程。*一些监测设备技术含量较高，对操作人员给予相应的培训。*一些复杂监测设备价格昂贵，考虑是否值得做。*监测设备本身也可能发生故障，要考虑对它的维护。⑵主要测量参数监测技术；在核电站的每一个系统中，为了表征系统或设备运行状态，设计安装了一些监视仪表。如：压力表、温度表、电压表、电流表、转速表等等。这些仪表为实施状态监测提供了最直观的信息。人们可以通过观察、记录以及对其趋势分析，判断系统或设备的运行状态。但是，我们也要考虑以下事项：*选择那些参数作为状态维修的内容时，要科学选点。不要将系统内所有安装的仪表都作为监视对象，这样会造成大量人力、物力资源的浪费。一定要根据被管理的故障模式需要，选择那些能够表征该故障模式的潜在故障发生过程的参数，作为监视参数。这是因为，系统设计和系统内所使用的设备设计，有时不是同一个厂家或部门。这些不同厂家或部门可能设计出表征同一个物理量的表计，安装在同一个系统中。特别是系统与系统之间往往有重复设计、安装的仪表存在。*选择监视参数时，要区分管理系统功能故障还是管理设备故障，一般情况下在一个系统中，总会有一个或几个参数能够表征系统的运行状态，往往系统发生潜在故障，都是由某一设备发生潜在故障引起。反过来观察、监视以及跟踪表征这一设备运行状态的仪表参数。这样可以减少大量人力、物力资源。但是我们要注意，P-F间隔是否容许这么做。*观察、记录以及对其趋势分析的人员，应具备相应的技能。知道系统或设备正常运行时、发生潜在故障时、发生功能故障时，仪表指示的参数是多少？否则，起不到状态监测作用。*对仪表本身进行良好地维护，保证仪表的精确度，满足状态监测所需求目的。⑶基于人的感官检查技术；基于人的感官检查技术主要是利用人的看、听、摸、闻感觉器官探测潜在故障。由于人的感官不可能有状态监测技术那样的灵敏度，当人的感官能够探测到潜在故障时，故障已经发展的比较严重，必须尽快处理故障。因此，利用人的感官检查技术管理故障模式应注意以下事项：*管理的故障模式的P-F间隔比较短，监测的频度比较频繁，一般情况下都是由现场操作员来执行此类任务。*由于人与人之间存在着差异，很难制定精确的监测标准，因此，对现场操作员给予相应的技术培训，以便正确判断故障。*制定一个简单可靠的报告程序，以便节省时间快速处理故障。2.4．预测性维修的意义预测性维修是设备管理的一个不可缺少的重要环节，虽然它不能完全取代定期维护、定期检修、定期试验等预防性维修的工作。但正确开展状态监测工作，能够为核电站带来可观的经济效益和社会效益。主要表现在以下几个方面：⑴保证花费在维修上的一切总是最有效的；由于预测性维修是根据设备的运行状态，决策是否对设备进行检修，把我们从盲目检修的误区中解放出来。是我们花费在维修上的一切总是最有效的，同时，可以避免对设备的过剩维修或欠修，提高工作效率。⑵提高设备可靠性；采用预测性维修可以避免，由于过剩维修造成将原本运行在稳定期的设备重新返回到早期失效状态，减少设备早期失效引起的设备故障。还可以在运行设备没有完全失效（功能故障）前，发现设备的潜在故障，对其采取必要措施，防止功能故障避免或降低故障后果。由此可见，采用状态监测可以提高设备可靠性。⑶延长设备的使用寿命；通过对设备故障观点的分析，可以得出每一个设备都有一段较长的稳定运行区，利用状态监测技术延续设备在稳定区运行，只有设备发生潜在故障时，才对该设备进行维修处理。这样使设备的使用寿命达到极限，从而延长设备的使用寿命。⑷降低维修成本；采用预测性维修可以减少设备解体检修的数量，从而可以减少设备解体检修带来的劳务费用、材料费用以及备件费用，降低维修成本。⑸缩短大修工期；如果采用预测性维修可以减少关键路径设备的检修量，那么就可以缩短大修工期。这样能够给电站带来可观经济效益，这也是设备管理人员需要努力的一个方向。3.预测性维修在大亚湾核电站的应用大亚湾核电站从1999年采用以可靠性为中心的维修（Reliability-centredMaintenance）分析技术以来，实现对核电站50多个系统的RCM分析并应用到电站维修活动中去，收到良好地效果。2002年9月预测性维修