謝俊業(yè),鄒詩(shī)華

( 蘇州熱工研究院,江蘇 蘇州 215000 )

核電廠鉛酸電池主要用于核電機(jī)組重要負(fù)荷的后備電源或柴油機(jī)等重要設(shè)備的啟動(dòng)電源,也可用于其他不間斷電源系統(tǒng)。 一旦核電機(jī)組正常供電出現(xiàn)問(wèn)題且電池失效,將導(dǎo)致下游重要負(fù)荷失去電源,如反應(yīng)堆保護(hù)失電、主泵等重大設(shè)備失電及柴油機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng)等,將可能引發(fā)重大事故。提高電池運(yùn)行可靠性,是核電廠設(shè)備管理的重要內(nèi)容之一。

故障模式和影響分析(FMEA)作為一種應(yīng)用于系統(tǒng)或設(shè)備的可靠性分析方法,在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 核電業(yè)內(nèi)的大部分企業(yè),特別是中小型企業(yè)大多未采用FMEA 的方法,而是采用經(jīng)驗(yàn)反饋的方式,進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的問(wèn)題解決[1]。 預(yù)防性維修模板是基于同類設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)和的可靠性分析,預(yù)先制定的設(shè)備預(yù)防性維修任務(wù)模板。 目前,一些核電國(guó)家已有故障模式與維修策略模板的研究與應(yīng)用,而我國(guó)也在逐步關(guān)注并推動(dòng)建立國(guó)內(nèi)核電廠設(shè)備維修策略模板[2]。

為了提升核電廠鉛酸電池的可靠性,本文作者將FMEA和預(yù)防性維修模板結(jié)合,利用FMEA 彌補(bǔ)預(yù)防性維修模板尋找設(shè)備故障模式不全和影響分析不夠深入的缺陷,并利用維修模板將FMEA 與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維修工作相結(jié)合,規(guī)范和傳承現(xiàn)場(chǎng)維修與故障管理的經(jīng)驗(yàn)。 通過(guò)兩者結(jié)合的方式,為核電廠鉛酸電池制定基于FMEA 的維修模板,并用以往發(fā)生的電池故障事件對(duì)該模板進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證提升核電廠鉛酸電池可靠性的能力。

1 故障模式和影響分析(FMEA)

FMEA 起始于20 世紀(jì)60 年代航空航天工業(yè)項(xiàng)目,因?yàn)樵诤教祜w行器的研究中取得了顯著的效果而得以推廣[3]。它是一種能識(shí)別各種故障模式并給出降低風(fēng)險(xiǎn)所采取措施的方法,也是一種通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析,識(shí)別潛在故障模式、失效原因及對(duì)系統(tǒng)性能影響的系統(tǒng)化程序[4]。 它的產(chǎn)生及特點(diǎn),決定了適用于與安全有關(guān)或失效后果嚴(yán)重的系統(tǒng)、設(shè)備,因此對(duì)于核電廠鉛酸電池這種高可靠性要求的設(shè)備,FMEA 可用于找出故障模式,并分析故障帶來(lái)的影響。 以核電廠鉛酸電池為例,流程設(shè)置見(jiàn)圖1。

圖1 核電廠鉛酸電池FMEA 流程圖Fig.1 Failure mode and effect analysis(FMEA) flow chart of lead-acid battery in nuclear power plant

2 預(yù)防性維修模板的開(kāi)發(fā)

預(yù)防性維修模板的開(kāi)發(fā)是指基于同類設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)和可靠性分析,給設(shè)備建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、通用的維修模板。 使用該模板,可為不同系統(tǒng)中的同類設(shè)備,有針對(duì)性地快速、高效制定并優(yōu)化維修策略,提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。 預(yù)防性維修模板的開(kāi)發(fā),需要基于已識(shí)別的故障模式,結(jié)合設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行分類,并根據(jù)實(shí)際分類情況,為每一類設(shè)備選擇合適的維修任務(wù)和周期。 除了區(qū)分不同類型的設(shè)備以外,通常還要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的重要程度、使用頻率和運(yùn)行工況等進(jìn)行細(xì)分,以提高設(shè)備維修模板開(kāi)發(fā)與使用的針對(duì)性,方便開(kāi)發(fā)出適用于不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用場(chǎng)合的設(shè)備維修模板。

以核電廠鉛酸電池為例,盡管各模板不能完全符合每一款電池,但只要結(jié)構(gòu)相似,在核電廠實(shí)際運(yùn)行維護(hù)中,運(yùn)用的就是模板中相似的手段。 對(duì)于有差異的電池,現(xiàn)場(chǎng)維修或管理人員只要用相應(yīng)的模板進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn),就能快速制定出相對(duì)完備、考慮相對(duì)周全的預(yù)防性維修策略。

3 基于FMEA 的核電廠鉛酸電池維修模板

對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型的鉛酸電池進(jìn)行FMEA,可找出每個(gè)部件的故障模式,并根據(jù)故障影響選擇相應(yīng)的維修任務(wù),再基于FMEA 的成果,開(kāi)發(fā)核電廠鉛酸電池維修模板。

3.1 電池的結(jié)構(gòu)

不同類型的鉛酸電池,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同,表現(xiàn)出的故障模式會(huì)存在差異,相應(yīng)維修任務(wù)的選擇也不一樣。 對(duì)于核電廠鉛酸電池,在FMEA 前先按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類,主要可分為排氣式和閥控式兩種。

排氣式的特點(diǎn)在于電池蓋上裝有排氣裝置。 電池在運(yùn)行過(guò)程中,產(chǎn)生的氣體將通過(guò)排氣裝置釋放,日常維護(hù)需要補(bǔ)充電解液和測(cè)量電解液密度等。 另外,排氣式鉛酸電池的外殼多采用透明材質(zhì),可從外部較好地觀察到電池內(nèi)部極板、槽等部件和電解液的狀況。 閥控式的特點(diǎn)在于電池上裝有安全閥。 正常情況下,整個(gè)電池是密封的,只有當(dāng)內(nèi)部氣體壓力超過(guò)一定限值時(shí),才會(huì)打開(kāi)安全閥并排出氣體。 相對(duì)于排氣式鉛酸電池而言,閥控式鉛酸電池的維護(hù)工作較少,且不用定期補(bǔ)充電解液。 另外,閥控式鉛酸電池的外殼多采用不透明材質(zhì),在日常檢查中,不能直觀地看到電池內(nèi)部狀況。

除上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同外,這兩種鉛酸電池都是由正負(fù)極板、隔板、電解液、正負(fù)極柱、匯流排及電池槽和槽蓋、密封圈/墊等構(gòu)成。 這些結(jié)構(gòu)若失效,都會(huì)直接或間接影響電池的可靠性,因此,在對(duì)電池進(jìn)行FMEA 時(shí),這些因素都應(yīng)該考慮。

3.2 應(yīng)力分析

無(wú)論何種產(chǎn)品,一旦生產(chǎn)出來(lái),經(jīng)庫(kù)存、運(yùn)輸?shù)绞褂?每時(shí)每刻都在經(jīng)受各種應(yīng)力,電池也是如此。 這些應(yīng)力既有設(shè)備所受的外應(yīng)力,也有設(shè)備自身的內(nèi)應(yīng)力。 導(dǎo)致核電廠鉛酸電池各部件可靠性降低甚至失效的主要應(yīng)力可分為以下3類:環(huán)境應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和電應(yīng)力。

環(huán)境應(yīng)力主要包括高溫、低溫、潮濕和酸霧等,其中,溫度的影響最明顯。 在高溫下,充電電流和正負(fù)極板柵的腐蝕會(huì)呈指數(shù)上升,加速設(shè)備老化;低溫會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部反應(yīng)變慢,容量下降;而酸霧會(huì)對(duì)電池外部部件造成腐蝕,也可能會(huì)使密封件遭到破壞等。

機(jī)械應(yīng)力主要包括跌落、振動(dòng)、沖擊和加速度等。 電池安裝前,常會(huì)受到多方面的振動(dòng)和沖擊,如搬動(dòng)、運(yùn)輸?shù)?安裝后,若安裝得不夠好,或運(yùn)行時(shí)受環(huán)境影響導(dǎo)致振動(dòng)較大,會(huì)引起電池之間的拉應(yīng)力增大、外殼變形、開(kāi)裂,導(dǎo)致電解液溢出,引線或連接線斷裂,極柱、極板及隔板變形等問(wèn)題。

電應(yīng)力主要包括電壓、電流、磁場(chǎng)和射線等,其中,電壓和電流的作用最明顯。 過(guò)高的充電電壓、紋波電壓,會(huì)加速電池老化;過(guò)低的充電電壓,容易導(dǎo)致電池硫酸鹽化,引起容量降低,甚至失效。

實(shí)際上,作用于電池上的應(yīng)力不是單一的,FMEA 中的各種故障正是由上述單個(gè)或多個(gè)應(yīng)力作用導(dǎo)致的。 在單個(gè)或多個(gè)應(yīng)力的作用下,電池部件的性能會(huì)發(fā)生變化;當(dāng)應(yīng)力停止后,有的性能變化是可逆的,有的是不可逆的。 當(dāng)性能變化超過(guò)電池規(guī)范要求時(shí),電池就會(huì)失效。

3.3 電池敏感參數(shù)及監(jiān)測(cè)手段

應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電池本體或部件的失效,但在故障發(fā)生前,電池某些敏感的參數(shù)往往會(huì)發(fā)生變化。 監(jiān)測(cè)這些敏感參數(shù),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池的劣化趨勢(shì),并進(jìn)行相應(yīng)處理。

現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)反饋得到的核電廠鉛酸電池敏感參數(shù)一般有:電池容量、電池內(nèi)阻、電解液密度、電壓、電流、電池溫度和外形尺寸等。 針對(duì)這些敏感參數(shù),核電廠通常會(huì)采用核容試驗(yàn)、內(nèi)阻測(cè)試、密度測(cè)量、浮充電壓、電流的測(cè)量等手段,監(jiān)測(cè)電池的健康狀況。 不同監(jiān)測(cè)手段的精度、任務(wù)量及執(zhí)行難度均不一樣,在實(shí)際選擇維修任務(wù)時(shí),要綜合考量并選擇合適的一種或多種監(jiān)測(cè)手段,以確保鉛酸電池的可靠性。

3.4 FMEA

將核電廠鉛酸電池結(jié)構(gòu)、所受應(yīng)力、敏感參數(shù)及監(jiān)測(cè)手段歸類,結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5-14]、國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)反饋等,對(duì)這些電池(包括排氣式和閥控式)的主要部件進(jìn)行FMEA,舉例如下:

①極板。 一般有活性物質(zhì)軟化脫落、板柵腐蝕變形、硫酸鹽化等故障模式,故障主要使得電池容量逐步降低、內(nèi)阻增大,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)板柵斷裂、短路等。 ②電解液。 主要有干涸、漏液等故障模式。 干涸會(huì)導(dǎo)致電解液濃度和內(nèi)阻增大,板柵腐蝕加速,容量下降;漏液會(huì)導(dǎo)致電池外部連接條等腐蝕,嚴(yán)重時(shí)會(huì)在外部形成通路,產(chǎn)生火花乃至燃燒。 ③匯流排。 主要有匯流排腐蝕,故障會(huì)導(dǎo)致電池開(kāi)路電壓偏低、內(nèi)阻偏高,浮充電壓出現(xiàn)不停跳動(dòng)等,容量會(huì)逐漸下降至電池失效,或匯流排發(fā)生斷裂,導(dǎo)致開(kāi)路不可用。

需要分析的部件還應(yīng)包括排氣裝置、安全閥、密封圈、隔板、電池外殼(包括槽、蓋和電池架)、極柱、其他連接部件(如連接螺栓)和水分重組閥(如有)等。 這些零部件的失效均會(huì)影響核電廠鉛酸電池的可靠性。 在開(kāi)發(fā)模板的過(guò)程中,工程師應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在的部件,適當(dāng)進(jìn)行增減。

3.5 維修任務(wù)的選擇

核電廠要進(jìn)行的預(yù)防性維修任務(wù)分為以下6 點(diǎn):狀態(tài)監(jiān)測(cè)、定期翻修、定期更換、定期試驗(yàn)、糾正維修和重新設(shè)計(jì)等。不同的鉛酸電池,使用頻率、運(yùn)行工況等有差別,實(shí)際健康狀況不同,因此,核電廠在實(shí)際管理過(guò)程中不能簡(jiǎn)單地使用單一策略來(lái)管理,而應(yīng)該結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測(cè)、定期試驗(yàn)及定期更換等,綜合評(píng)估劣化趨勢(shì)和程度,在該部件失效前進(jìn)行維修或更換處理。 結(jié)合之前的分析,為鉛酸電池各故障模式選擇合適的維修任務(wù),其中部分任務(wù)可管理多種故障模式。

3.6 模板的開(kāi)發(fā)

在上述分析的基礎(chǔ)上,需要對(duì)電池設(shè)備進(jìn)行分類,并選擇合適的維修周期。 按結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將核電廠鉛酸電池分為排氣式和閥控式兩個(gè)模板。 每個(gè)模板按重要程度分為重要設(shè)備(C)和非重要設(shè)備(N);按使用頻率,分為日常處于浮充電狀態(tài)(H)和日常充電頻率較低或僅處于自放電狀態(tài)(L);按運(yùn)行環(huán)境,分為惡劣工況設(shè)備(S)和正常工況設(shè)備(G)。 綜上所述,核電廠鉛酸電池分為以下8 種狀態(tài):CHS、CLS、CHG、CLG、NHS、NLS、NHG 和NLG。 如CHS 表示電池為重要設(shè)備,日常處于浮充電狀態(tài),工作環(huán)境較差。

周期的選擇,需要結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5-14]的建議周期,并結(jié)合電站實(shí)際執(zhí)行情況確定。 模板的周期以年(Y)、月(M)、周(W)和日(D)為單位(若只與機(jī)組啟停狀態(tài)相關(guān)的,應(yīng)備注說(shuō)明,單位為C)。 若某些任務(wù)的周期不固定,需結(jié)合其他狀態(tài)監(jiān)測(cè)的結(jié)果,則周期可標(biāo)示為AR。 如1 M 指每月執(zhí)行一次該任務(wù);3 C 指每3 次機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)執(zhí)行該任務(wù)。

按照上述分類完成預(yù)防性維修模板,其中排氣式鉛酸電池的部分成果示例見(jiàn)表1。

表1 核電廠排氣式鉛酸電池預(yù)防性維修策略模板Table 1 Preventive maintenance strategy template for vented lead-acid batteries in nuclear power plants

4 模板應(yīng)用及可靠性提升

上述基于FMEA 開(kāi)發(fā)出的預(yù)防性維修模板,不僅可為在建核電廠或尚未制定鉛酸電池維修策略的廠家確定電池預(yù)防性維修需求,還可提供制定維修策略的思路和執(zhí)行細(xì)節(jié)。在運(yùn)行的核電廠,可用此模板優(yōu)化維修策略,并為鉛酸電池可靠性管理或分析人員提供思路,推動(dòng)可靠性管理的完善。

將模板與某核電集團(tuán)近8 年來(lái)反饋的嚴(yán)重電池故障事件進(jìn)行比對(duì),發(fā)現(xiàn)除了設(shè)計(jì)缺陷及人為導(dǎo)致的2 起事件外,其余6 起故障事件均可用此模板進(jìn)行優(yōu)化,從而避免故障的發(fā)生。 換而言之,如果在8 年前使用該模板進(jìn)行優(yōu)化,在排除維修質(zhì)量等因素的影響下,電池故障將減少75%。

2013 年10 月30 日,廣東某核電站220 V 配電系統(tǒng)的大量排氣式鉛酸電池殼體發(fā)生開(kāi)裂滲液,影響上下游設(shè)備的正常運(yùn)行。 經(jīng)分析,發(fā)現(xiàn)故障原因是密封圈老化、極柱腐蝕產(chǎn)物聚積過(guò)多。 將模板與這些電池原有的維修策略進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)缺少以下維修任務(wù):沒(méi)有對(duì)密封圈/墊等密封裝置進(jìn)行維護(hù);沒(méi)有定期對(duì)電池密封性進(jìn)行檢查;沒(méi)有定期對(duì)極柱涂抹凡士林等防腐材料等。 若使用該模板對(duì)比優(yōu)化,可提前發(fā)現(xiàn)密封圈和極柱的異常,避免該故障的發(fā)生。

2017 年1 月4 日,廣東某核電站的柴油機(jī)系統(tǒng)閥控式鉛酸電池在啟動(dòng)時(shí)瞬間爆裂,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)重要設(shè)備造成傷害,給現(xiàn)場(chǎng)工作人員造成了極大的風(fēng)險(xiǎn)。 經(jīng)調(diào)查,電池爆裂的原因是內(nèi)部金屬導(dǎo)體開(kāi)裂,內(nèi)阻增大,日常缺乏對(duì)內(nèi)阻的檢查。 如果提前進(jìn)行模板與電池維修策略的分析對(duì)比,就可以發(fā)現(xiàn)該電池屬于重要、不處于浮充、環(huán)境較好的電池(CLG),按照維修模板應(yīng)該有每季度/啟動(dòng)前的電池內(nèi)阻監(jiān)測(cè)。 若提前使用該模板優(yōu)化,可避免該故障的發(fā)生。

實(shí)踐證明,該模板能找出現(xiàn)有維修任務(wù)的缺漏或不足,完善電池管理策略,避免大量因維修任務(wù)不合理或周期不完善而導(dǎo)致的電池故障事件,提高核電廠鉛酸電池的可靠性。

5 結(jié)論

本文作者根據(jù)國(guó)內(nèi)核電廠鉛酸電池的實(shí)際運(yùn)行、維護(hù)情況,采用FMEA 和維修模板相結(jié)合的方法,開(kāi)發(fā)出基于FMEA的核電廠鉛酸電池預(yù)防性維修策略模板。 分析國(guó)內(nèi)某大型核電公司近8 年的電池故障,發(fā)現(xiàn)利用該模板可減少核電廠因管理手段的缺失或不當(dāng)而造成的故障,在排除維修質(zhì)量等因素的影響下,可減少該公司電池故障達(dá)75%。

實(shí)踐證明,核電廠能運(yùn)用該模板,快速、高效地制定和優(yōu)化維修策略,顯著提高核電廠鉛酸電池的可靠性。 此外,該模板還可給從事相關(guān)工作的工作人員提供技術(shù)參考,對(duì)于固化和傳承現(xiàn)場(chǎng)維修與故障管理成功經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)核電廠鉛酸電池可靠性管理的標(biāo)準(zhǔn)化、高效化,也具有重要意義。