王銘昌，李 楠

（蘇州熱工研究院有限公司，廣東深圳 518026）

0 引言

設備管理是核電廠高效、安全、可靠運行的重要組成部分。核電廠是一個復雜的工業(yè)系統(tǒng)，其設備數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)復雜、性能要求高，且連續(xù)在線運行。如此復雜的系統(tǒng)必然存在設備發(fā)生偏差或故障的風險及可能。當設備發(fā)生故障時，如何制定有效糾正措施是防止此類事件重發(fā)的關鍵。為保證制定的糾正措施能夠防止設備故障重發(fā)，需要對設備故障進行根本原因分析[1-3]，以透過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)。

RCA（Root Cause Analysis，根本原因分析）是國際領域先進的事件原因分析方法，該分析方法在核工業(yè)、航天工業(yè)及石油化工等工業(yè)領域廣泛應用。國外根本原因分析方法眾多，如APOLLO、TapRoot等[4]。國內(nèi)主要通過學習借鑒國外研究經(jīng)驗，也取得了一定成果。蘇州院RCA 團隊研究總結(jié)國內(nèi)外RCA 分析案例和經(jīng)驗，結(jié)合10 多年的分析經(jīng)驗，形成了自主的分析方法——六步驟法。

1 根本原因分析方法

RCA 分析方法——六步驟法，主要包括6 個步驟：事件確認，數(shù)據(jù)收集，故障模式分析，確定原因，制定糾正行動以及效果評估[5]，每個步驟又包括多個子步驟，具體分析流程如圖1 所示。該方法已成功應用于國內(nèi)核電廠300 多項重大設備事件分析，在核能行業(yè)得到了廣泛認可。該方法在石油化工領域也有應用，并取得了不錯的效果。

圖1 六步驟法分析流程

2 根本原因分析案例

以某核電廠GCT（汽輪機旁路排放系統(tǒng)）系統(tǒng)閥門紊流罩破裂為例，闡述該方法在核電廠設備故障分析中的應用流程和實施過程。

2.1 事件確認

事件確認是開展根本原因分析的首要環(huán)節(jié)，決定了根本原因分析的目的，范圍和深度。事件確認要確認事件，包括事件的過程、后果與性質(zhì)等，對事件進行篩選分級。某核電廠GCT 系統(tǒng)閥門紊流罩破裂事件確認如下。

2016 年，某核電廠1 號機組臨停檢修期間，對GCT121VV進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)GCT121VV 閥門紊流罩破損嚴重（圖2），破損碎片約為40 塊。GCT121VV 閥門紊流罩一旦發(fā)生破裂，可能導致破裂的碎片進入下游凝汽器，進而導致凝汽器鈦管磨損破裂。因此，需要對GCT 閥門紊流罩破裂原因進行根本原因分析，以避免事件重發(fā)。

圖2 GCT121VV 破裂紊流罩

汽輪機旁路排放系統(tǒng)（GCT）作用是將多余的蒸汽排往冷凝器、除氧器和大氣，避免核蒸汽系統(tǒng)超溫、超壓，確保機組安全。GCT121VV 閥門是每次啟停機GCT 系統(tǒng)首先動作的閥門。該閥門類型是帶紊流罩的籠形先導式調(diào)節(jié)閥，紊流罩作用是防沖刷與減噪。

2.2 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集包括實物證據(jù)、數(shù)據(jù)記錄及設計制造圖紙、調(diào)查訪談以及經(jīng)驗反饋。數(shù)據(jù)收集是根本原因調(diào)查分析的重要步驟之一，貫穿于整個事件根本原因分析的始終。

針對紊流罩破裂事件，現(xiàn)場收集了破裂紊流罩樣品和紊流罩套筒數(shù)據(jù)信息，梳理統(tǒng)計了閥門開啟次數(shù)及帶負荷運行時間，并對比分析同類型機組相同功能位置紊流罩檢查情況等。查詢經(jīng)驗反饋信息可知，國內(nèi)同類型機組相同功能位置共有6 個紊流罩發(fā)生破裂。

2.3 故障模式分析

根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)信息和設備相關經(jīng)驗反饋，分析設備問題征兆，列舉所有可能故障模式。針對所列故障模式分析收集數(shù)據(jù)，借助合適的工具和數(shù)據(jù)庫，通過分析驗證等以確定最可能的故障模式。

針對此次GCT121VV 紊流罩破裂事件，列舉可能故障模式為材料缺陷、設計問題、制造加工缺陷、安裝不當和運行工況異常等。根據(jù)所列故障模式對GCT121VV 紊流罩進行金屬學分析、安裝分析、運行數(shù)據(jù)分析和綜合分析等分析工作。

2.3.1 金屬學分析

（1）宏觀觀察：各電廠紊流罩破裂特征相似，紊流罩斷口及整體均呈現(xiàn)為脆性斷裂特征。

（2）微觀觀察：通過對破裂紊流罩斷口微觀形貌和擴展觀察得出如下結(jié)論：①斷口具有明顯的疲勞開裂特征，且為脆性斷口；②由裂紋棱線擴展方向，確定斷口源區(qū)位于下部凸臺；③源區(qū)原始機加工條紋已消失，可以推斷紊流罩底部材料存在碰撞缺失。破裂紊流罩微觀圖像如圖3 所示。

圖3 破裂紊流罩微觀圖像

（3）金相分析：各紊流罩化學成分均符合ASTM（美國材料與試驗協(xié)會）A351/A351M 標準（316 不銹鋼鑄件）的要求。

（4）力學性能分析：各電廠紊流罩的抗拉強度、屈服強度和延伸率均滿足標準要求。

2.3.2 制造尺寸分析

紊流罩現(xiàn)場安裝結(jié)構(gòu)如圖4 所示，紊流罩安裝在套筒的凸臺上，紊流罩底部和套筒之間上下左右均存在間隙。

圖4 紊流罩現(xiàn)場安裝結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場用千分尺對套筒底部圓周直徑D1，套筒高度H1進行測量。在備件庫選取同批次紊流罩備件，測量其底部凸臺外徑d1以及高度h1。由測量數(shù)據(jù)可知：①下部凸臺水平間隙量部分實測值為0.66～0.72 mm，不滿足廠家設計值；②下部凸臺垂直間隙量為3.879 mm，滿足廠家設計值。

2.3.3 安裝偏差影響分析

紊流罩頂部平臺舊墊片受壓后存在厚度不均勻現(xiàn)象，會造成水平偏斜。經(jīng)計算分析，底部水平偏斜量最大可達到0.116 mm。分析表明，現(xiàn)場安裝偏差會導致底部水平間隙量進一步減小，墊片不均勻壓縮及安裝偏差造成紊流罩偏斜（圖5）。

圖5 安裝偏差造成紊流罩偏斜

2.3.4 運行數(shù)據(jù)分析

（1）振動異常分析：GCT121VV 閥門管道振動情況與其他閥門管道振動相比，不是振動最大的管道，不存在振動異?，F(xiàn)象。

（2）系統(tǒng)超溫超壓分析：上游主管段溫度最大值為290 ℃，壓力最大值為7.42 MPa。溫度及壓力未出現(xiàn)過超出設計值的現(xiàn)象。

（3）水錘影響分析：GCT121VV 閥前設置疏水箱，疏水箱位置低于主管道。另外閥籠無異常，排除閥前積水沖擊的影響。閥后管道坡度為0.5%，且閥后減溫減壓器位于閥門下游凝汽器內(nèi)，正常運行下，凝汽器為真空，閥后積水影響可排除。

通過以上分析，運行工況異常導致紊流罩破裂的可能性低。

2.3.5 紊流罩受力分析計算

通過建立有限元模型，對閥門不同開啟方式對應的紊流罩受力及變形量進行模擬分析。閥門快開工況下，最大應力和最大變形量均明顯超出紊流罩底部間隙量。最大應變位置位于紊流罩出口處下端，與紊流罩下部磨損位置吻合。紊流罩在快開工況下有限元分析應變?nèi)鐖D6 所示。

圖6 快開工況下受力分析

2.3.6 綜合分析

綜合以上分析，對故障模式的可能性高低排查見表1，紊流罩存在制造偏差和在快開工況下的適應性差可能性高。

表1 故障模式的可能性

2.4 確認原因

確認根本原因是對故障模式應逐項進行排除論證并逐層分析，直至確認根本原因為止。分析流程是從所有可能故障模式中確定直接原因，進而分析出導致這一直接原因的間接原因、促成原因和根本原因。事件和原因因素圖（E&CF）分析是事件調(diào)查分析中一種很強有力的分析工具。它可應用于各類事件及對多重復雜原因因素的分析。

根據(jù)故障模式分析，可以確定GCT121VV 閥門紊流罩破裂的直接原因為紊流罩下部凸臺與套筒接觸磨損區(qū)萌生裂紋源。GCT121VV 閥門紊流罩破裂的根本原因為紊流罩底部間隙量小于設計要求；紊流罩在閥門快開工況下的適應性差。GCT121VV閥門紊流罩破裂的原因如圖7 所示。

圖7 GCT121VV 閥門紊流罩破裂原因

2.5 糾正行動

糾正行動是指為了消除或改善事件后果、事件根本原因、促成因素和其他不利條件所采取的改進行動，以及所有其他用于改進核電廠管理和運行質(zhì)量而采取的措施。

針對GCT121VV 閥門紊流罩破裂的根本原因制定相應糾正行動（表2）。

表2 GCT121VV 閥門紊流罩破裂糾正行動

2.6 效果評估

對完成的根本原因調(diào)查分析和糾正行動的有效性應進行評估驗證，以確定根本原因分析的總體質(zhì)量。效果跟蹤目的在于對糾正行動的實施情形進行記錄，確保所有糾正行動按計劃落實，以及證實糾正行動的適宜性和有效性。糾正行動實施后，解體檢查GCT121VV 閥門紊流罩未發(fā)現(xiàn)破裂，證實糾正行動的有效性。

3 總結(jié)

設備故障分析是核電廠設備管理的重要組成部分。本文介紹了中廣核集團自創(chuàng)根本原因分析——六步驟法。應用六步驟法分析了某核電廠紊流罩破裂事件，并對列舉的紊流罩破裂可能的故障模式進行逐一分析，確定了紊流罩破裂的根本原因，制定了相應糾正行動。通過實踐驗證，該方法在核電廠設備故障管理中效果顯著，有助于核電廠高效、安全、可靠運行。