核电站DCS设备可靠性及维修策略分析

引言

随着工业自动化的发展,分布式控制系统(DiStributedControlSyStem,DCS）在核电站得到了广泛应用。在核电站机组运行中,DCS设备可靠性对核电机组的安全运行有着直接影响。本文将阐述DCS设备维修策略的制定原则和方法,并结合某核电站非安全级DCS设备故障案例,分析研究DCS设备的可靠性管理。

1DCS设备维修策略及制定方法介绍

设备维修的目的是希望能够保持或者恢复设备最初的设计功能。按照维修类型可将维修分为预防性维修和纠正性维修。预防性维修管理的设备故障率呈现时间性及规律性,一般预防性维修应当遵循的原则有:(1）有公认的老化故障模式:(2）故障后果严重。纠正性维修适用原则是设备可运行至失效,可简单理解为故障后果可以接受,允许设备运行至出现故障后进行维修处理。图1是增加预防性维修大纲的流程图。

2故障模式分析

故障模式包括与时间相关的老化故障模式以及与时间无关的随机故障模式两大类型。老化故障是指故障率会随设备运行时间的增长而发生具有时间和周期性规律的失效,与设备及部件自身的材质、特性、运行环境等因素相关。随机故障是指故障发生的频率和时间都不固定,一般与生产工艺、制造缺陷、人为原因等有关。

故障模式又可分为显性故障和隐性故障。设备故障是显性还是隐性,取决于系统的设计配置,与设备类型没有直接关系。通常情况下显性故障是指设备出现故障后可以通过报警、或其他方式能够发现故障,反之则为隐性故障。

案例:某核电站在2018年6月20日主控触发KIC114KA报警信息,非安全级网关L2-A死机,该网关负责LEVEL2层网络非安全级DCS信息至安全级DCS的信息传递。本次网关故障现象为无法正常启动。经专业机构检测,确定造成本次故障的直接原因是网关主板故障,且硬盘存在坏道,其故障根本原因为网关主板、SSD固态硬盘老化。

网关的主要部件主板、硬盘都有老化故障模式,其中主板的绝缘材料受运行时间和环境的影响而绝缘逐渐降低或损坏,该故障与时间有关,由主板材质因素决定:其硬盘为SSD固态硬盘,设计有固定擦写次数,硬盘连续运行擦写有坏道的故障模式,且与运行时间直接相关,SSD硬盘老化由硬盘材质固有特性和产品设计决定。主板老化的故障会导致网关无法启动或死机,该故障出现后可以被发现,所以为显性故障。SSD固态硬盘老化故障导致数据不能存储或丢失,该故障出现后无法被发现,所以为隐性故障。表1为某核电站运维反馈的DCS部分设备的故障现象和故障模式。

3故障后果分析

核电站故障后果主要涉及法律法规、环保、核安全、工业安全、运营成本等方面内容,具体包括:

(1）法规:核安全法、环境保护法、运行规范、行业规范等方面的要求。

(2）安全:导致核安全降级,导致工业安全风险,影响重要冗余度。

(3）生产影响:导致停机停堆,导致降负荷。

(4）非生产影响:维修成本显著增加等。

故障后果分析从设备管理的可靠性和经济性为出发点,既考虑必须保证核电站运行的安全性、可靠性,又要在此基础上兼顾机组运维成本的经济性。如果设备故障所产生的后果危及核电站安全、人身安全,破坏环境等,就需要投入资源对设备进行预防性维修管理。如果设备故障后既不对核电机组、系统的安全运行造成任何影响,也不会造成人身伤害、环境破坏等,可以在设备运行至故障后进行纠正性维修,节省物料、时间和人力成本。

上述案例中L2层网关故障后无法实现非安全级DCS信息至安全级DCS信息的传递作用,包括S-VDU操作窗口的调用、S-VDUP/T操作处理信号。L2层网关为冗余配置,单一故障影响网关的冗余性,触发KIC5第二组I/o:违反了核电站运行规范的程序要求,所以该故障后果不能被接受。这里还要考虑如果冗余切换失败,出现双重故障导致的隐性故障后果,所以需要将冗余部件也纳入管理中同步考虑。

4维修任务的选择

制定维修任务的原则是针对已知的故障模式要以预防性为主,定期检查或更换、翻修,尽早发现和管理可能引起严重后果的故障。案例中对于网关的老化故障,定期更换是最有效的方法:同时网关老化故障也是随机故障,可根据执行条件安排网关定期切换试验。

5维修任务的周期制定

制定合理的维修任务执行周期,不但可以有效管理设备故障,还能避免过度维修,最大限度地节约维修成本。案例中的网关定期更换按照厂家建议的周期是5年,但通过分析某核电站1号机组自2006年DCS上电以来,直到2018年运行12年后开始陆续出现网关故障的反馈,如果按照厂家5年的更换建议,则存在过度维修的情况。根据运维反馈可以判断网关老化周期及可靠性运行的时间大于10年,所以网关定期更换周期为10年更合适。

6结语

核电站的DCS控制系统庞大,其设备可靠性对核电站的安全运行至关重要。DCS系统由多种类型设备组成,在设备可靠性管理及制定维修策略时应充分考虑差异性,结合故障模式制定合理的维修任务,从而提高设备的运行可靠性。本文虽然只举例了一个网关故障,但在DCS设备管理思路上具有典型意义,希望能为同行的设备可靠性管理提供参考。