（核能科学与工程专业论文）核动力设备状态监测与维修方法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 为了保证设备的可靠性和延长其服役寿命，进行必要的、有效的维修是 必不可少的，随着故障诊断、状态监测等相关技术的发展和普及，为实施状 态维修奠定了基础。 反应堆主冷却剂泵是反应堆冷却剂系统中唯一高速运转的设备，又是十 分精密的、功率强大的设备。作为反应堆主冷却剂循环的主要动力来源，是 反应堆的心脏，保证其安全可靠运行十分重要。 在分析了目前状态维修实施中存在问题的前提下，本文针对反应堆主冷 却剂泵，建立了以r c m 分析为基础的融事后维修、定期维修、状态维修等为 一体的、优化的核动力设备综合维修策略，即广义的状态维修。对设备的维 修方式选择、状态监测参数选取、运行状态评价方法以及定期维修周期和状 态维修检测周期的确定等内容进行了研究。在状态评价中，建立了变权模糊 综合评价模型，很好地克服了定权综合评价模型忽略状态均衡程度的缺点。 为了较好地确定维修周期，本文还针对核动力设备的特点，考虑了各种与维 修相关的费用以及维修、故障对设备固有故障率的影响等因素，建立了定期 维修周期模型和状态维修检测周期模型。 最后，结合反应堆主冷却剂泵的相关参数和运行要求，在分析其故障机 理的基础上，利用v b 6 0 程序开发工具和a c c e s s 2 0 0 0 数据库开发工具实现程 序化，开发了主冷却剂泵状态评价及维修信息系统，实现对主冷却剂泵在线 状态评价以及维修周期计算和信息查询等功能。 关键词：主冷却剂泵：状态维修；变权综合；模糊评价：维修周期 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i t i si n d i s p e n s a b l ef o rt h ee f f e c t i v ea n dn e c e s s a r ym a i n t e n a n c et o 豇l s u r e e q m p m e n tr e l i a b i l 时a n d e x t e n di t ss e r v i c e l i r e ，t h ed e v e l o p m e n ta n d p o p u l a r i z a t i o no ft e c h n o l o g i e sr e l a t e dt of a u l td i a g n o s i s ，s t a t em o n i t o r i n gp r o v i d e c o n d i t i o n - b a s e dm m n t e n a n c et h ef o u n d a t i o ni ni m p l e m e n t n 硷r e a c t o rc o o l a n tp u m pi st h eo n l yh i g h s p e e do p e r a t i o ni nt h er e a c t o r c o o l a n ts y s t e m ，a n dv e r yp o w e r f u lp r e c i s i o ne q u i p m e n t b e i n gt h em a i np o w e r s o u r c eo fr e a c t o rc o o l a n tc i r c u l a t i o n i ti st h eh e a r to fr e a c t o r s oi ti sv e r v i m p o r t a n tt 0e n s u r ei t ss a f e t ya n dr e l i a b l eo p e r m i o n a f t e r a n a l y z i n g t h e e x i s t i n gp r o b l e m s o fc u r r e n tc o n d i t i o n - b a s e d m a i n t e n a n c e ，t h ep a p e rp r e s e n t e da no p t i m i z a t i o nc o m p r e h e n s i v em a i n t e n a n c e s t r a t e g yo fn u c l e a rp o w e re q u i p m e n ti n t e g r a t e dw i t hc o r r e c t i v em a i n t e n a n c e ， r e g u l a rm a i n t e n a n c ea n dc o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c eb a s e do nt h ea n a l y s i so f r c ma i m e da tt h er e a c t o rc o o l a n tp u m p t h es e l e c t i o no fe q u i p m e n tm a i n t e n a n c e m o d e 。m o n i t o r i n gp a r a m e t e r s ，o p e r a t i o ns t a t ee v a l u n t i o nm e t h o da n dr e g u l a r m a i n t e n a n c ec y c l e ，t h ec o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c ed e t e c t i n gc y c l ew e r es t u d i e d i nt h i sp a d e r i nt h es t a t ee v a l u a t i o n , ac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e lb a s e do n v a r i a b l ew e i g h ta n df u z z yt h e o r yi se s t a b l i s h e d ，w h i c hs o l v e st h es h o r t e o m i n go f i g n o r i n gp a r a m e t e r sb a l a n c e di nt h es t a t ee v a l u a t i o ni nu s i n go ff i x e dw e i o a t i n d e t e r m i n a t i o no ft h em a i n t e n a n c ec y c l e ，i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fn u c l e a r p o w e re q u i p m e n t c o n s i d e r i n ga l l t h ec o s t sa s s o c i a t e dm a i n t e n a n c ea n dt h e e q u i p m e n tf a u l t t l l ee f i e c to fi n h e r e n tf a u l tr a t eb e c 孤l s eo fm a i n t e n a n c ea n dt h e e q u i p m e n tf a u l t ，t h er e g u l a rm a i n t e n a n c ec y c l em o d e la n dt h ec o n d i t i o n b a s e d m a i n t e n a n c ed e t e c t i n gc y c l em o d e lw e r ee s t a b l i s h e d i i lt h e 正c o m b i n i n gt h er e l e v a n tp a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gr e q u i r e m e n t so f t h er e a c t o rc o o l a n tp u m p ，t h ep r o g r a mw a sa c h i e v e du s i n gv i s u a lb a s i c6 0a n d a t e s s2 0 0 0d a t a b a s eo nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ef a u l tm e c h a n i s m r e a c t o r c o o l a n tp u m ps t a t ee v a l u a t i o na n dm a i n t e n a n c ei n f o r m a f i o ns y s t e m sw a s d e v e l o p e dw h i c hc a nc a r r yo u to n l i n ee v a l u a t i o no f t h er e a c t o rc o o l a n tp u m pa n d m a i n t e n a n c ec y c l ec a l c u l a t i o na n di n f o r m a t i o ni n q u i r y k e yw o r d s ：r e a c t o rc o o l a n tp u m p ；c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ；v a r i a b l e w e i 【g h ti n t e g r a t i o n ；f u z z ye v a l u a t i o n ；m a i n t e n a n c ec y c l e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：壅窒签 日期：沙7 年月加日 哈尔滨下程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 核动力装置技术密集度高，造价昂贵。并且核反应堆具有潜在的危险性， 一旦发生事故，其对经济和社会的影响将十分严重。主冷却剂泵作为核动力 装置的重要设备之一，提高其运行的安全性、可靠性具有特别重要的实际意 义。如果能够及时预测设备的可靠性及安全性，就可以提前做好预防性的工 作，譬如进行预防维修、状态维修( 预测维修) ，延长设备寿命。 核动力设备的运行，需要人员操作、监控和维护。人与核动力设备及周 围的环境构成一个复杂的人机环境系统。核动力设备能否安全、可靠运行， 既依赖于人机系统中各要素及其之间的协调关系，又取决于核动力设备本身 的可靠性。显然，要提高核动力设备运行的安全性和可靠性，应从两方面来 考虑：一是装置自身的因素；二是人的因素。要保证核动力设备本身的可靠 性，有两种途径：一是增加核动力设备每一个组成部分的可靠性；二是通过 采用可靠性理论中的冗余技术，如对有些设备采取备用方法。对于已有的设 备，其中增加组成部分的可靠性需要通过状态监测、故障诊断、维修等手段， 因此维修是最终必须做的工作。从一个完整的设备管理体系来看，状态监测 是整个维修过程的一部分。状态监测、故障诊断都是为了保证或恢复设备可 靠性而进行合理维修所做的前期工作，不夸大的说，生产和维修是统一的， 两者是相互促进的。所以从安全、经济上考虑，对核动力设备进行维修方法 的研究是很有现实意义的。 1 2 课题研究的目的与要求 本课题的目的就是为了保证核动力设备运行的安全性和可靠性，建立一 个对设备的运行情况进行实时的监测、状态评价以及维修决策，以实现在设 备故障未发生之前及时的进行主动维修，切实达到延长维修间隔、提高设备 可靠性和可用率、延长设备寿命、降低运行维修费用的目标。 本课题要求通过对核动力设备运行状态的监测及故障特性的分析，建立 设备状态评价和维修周期确定模型，利用可对系统运行状态评价及危机报警 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和维修决策的方法，实施状态维修，避免重大事故发生所造成的巨大经济损 失。由于核动力设备是一个非常复杂的大系统，如果通过实测来研究系统的 故障特性是非常困难的，而且也不经济，而采用系统建模仿真实验来研究则 较简易而且经济实用，因此通过模拟主冷却剂泵试验，得到运行状态参数， 采用有效的状态评价模型实现对设备状态的评价，对维修决策提供有力的依 据，同时实现维修周期的优化计算。 1 3 维修体制及实施状态维修的必要性 1 3 1 维修概述 在维修体制演变的过程中，根据不同的行业特点、不同的设备管理要求， 出现了各种追求不同具体目标的维修方式。但就维修体制而言，主要有事后 维修、预防性计划维修和状态维修或预测维修。有的书籍中还加了一种 改进性维修。下面对这些维修体制以及一些具体维修方式做一介绍“1 。 事后维修( c o r r e c t i v em a i n t e n a n c e l 事后维修是当设备发生故障或其它失效时进行的非计划性维修。在现代 管理设备要求下，事后维修仅用于对生产影响极小的非重点设备、有冗余配 置的设备或采用其它维修方式不经济的设备。这种维修方式又称为故障维修。 预防性计划维修( p r c v c n t i v e m a i n t e r m n c e ) 2 0 世纪6 0 7 0 年代，由于设备的生产效率越来越高，突发故障所造成的 损失也越来越大，因此如何避免和减少损失就成为十分突出的问题，于是逐 步形成了预防维修系统。预防性计划维修是一种以时间为基础的预防维修方 式，也称计划维修，或叫定期维修。它是根据设备磨损的统计规律或经验， 事先确定维修类别、维修周期、设备维修内容、维修备件及材料等的维修方 式。定期维修适合于已知设备磨损规律的设备，以及难以随时停机进行维修 的流程工业、自动生产线设备。其大小修的项目内容、周期、工期均按行业 主管部门颁发的统一规定的规程执行，对设备实施事前的定期、全面维修， 其中包括对一些零部件的更新，达到使机组功能几乎全面恢复的目的。 状态维修( c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ) 又叫预测性维修( p r e d i c t i v e m a i n t e n a n c e ) ，8 0 年代以来，设备监测技 术得到广泛应用，人们对故障模式及其影响进行了较深入的分析，同时企业 对设备的可靠性、对维修的成本效益比的要求也越来越高。因此监测设备状 哈尔滨工程大学硕士学位论文 态、在设备发生实质性故障之前及时进行维修的方式，即状态维修得到了越 来越多的重视和应用。 改进性维修( i m p r o v m e n t - m a i n t e n a n c e ) 改进性维修是为了消除设备的先天性缺陷或频发故障，对设备的局部结 构或零件的设计加以改进，并结合维修过程实施的维修方式。严格说来，它 并不是一种维修体制，所以它很难划入上述三种体制，改进性维修通过检查 和修理实践，对设备易出故障的薄弱环节进行改进，改善设备的技术性能， 提高可用率。与技术改造针对补偿设备的无形磨损相比，改进性维修是要通 过改进和提高设备的可靠性、维修性来提高设备的可用率。 国内外在现行维修体制下根据各自的国情，采用的设备维修方法呈现出 多样化的格局。3 ，如事后维修、计划维修、改进性维修、维修预防( m p ) 、适 应性维修( a m ) 、以利润为中心的维修( p c m ) 、以可用率为中心的维修( a c m ) 、 全面维修( t p m ) 、以可靠性为中心的维修( r c m ) 、全面计划质量维修( t p q m ) 、 费用有效维修( c e m ) 、状态维修( c b m ) 等等。这些维修方式都是指具体方式、 方法，而非前面提到的维修体制，每种维修体制都包含多种维修方法，而有 些维修方式又跨越了不止一种维修体制。 1 3 2 我国维修体制现存问题及实施状态维修的必要。性 我国企业的设备管理体系，以电力企业为例，长期以来采用的是以事后 维修、预防性计划维修为主的计划预修体制。这种维修体制是按照设备的不 同维修周期进行大修、中修、小修或检查，维修项目、时间安排、维修周期 均由上级主管部门根据经验制定。它曾经是适应我国生产力发展水平的一种 维修体制。但随着设备复杂程度和管理要求的发展，现行维修体制的缺陷越 来越突出地表现出来，主要有： 维修过剩，对于设备状态较好的电力设备，有些设备在大修过程中所能 检测到的品质下降微乎其微，例如只有外观变化，所以进行了不必要的维修， 因此造成人力、物力、财力的浪费，甚至引起维修故障，导致维修成本的上 升。 维修不足，设备由于某个原因未能坚持运行到下一次计划安排的维修周 期而产生局部故障，但是受到维修计划的限制，带病运行，有时故障的恶化 造成维修代价以及非正常停机损失同时增长。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 临时维修频繁，一些缺陷较多的机组常常不能适应由主管部门统一制定 的维修计划安排，无法坚持运行到预先安排的维修时间而被迫停运，进行事 故维修，导致维修计划打乱。 盲目维修，根据计划维修的标准项目和依靠经验制定的部分非标准项目 进行维修，往往不能真正地做到对症下药，缺乏科学性，机械照搬标准，导 致不该修的修了，该修的没修或修了反而运行工况更差等问题。 由于认识到了这些问题，目前我国不少企业已经开始进行维修体制改革， 逐步推行状态维修，这种维修方式是建立在管理方式和科学技术进步、尤其 是状态监测和诊断技术的发展的基础之上，以当前设备的工作状况为依据， 而不以传统的设备工作时间为依据，在设备状态监测的基础上，根据监测和 分析诊断的结果安排维修时间和方式。 我国广东大亚湾核电站于1 9 9 8 年开始引进e n t e k - i r d 预测性维修系统来 监测设备的运行状态i 分析设备的健康状态和诊断设备故障，并逐步提出修 正定期维修的建议和安排状态维修。 目前，预测性维修在核电站还处于起步阶段，许多理论和应用方面还不 成熟，但随着核电站的发展，预测性维修将会在今后的维修活动中发挥越来 越重要的作用。 1 4 状态维修发展现状及存在问题 1 4 1 状态维修概述 任何设备发生故障前均有一些征兆。例如：轴承故障前的振动信号、异 常声响信号，润滑油内金属颗粒信号的异常变化等。设备由正常状态到故障 发生，其状态信号有一个发展变化过程。故障萌发点代表刚刚出现故障， 没有明显征兆，潜在故障点p 有明显征兆，f 点代表设备丧失功能的故障发生 点，由潜在故障点p n 功能故障点f 通常都会有段或长或短的时间，如图1 1 所示。通过监测其状态参数，就可以捕捉到故障萌发点或潜在故障点的状态 参数变化，从而进行分析，发现故障部位、性质及变化规律。 状态维修是从预防性维修发展而来的更高层次的维修体制，以当前设备 的工作状况为依据，而不以传统的设备工作时间为依据，通过先进的状态监 测手段，可靠性评价及故障诊断和趋势分析技术的支持，判断设备的状态， 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 识别故障的早期预兆，对故障部位及其严重程度、故障发展趋势作出判断， 并根据诊断分析结果进行维修决策。国际上对c b m 的定义是：通过测量设备的 工作状态，构建一套设备维修的策略，以预计设备在未来是否会工作不正常。 如果运行中出现异常，能给出相应的措施以避免异常带来的问题。设备维修 策略指一些例行任务及其执行时间的选择，设备维修策略的目标是保证设备 实现既定功能，延长服役寿命。 正 设备运行时问 故障点f 图1 1 设备故障过程的状态信号变化 实施状态维修的基础是实现在线状态监测和故障诊断。它所需技术条件： 复杂大系统可靠性评价。先进的传感技术先进的传感器是实现预测性 维修的重要手段，也是一个长盛不衰的研究热点。因为故障诊断技术的发展 首先决定于能否获取尽可能多的有用信息。信息采集处理技术。由于状态 监测所选用的传感器，一般是非侵入式的，不影