浅析核电站安全级数字化仪控系统机柜盘台设计制造及应用.doc

浅析核电站安全级数字化仪控系统机柜盘台1设计制造及应用吕占龙 叶婷（北京广利核系统工程有限公司，北京100094）摘 要：数字化仪控系统（DCS）是核电站的神经中枢系统。本文以辽宁红沿河#3#4 CPR1000核电机组安全级DCS首次使用国产化机柜盘台为背景，系统性总结并阐述了在安全级DCS机柜盘台国产化进程中从设计、制造到应用过程的若干重要环节，供安全级DCS机柜盘台设计、采购及外协加工管理、质量保证、质量控制、项目管理相关人员参考。关键词：数字化仪控系统 DCS 安全级 机柜 盘台 设计 样机 鉴定 量产 1 背 景红沿河核电站为我国东北首个单机百万千瓦核电站，其#3#4机组安全级DCS使用的机柜盘台由北京广利核系统工程有限公司（CTEC）进行设计及制造。单台机组的安全级机柜数量如下表： 1本文中的机柜盘台并不包含机柜盘台内的其它电气及安装设备，即柜盘体本身的机械结构件。系统数量(台)尺寸（W*D*H）用途RPC I/II/III/IV18800*900*2300反应堆保护ESFAC Train A/B8800*900*2300安全专设SLC Train A/B21800*900*2300逻辑驱动SFOC Train A/B8800*900*2300操作显示RELAY Train A/B14800*900*2300继电器驱动CCMS Train A/B2800*900*2300堆芯监视SR Train A2800*900*2300安全相关RPCC2800*900*2300堆功率控制DAC1600*900*2300多样性驱动PDP76600*550*1900600*900*2300配电柜机柜数量总计89 台(注:上述部分系统为非安全级,但由于为同一类型机柜,故一并按安全级产品进行设计生产)单台机组的安全级盘台数量如下表：系统数量用途BUP1套后备操作盘OWP1套核岛/常规岛/值长/安工操作台RSS1套远程停堆站安全级DCS的机柜盘台，是关键的制造设备，也是DCS的关键路径。其顺利制造完毕，可为项目后续的装配、测试的顺利开展提供前提条件。其从开始设计到量产，直到为核电站供货，期间历时长、质保要求严格、加工难度大、参与接口众多，是个系统工程，最重要的是需要从整体上进行合理规划。2 安全级DCS机柜盘台设计到量产中主要活动1) 取得民用核安全设备设计许可证；2) 设计研发量产立项及组织确认；3) 设计研发质保大纲及质量计划发布；4) 需求分析；5) 工艺路线确认；6) 图纸设计及发布；7) 取得民用核安全设备制造许可证；8) 外协厂选择；9) 鉴定用样品制造；10) 鉴定试验及总体鉴定结论；11) 量产外协厂确定及合同签订前准备工作；12) 合同签订；13) 外协生产过程的质保大纲及质量计划发布；14) 制造先决条件审查确认；15) 量产及进货检验。3 主要活动中的若干重要环节探讨3.1 设计开始前的准备工作3.1.1熟悉我国核安全法律法规体系。我国的核安全法律法规是一个庞大的体系，涉及内容较多，由国家法律、国务院条例、核安全部门的部门规章等组成，见下图：其中2007年由国务院500号令发布的民用核安全设备监督管理条例第二条中规定：本条例所称民用核安全设备，是指在民用核设施中使用的执行核安全功能的设备，包括核安全机械设备和核安全电气设备。第十二条中规定：民用核安全设备设计、制造、安装和无损检验单位应当依照本条例规定申请领取许可证。第十九条中规定：禁止无许可证擅自从事或者不按许可证规定的活动种类和范围从事民用核安全设备设计、制造、安装和无损检验活动。所以，在设计、制造前，必须分别取得民用核安全电气设备设计、制造许可证。由于取证时间较长，在整体进度规划时要考虑。3.1.2熟悉核质保体系，了解合同要求及相关标准法规核电厂质保保证安全规定（HAF003）是要求涉核安全的企业必须贯彻执行的质保法规体系，其比ISO9001有更严格的要求，且是以法规形式强制执行。一般在取得设计、制造许可证时企业就应该已经建立建全了相关质保（QA）体系。核安全导则HAD是指导性文件，但由于其是经过实践总结出来的良好方法，在过程中应注意严格执行导则内容。需求、合同及相关标准法规中的规定，在设计之初要仔细研读，避免有遗漏，必要时寻求专家支持。同时也要注意核安全文化的培训和疏导，使团队建立一种良好的核安全文化氛围。3.1.3质保大纲及质量（控制）计划设计研发立项后，根据HAF003及HAD003相关要求，要及时发布项目质保大纲和质量控制计划，且要得到核设施营运单位审查同意，具体方法可参考相关HAD003导则。由于质量计划有其他相关方的签点（R点、W点、H点）或见证，发布前要充分沟通，比如哪些鉴定内容要用实际试验验证，哪些鉴定内容可以用仿真分析等，确保各方意见一致。3.1.4关键工艺及验收标准制定关键工艺是设计过程必须要重点关注的，考虑的主要方面有：1) 工艺简单且国内企业加工可行；2) 抗震、环境等鉴定要求的具体实现方式；3) 盘柜体材料的确定；4) 框架成型工艺的确认；5) 焊接变形如何控制；6) 防腐及表面处理工艺；7) 关键工艺辨识；8) 关键尺寸辨识；9) 验收标准制定，尤其注意产品控制上下限值和规格上下限（验收合格线）值的制定；10) 盘柜体运输（底座及吊梁安装拆除等）；11) 安装固定方式（焊接、螺装等）。要遵循的最重要原则是在满足性能需求的情况下如何使工艺最简化，这个矛盾处理的越好对后续鉴定、量产越有利。3.1.5图纸设计及发布应严格按照质量控制计划执行，图纸的质量一定要高，注意避免图纸标注不清晰、漏标、错误等情况发生，QC人员审查时一定也要给予重点关注。发布前要进行一系列的仿真分析（比如抗震、散热等），只有仿真分析通过方可生产鉴定用样品。对于抗震鉴定试验，特别注意不同厂址不同反应堆的设计会造成核电站地震响应谱不同，对不同厂址核电站的地震相应谱要综合考虑，且要有一定的裕量，避免日后进行二次鉴定或者重新设计的情况发生。同时还要调研国内试验台能否满足鉴定需要，比如地震试验台的最大载重，最大加速度等因素。3.1.6外协厂选择由于CTEC没有自己的钣金加工厂，故在取得民用核安全电气设备制造许可证之时，就选择了机械结构件外协（不是外包）加工，即外协厂需要严格按照CTEC图纸及加工要求进行加工，并在加工过程中符合核质保体系的要求。基于国内核行业及钣金加工业的现状，外协厂的选择要重点关注以下几个方面：1) 外协厂的质量保证及质量控制体系是否完备；2) 实际加工能力及业绩；3) 外协厂领导对该项目的重视程度。外协厂的选择是非常重要的一环，甚至能直接决定项目的成败，建议选23家符合要求的外协厂进行打样。3.1.7鉴定样品制造鉴定样品除了要完成鉴定外，还有以下几方面的意义，也要值得关注：1) 外协厂充分了解核质保体系；2) 检验工艺可行性；3) 进行工艺验证（比如焊接工艺评定、表面处理的盐雾试验、百格试验等验证）；4) 检验验收标准的可执行性；5) 进行装配验证；6) 更好的了解外协厂并为量产外协厂确认提供判断依据。样品制造的过程中一定要严格按照核质保HAF003体系进行管理，尤其是对人、机、料、法、环整体管理，以及对设计变更和不符合项进行控制，对制造期间形成的记录文件要按照HAF003的记录要求提前进行规划，最终形成每台机柜盘台可追溯性的完工报告。期间对外协厂的培训、辅导要有规划，分阶段有步骤的实施。必须指出，这个阶段是至关重要、承前启后的一步，无论是设计方还是外协厂，包括双方领导和项目团队，都必须给予足够的且应有的重视，否则最终可能会因此环节的重视不够，而造成量产的产品报废、返工或重新评价等后果。这个阶段，强烈建议主要设计人员和品控人员要自始至终驻厂，不满足长期驻厂条件的，也必须做到充分交流并按质保要求进行样品制造。对样品制造时期，在每个外协厂中各个阶段出现的问题都要认真分析、评估影响后进行改进并要有效记录。样品完成后要召开设计及品质控制的经验总结及改进会议。3.1.8鉴定试验及总体鉴定结论尽管在开发质量计划中已经和相关方充分沟通并规定好应该做哪些鉴定试验，但具体执行时还要注意以下方面：1) 鉴定大纲、程序文件要经过相关方的认可；2) 鉴定试验的准备工作要充分；3) 鉴定设备要齐全，避免日后因为遗漏一两个还需要重新鉴定事项发生；4) 试验时要去掉安装在盘柜上的起吊用具（比如吊梁）；5) 要严格按照核级产品要求的工艺进行设备装配以及底座安装固定；6) 要有总体鉴定结论及是否可以量产结论。3.1.9量产外协厂确定合同签订前准备工作要和外协厂进行合同签订前的项目管理、质保体系、技术、图纸的充分交流。这一步相当于在正式生产前，对外协厂在打样期间产生的各类问题进行归纳总结和改进，亦或提出新的要求，为合同签订后能立即组织生产做好铺垫，同时尤其要注重质保成本的充分沟通，以避免合同签订后，由于双方理解不一致而导致的一系列质量管理、项目管理、技术及商务问题。3.1.10合同签订对于安全级机柜盘台，在合同中除了一般条款外，主要增加约束的内容有：1) 质量保证协议；2) 与外协厂之间的通信规则；3) 制造过程变更控制流程；4) 不符合项（NCR）处理流程；5) 外协供应商制造文件确认；6) 验收标准和要求；7) 完工报告（EOMR）的内容及格式要求。3.1.11外协加工制造的质保大纲和质量控制计划发布合同签订后，外协厂要正式组建项目团队，并发布质保大纲和质量控制计划，且要得到核设施营运单位审查同意。同时双方要建立相应的接口人员和团队，且项目管理、技术、质量人员要进行长期驻厂监造。必须强调指出，外协过程中的驻厂，尤其是在首批次中，技术及质量控制人员驻厂是十分必要的。3.1.12制造先决条件审查确认合同签订后，在正式开工前，要按合同中约定的要求进行审查，即制造先决条件的检查，主要内容有：1) 项目质保大纲及质量控制计划发布；2) 各类人员资质的检查和确认（尤其是特殊工艺，比如焊接、焊接检验、喷涂等）；3) CTEC图纸可加工性确认；4) 外协厂工艺评定的检查和确认；5) 各种加工用到的机器、检验工具的有效性检验；6) 材料的入厂检验和领用管理；7) 制造过程中的作业记录文件确认；8) 制造过程中的质量检验文件确认；9) 制造过程流程工艺卡的审查；10) 现场环境的检查；11) 核安全文化培训及考试记录；12) 外协厂子供应商考察确认；13) 外协厂子供应商工艺及人员资质确认。由于制造先决条件检查内容繁杂，涉及面广，需要在确认量产外协厂后尽快推进。尽管部分内容在前期可能检查过，但作为关健环节，还是建议要重新认真检查，并做出评估是否可以进行首批次（建议1台）量产。从这里可以看出，在量产前的准备工作要求非常高，这也是核安全文化从意识到操作层，逐级贯彻实施确认的结果。以确保生产出来的机柜符合质保及鉴定要求，最终实现“质量第一、安全第一”的核文化理念。3.1.13量产量产时，建议按以下顺序进行控制：1) 首台正式品试产（1台机柜）；2) 首批小批量产（5台机柜）；3) 大批量产（1015台，每个批次，每隔10天左右出货一批次的滚动生产）。这样做的好处是：1) 循序渐进，给相关人员足够的时间去改进工作内容和方法；2) 便于质量控制；3) 避免出现大面积的质量问题。量产产品原则上应该和鉴定样品拥有一样的质保体系、质量控制及技术工艺要求，即：量产产品=鉴定样品+可控变更（如果有）。对于变更，应该有变更控制并做出相关影响评价，甚至要重新进行鉴定，主要的变更有：1) 生产环境及资质的变更：如工厂搬迁、生产场地变更、证书的变更；2) 制造设备及关键工艺的变更：如关键设备、生产线变更、关键工艺流程更改；3) 重要材料或关键生产辅料的变更：如品牌、产地的变更、第三方制造工厂变更；4) 关键人员的变更：如关键工艺人员、负责公司业务或项目管理人员变化；5) 其他变更：外协加工过程中上述变更之外的工程变更。量产过程中要注意可追溯性完工报告（EOMR）的收集整理。鉴于结构产品维修困难，建议进货检验要前移到外协厂进行，以便有问题，可在外协厂及时维修。货到公司后，只检验运输过程中可能发生的问题即可。4 安全级机柜盘台实际应用情况红沿河#3#4 CPR1000核电机组安全级DCS所用的国产化机柜盘台，框架部分全采用焊接成型工艺，单台机柜焊点超过1000点。其优点为抗震裕量大，但加工工艺复杂。下图是实际在工厂测试阶段中的安全级机柜和后备盘。 5 总结红沿河#3#4 CPR1000核电机组安全级DCS，除了使用三菱公司MELTAC产品平台外，安全级基本设计、详细