利用失效曲线和备件分级法优化核电站库存备件配置的探讨

利用失效曲线和备件分级法优化核电站库存备件配置的探讨

赵志俊

(三门核电有限公司 浙江三门 317112)

摘要：核电备品备件是电站设备维修的重要组成部分，不仅是核电厂的安全稳定运行的重要基础，也是提高电站经济效益的重要组成。本文以SM核电站为例，就如何利用失效曲线确定备件不同阶段备件的数量以及备件分级法精准确定备件的种类，实现备品备件的最优化配置提供了一些方法，确保电站在安全运行的基础上又使其库存成本处于合理水平。

关键词：失效曲线，备件分级，库存优化配置

1. 引言

备件管理是核电站设备管理和维修工作的重要环节，备件的配置是否合理准确，直接关系到电站的安全运行、经济效益以及市场竞争。最优化的备件配置能加快电站的维修进度，减少停工损失,提高设备的维修效率和电站的运行可靠性，为企业带来良好的经济效益^[1]。

然而，运行核电站的备件采购管理和库存控制系统非常复杂，究其原因主要是：一个百万千瓦级核电站日常运行维修和换料大修所涉备件多达十几万件，备件来源分布在世界各地，需要上百个厂家供货；同时，核电站备件由于它的核安全和质保要求，市场通用性不强等，导致现场库存往往存量较大。

如何运用备件管理理论，从控制备件种类和备件数量两方面切入，找到其最优化配置方法，一直是国内外核电优先考虑的课题之一。本文SM核电站为例，就核电站备件最优化配置做一些有益的探索。

2. 备件设置的基础理论

无数实践证明，大多设备的故障率是时间的函数，最典型的故障曲线是浴盆曲线，也称之为失效曲线。它是指设备从投入到报废的整个寿命周期内，其可靠性的变化呈现一定的规律，如果取设备的失效率作为设备的可靠性特征，以使用时间作为横坐标，以失效率作为纵坐标，就会看出其特征是两头高，中间低平，形似浴盆，也称之为“浴盆曲线”。参见图1，可知失效曲线具有明显的阶段性，随着时间变化分为三个阶段：早期失效期，偶然失效期和耗损失效期。

图1.设备失效曲线（浴盆曲线）

从图1中可以看出，电站运行早期和后期出现的故障明显增加，为保证其稳定运行就需要大量的备件予以维修，而中间的运行阶段，相对平稳，故障率较低，属于偶发因素，其所需备件也相对较少。电站运行的这些特征，也为我们库存备件的数量提供了决策依据。

3. 1. 早期失效期

早期失效期，一般多由设计、原材料和制造过程中缺陷造成。这一阶段，系统设备处于一个整体磨合阶段，某一处的设备故障或失效均会引起设备停运，失效率很高，但随着设备的工作时间增加，早期诊断和修正的介入，其失效率迅速下降。

根据早期失效的特点和核电站的运行规律，一般早期失效主要是泵阀，管道接口等的“跑、冒、滴、漏”，以及不同系统相互磨合期间出现部分参数偏高或偏低的情况，需要设计变更。通常情况下，主要设备都不存在问题。

3. 2. 偶然失效期

偶然失效期，主要由质量缺陷、材料弱点、环境和使用不当造成。这一阶段，设备经过一段时间的运行，操作人员基本熟悉了各自设备的特点，设备故障仅是偶发因素，其失效率较低，且较稳定。

参考国内外核电站的运行经验，一般情况下，主要设备运行稳定，机械设备中旋转设备偶有震动或其配套件出现磨损或老化现象，一般在大修过程中均可以得到维护和更换，日常维护所需备件较少。

3. 3. 损耗失效期

损耗失效期，主要由设备磨损、疲劳和老化引起。随着设备长时间运行，很多设备临近其使用寿命，出现故障的频率也会大幅增加，其失效率会急速增加。

在核电站运行寿命接近其设计年限时，主要设备磨损和老化已经非常严重，特别是转动部件，出现故障的概率大大增加，一般情况下通过换料大修更换其配套的元器件已经不能满足核安全要求，需要启动战略备件整件予以更换。

根据国际核能协会的统计资料，一台设计运行60年的核电站，在投入运行至其终止报废期间，早期失效概率主要存在于投入运行的前1-3个换料周期，即1-5年左右，随后机组的主要设备可以稳定运行45年左右，但随着机组临近报废，后续10年因主要设备出现老化和磨损等故障率随之上升。

3. 核电站库存备件的分级设置

通常情况下，一个运行核电站的备件种类多达十几万项，把所有备件均完整地配置一遍，不仅会造成资源的浪费，也不能做到有的放矢。如果根据核电站设备的重要程度划分，把关键和重要的备件配备到位，就能最大限度地满足电站的稳定运行，采用备件分级管理就能有效地做到备件种类配置的最优化，SM核电站的备件分级主要包括如下几种^[2]：

1. 战略备件：是指在电站的设计寿期内，对机组可用率或核安全有直接的重大影响，且采购、制造周期长，价格昂贵，维修更换时间较长的关键重要设备或部件。

2. SPV备件（A）：SPV设备的设备整体备件及其敏感部件备件。

3. 关键备件（B）：关键设备的备件，或SPV设备的非SPV备件。

4. 重要备件（C）：重要设备的备件。

5. 一般备件（D）：一般设备的备件。

3. 核电站全寿命期内不同阶段备件种类和数量的配置

通常情况下，核电站内的备件数量主要依据相同设备的总数量取其一定的百分比来确定，如同一规格型号的阀门全厂有100台，而阀杆作为其备件，取10%，即10件作为该型阀门的备件数量，在日常运行中再按照其更换频率逐步调整。然而，这种方法往往形成一部分库存备件冗余而另一部分备件库存不足的情况。

根据失效曲线原理的三个阶段，结合核电站核安全和关键路径设备制定的备件分级原则，SM核电站对全寿命周期内不同阶段备件的种类和数量进行了分类设置。

3. 1. 战略备件库存设置原则

由于机组功率运行阶段，部分战略设备的故障或失效可能导致机组降功率或停机、停堆，对机组的安全生产产生重大影响；同时，部分备件因采购、制造周期长等因素的影响，无法在短期内到达使用现场。另外，电站全寿命周期长达60年，一些战略备件可能存在升级换代，或国际形势变化等，国外制造的战略备件也可能存在“卡脖子”问题，或一些战略备件制造商在电站全寿命期间内消亡等。SM对战略备件的设置原则为：

表1 战略备件库存设置原则

3. 2. SPV/关键/重要/一般备件库存设置原则

该类备件主要按照机组不同运行年限出现故障的概率、库存周转周期、采购周期和备件分级进行数量和种类确定，同时考虑长期运行后一些涉核备件不易更新等特点综合判定。

1. SPV备件设置必需库存，涉核进口部分按照最大设定值考虑；

2. 关键备件和重要备件， 一般按照一个机组循环周期内相关备件发生非预防性维修工单储备。其中机械类设备，预防性维修工作中的非必换件需要设置库存备件。电气、仪控类设备，按照整机设备总数量的一定比例准备备件。

3. 一般备件，按照低值易耗，消缺频率高低设置。

表2 SPV/关键/重要/一般备件库存设置原则

在此配置原则下，经过3年的优化，SM核电库存备件已由原来的8.6万项30万件下降至目前的4.8万项20万件，并将库存备件总额由7.9亿元降至6.56亿元。

3. 核电站备件库存控制

库存备件种类和数量的设置，给备件的采购提供了输入依据，然而，一次性将所设置备件全部足额到位，将给企业带来巨大经济负担，同时，很多备件有其寿命期限，一般3-5年就需更换一次，或随着设备的升级换代，部分备件也需不断更新。因此，对于库存备件，在保障机组安全和生产经营所需要合理库存的前提下，要以优化供应链为主线，多措并举开展库存控制工作。

3. 1. 同型机组备件联采联储

在同型机组间，对于相同战略备件，推动建立共享机制，分摊采购成本；对于重要或通用备件，建立联合采购机制，降低备件采购价格。SM核电现已先后完成与HY核电的备件联储，与TW核电备件联采工作，降低了备件采购数量，节约了库存资金近亿元。

3. 2. 扩大框架协议覆盖范围

除战略备件和特定专属备件外，根据专业备件分级和种类，与供货商签订长期供货框架协议。SM核电扩大框架协议覆盖范围，目前已签订并执行框架协议40余份，在同型核电中居于前列。

3. 3. 工厂建库和物资寄售试点

针对现场高频、大量使用备件，与供应链积极沟通，探索工厂建库和物资寄售试点工作。目前，SM核电已发布《供货商寄售管理指令》，完成5家工厂建库协议签订，有效降低公司资金成本和库存压力，同时提高了备件供应稳定性和采购进度。

3. 结语

备件管理直接影响到核电站安全和经济运行，长期以来都是核电站管理重点和难点。提高备件管理水平，将有效提高核电站的安全性、经济性和竞争力。本文利用失效曲线和备件分级对实现备件最优化配置提供了一些方法，并对库存控制提出了一些优化措施，以期对国内同行核电提供参考借鉴作用。

参考文献：

[1]许涛，秦山三核备件储备定额管理的探索与研究，北京：中国核工业，2010

[2]陈旭，TW核电站备品备件采购管理与库存控制策略，南京：东南大学，2010