論核電產(chǎn)品的耐久性分析方法

□ 王賓華

上海電氣核電設(shè)備有限公司 上海 201306

1 研究背景

可靠性是一門(mén)新興的工程學(xué)科。產(chǎn)品的可靠性已經(jīng)成為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。近年來(lái)，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家已把可靠性技術(shù)和全面質(zhì)量管理緊密結(jié)合起來(lái)，大大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。一個(gè)產(chǎn)品在某個(gè)階段時(shí)間的工作情況不能較好地反映產(chǎn)品的可靠性，應(yīng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)分析,才能正確反映其本質(zhì)。核電產(chǎn)品由于比較單一且量少，統(tǒng)計(jì)樣本不足，尤其是新研發(fā)的產(chǎn)品，樣本少之又少，一般只有通過(guò)可靠性試驗(yàn)來(lái)掌握相關(guān)數(shù)據(jù)，但試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，費(fèi)用較高。根據(jù)核電產(chǎn)品的特點(diǎn)，可以通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行失效應(yīng)力和累積損傷分析，找出產(chǎn)品的耐久性薄弱環(huán)節(jié)，并結(jié)合失效物理模型，計(jì)算產(chǎn)品各零組件的耗損型失效時(shí)間，最終得出產(chǎn)品的壽命。顯然，耐久性是在規(guī)定的使用、儲(chǔ)存和維修條件下，對(duì)產(chǎn)品使用壽命的一種度量。

壽命指產(chǎn)品從開(kāi)始工作到首次失效前的一段時(shí)間，產(chǎn)品壽命的數(shù)學(xué)期望均值稱(chēng)為產(chǎn)品的平均壽命。平均壽命是一個(gè)表征產(chǎn)品能工作多長(zhǎng)時(shí)間的量，但不是針對(duì)某個(gè)產(chǎn)品而言，而是針對(duì)整批產(chǎn)品而言的概念。針對(duì)單件小批量的核電研發(fā)產(chǎn)品，如何通過(guò)耐久性分析來(lái)獲得產(chǎn)品壽命，筆者進(jìn)行了深入研究，研究?jī)?nèi)容可為類(lèi)似核電產(chǎn)品的耐久性分析提供參考依據(jù)[1-3]。

2 耐久性定義

國(guó)內(nèi)外對(duì)耐久性有多種定義，反映了不同工程應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)耐久性的理解。GJB 451A—2005《可靠性維修性保障性術(shù)語(yǔ)》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)耐久性的定義是：產(chǎn)品在規(guī)定的使用、儲(chǔ)存與維修條件下，達(dá)到極限狀態(tài)前，完成規(guī)定功能的能力，一般用壽命度量。極限狀態(tài)指由于損耗使產(chǎn)品從技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上考慮，都不宜繼續(xù)使用而必須大修或報(bào)廢的狀態(tài)，損耗包括疲勞、磨損、腐蝕、變質(zhì)等[4]。美國(guó)軍用MIL-STD—1798《機(jī)械設(shè)備和子系統(tǒng)的完整性大綱》標(biāo)準(zhǔn)中，耐久性的定義為：在規(guī)定期間內(nèi)，分系統(tǒng)或部件抵抗劣變、磨損、裂紋、腐蝕、熱變質(zhì)等的能力。俄羅斯гO(shè)CT 27.002—89《工程中的可靠性基本概念、術(shù)語(yǔ)和定義》標(biāo)準(zhǔn)中，耐久性的定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的技術(shù)維護(hù)和修理體制下保持工作能力，直到極限狀態(tài)的一種屬性。

根據(jù)上述定義，可以歸納出耐久性描述的是耗損性失效模式，以耐久性失效或極限狀態(tài)作為判斷準(zhǔn)則。

要分析機(jī)械產(chǎn)品的耐久性，還需要明確產(chǎn)品的失效率。失效率是工作到某個(gè)時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率，一般記為λ，是時(shí)間t的函數(shù)，也可記為λ（t），稱(chēng)為失效率函數(shù)或故障函數(shù)。機(jī)械產(chǎn)品的主要質(zhì)量標(biāo)志是功能、壽命、經(jīng)濟(jì)、安全等，其中功能是首要的。產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能稱(chēng)為失效，對(duì)于可修復(fù)的產(chǎn)品通常也稱(chēng)為故障。機(jī)械產(chǎn)品常見(jiàn)的典型失效曲線如圖1所示，一般形象地稱(chēng)為浴盆曲線，失效過(guò)程可分為早期失效、偶然失效和耗損失效三個(gè)階段[5-6]。

圖1 機(jī)械產(chǎn)品典型失效曲線

3 耐久性分析目的

在設(shè)計(jì)階段，可以暴露產(chǎn)品潛在設(shè)計(jì)缺陷，明確產(chǎn)品主要耗損型機(jī)理及薄弱環(huán)節(jié)，摸清產(chǎn)品的耗損規(guī)律，采取針對(duì)性改進(jìn)措施，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命水平。

在驗(yàn)證階段，可以評(píng)價(jià)產(chǎn)品的壽命水平，確定產(chǎn)品的耐久性指標(biāo)是否滿(mǎn)足要求，為產(chǎn)品常規(guī)壽命試驗(yàn)或加速壽命試驗(yàn)方案提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

4 耐久性分析流程

通過(guò)在產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)上施加產(chǎn)品所經(jīng)歷的載荷，并逐級(jí)分解到產(chǎn)品的零部件上，通過(guò)應(yīng)力分析和累計(jì)損傷分析，找出產(chǎn)品的耐久性薄弱環(huán)節(jié)，并結(jié)合失效物理模型計(jì)算產(chǎn)品各零部件的耗損型失效時(shí)間，從而評(píng)估產(chǎn)品的耐久性指標(biāo)。耐久性分析流程如圖2所示。

圖2 耐久性分析流程

4.1 機(jī)理分析

首先對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行分解，分解至最低約定層次，然后針對(duì)每一個(gè)最低約定層次進(jìn)行載荷分析，分析其在整個(gè)產(chǎn)品工作過(guò)程中受到的載荷。其次確定每一個(gè)最低約定層次可能存在的故障機(jī)理，篩選出耗損型故障機(jī)理。最后進(jìn)行機(jī)理合并，確定后續(xù)耐久性分析的分析對(duì)象及內(nèi)容。機(jī)理分析流程如圖3所示。

圖3 機(jī)理分析流程

（1）結(jié)構(gòu)分解。在明確產(chǎn)品工作原理、結(jié)構(gòu)組成及工作特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)層次分解。對(duì)于零部件較多的產(chǎn)品，要進(jìn)行結(jié)構(gòu)層次分解，分為初始約定層次、約定層次、最低約定層次等。繪制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次圖，確定機(jī)理分析的最低約定層次。按照GJB/Z1391—2006《故障模式、影響及危害性分析指南》標(biāo)準(zhǔn)中約定層次的定義和方法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)層次分解。

（2）載荷分析。根據(jù)產(chǎn)品的載荷譜或任務(wù)剖面，分析確定產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)所有可能的工作載荷、環(huán)境載荷及其作用方式，載荷分析要求全面。

（3）確定機(jī)理。在結(jié)構(gòu)分析與載荷分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)每個(gè)最低約定層次，考慮所有可能的載荷類(lèi)型，進(jìn)行一一映射關(guān)系，分析確定每一種最低約定層次所有可能的耗損型故障機(jī)理。

（4）機(jī)理合并。對(duì)會(huì)引起同一故障模式的機(jī)理進(jìn)行合并。具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的最低約定層次，其故障機(jī)理多為磨損，在這種情況下，要進(jìn)行不同約定層次的機(jī)理合并，統(tǒng)一為某種機(jī)理類(lèi)型[7-8]。

4.2 應(yīng)力損傷理論

故障機(jī)理指導(dǎo)致產(chǎn)品故障的物理、化學(xué)、生物或其它過(guò)程。產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)受到各種環(huán)境載荷的作用，會(huì)產(chǎn)生疲勞、磨損、斷裂等各種故障模式，引起這些故障模式的內(nèi)在原因即為故障機(jī)理。

故障機(jī)理根據(jù)故障具有損傷的時(shí)間累計(jì)效應(yīng)，分為耗損型故障機(jī)理和過(guò)應(yīng)力型故障機(jī)理。耗損型故障機(jī)理指由于累計(jì)損傷超越了材料的容許極限而導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生故障的機(jī)理。

壽命評(píng)估模型指針對(duì)特定的耗損型故障機(jī)理，在基本物理、化學(xué)和試驗(yàn)回歸公式的基礎(chǔ)上，建立起來(lái)的定量反映耗損型失效時(shí)間與材料、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力等關(guān)系的數(shù)學(xué)函數(shù)模型。

機(jī)電產(chǎn)品零部件壽命評(píng)估模型有39個(gè)，涵蓋疲勞、磨損、老化、應(yīng)力松弛等四種故障機(jī)理，適用于螺紋、軸承等七大類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)件，以及承力件、運(yùn)動(dòng)件和密封件等非電產(chǎn)品[9-10]。

4.3 應(yīng)力分析目標(biāo)

針對(duì)疲勞類(lèi)機(jī)理，除彈簧、螺紋、軸承類(lèi)產(chǎn)品以外，均需要建立數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行應(yīng)力分析。

針對(duì)老化類(lèi)機(jī)理，如泵、電機(jī)類(lèi)發(fā)熱量大的產(chǎn)品，需要建立計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)樣機(jī)，并進(jìn)行相應(yīng)的熱應(yīng)力分析，然后再進(jìn)行老化壽命計(jì)算。

針對(duì)磨損類(lèi)機(jī)理，如果作用力載荷不明確，那么需要先建立多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，獲得零件表面的作用力載荷，然后再進(jìn)行磨損壽命計(jì)算[9-10]。

4.4 理論壽命確定

根據(jù)產(chǎn)品各最低約定層次耗損型失效時(shí)間的計(jì)算結(jié)果和時(shí)間最短原則，確定產(chǎn)品的耗損型故障首發(fā)時(shí)間，同時(shí)對(duì)照產(chǎn)品壽命指標(biāo)要求，找出耐久性仿真試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)的耐久性薄弱環(huán)節(jié)。

當(dāng)耗損型失效時(shí)間計(jì)算時(shí)所輸入的剖面信息對(duì)應(yīng)首次翻修期壽命要求時(shí)，確定的理論壽命為產(chǎn)品的首次翻修期壽命。當(dāng)耗損型失效時(shí)間計(jì)算時(shí)輸入的剖面信息對(duì)應(yīng)總壽命要求時(shí)，確定的理論壽命為產(chǎn)品的總壽命。

5 案例分析

某核電產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由主軸動(dòng)力組件、抓手動(dòng)力組件、主法蘭、齒條組件、抓手組件、電控組件、傳動(dòng)組件七大部件組成，其耐久性指標(biāo)，即壽命為20年。

5.1 結(jié)構(gòu)分解

按照核電廠系統(tǒng)失效模式與影響分析的要求，根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成，進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)層次分解，確定初始約定層次、約定層次、最低約定層次等，繪制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次，如圖4所示。

該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分解為三個(gè)約定層次。初始約定層次為堆本體及一回路系統(tǒng)。約定層次為液體懸浮式非能動(dòng)停堆棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。最低約定層次為各組成零件及部件。

5.2 載荷分析

此處只列舉其中一個(gè)組件的部分零件來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)共有331個(gè)零件，需對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行載荷分析，見(jiàn)表1。

表1 主軸動(dòng)力組件最低約定層次載荷分析結(jié)果

5.3 確定機(jī)理

在結(jié)構(gòu)分析與載荷分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)每個(gè)最低約定層次，考慮所有可能的載荷類(lèi)型，分析確定每一種最低約定層次所有可能的耗損型故障機(jī)理。產(chǎn)品常見(jiàn)的耗損型故障機(jī)理類(lèi)型主要包括疲勞、老化、磨損和應(yīng)力松弛。機(jī)理確定原則見(jiàn)表2，機(jī)理確定結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次

表2 機(jī)理確定原則

表3 主軸動(dòng)力組件最低約定層次機(jī)理確定結(jié)果

5.4 機(jī)理合并

機(jī)理合并結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 主軸動(dòng)力組件機(jī)理合并結(jié)果

5.5 應(yīng)力分析目標(biāo)確定

通過(guò)耐久性機(jī)理分析，確定應(yīng)力分析目標(biāo)，見(jiàn)表5。

表5 主軸動(dòng)力組件最低約定層次應(yīng)力分析目標(biāo)

5.6 結(jié)構(gòu)疲勞壽命計(jì)算

根據(jù)各材料的應(yīng)力壽命曲線，可以得到材料的疲勞極限，并通過(guò)計(jì)算可以得到零件實(shí)際承受的應(yīng)力水平，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 結(jié)構(gòu)疲勞失效時(shí)間計(jì)算結(jié)果

5.7 磨損失效時(shí)間計(jì)算

通過(guò)故障機(jī)理分析，找出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中磨損失效的所有零件，此處列舉抓手組件中的銷(xiāo)釘零件，見(jiàn)表7。

表7 磨損失效零件統(tǒng)計(jì)

根據(jù)機(jī)理分析結(jié)果，結(jié)合相對(duì)應(yīng)的磨損模型，應(yīng)用商用軟件進(jìn)行磨損失效時(shí)間計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 磨損失效時(shí)間計(jì)算結(jié)果

5.8 老化壽命時(shí)間計(jì)算

通過(guò)故障機(jī)理分析，找出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中老化失效的所有零件，此處列舉主軸動(dòng)力組件中的老化零件，見(jiàn)表9。

表9 老化失效零件統(tǒng)計(jì)

根據(jù)機(jī)理分析結(jié)果，結(jié)合相對(duì)應(yīng)的老化模型，應(yīng)用商用軟件進(jìn)行老化壽命時(shí)間計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表10。

5.9 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)疲勞方面，案例中各承力件結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均低于疲勞極限，因此疲勞壽命滿(mǎn)足20年的要求。

表10 老化壽命時(shí)間計(jì)算結(jié)果

老化方面，案例中采用實(shí)際工作溫度60℃作為各密封件的工作溫度，通過(guò)計(jì)算，氟密封圈老化壽命為7年，不滿(mǎn)足20年的壽命要求，可在翻修期更換。

磨損方面，案例中對(duì)抓手端頭零件進(jìn)行磨損壽命計(jì)算，磨損零件滿(mǎn)足20年的壽命要求。

對(duì)于首次維修時(shí)間不滿(mǎn)足壽命要求的各零部件，可重新制訂翻修周期，以保證整機(jī)20年的使用壽命。此外，在設(shè)計(jì)可靠性鑒定試驗(yàn)方案時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮耐久性薄弱環(huán)節(jié)，如進(jìn)行氟橡膠密封圈加速老化壽命試驗(yàn)等。

6 結(jié)論

核電產(chǎn)品對(duì)壽命的要求比較高，要保證核電產(chǎn)品的壽命，就需要進(jìn)行耐久性分析。通過(guò)實(shí)際案例，筆者對(duì)核電產(chǎn)品的耐久性分析流程、機(jī)理分析及理論壽命確定進(jìn)行了梳理，為類(lèi)似產(chǎn)品的耐久性分析提供參考。