秦山一廠模擬卡件剩余壽命研究

楊曉奇，吳 茜，周 亮

（中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086）

0 引言

在秦山核電30萬機組中，大量的過程控制系統都使用了模擬組裝儀表[1]。調節系統廣泛應用于一、二回路調節系統，如高/低加水位調節系統、凝汽器熱井水位調節系統、除氧器水位調節系統、蒸發器水位調節、反應堆功率調節、穩壓器液位/壓力調節等系統。調節方式有單回路控制、單/三沖量控制及切換回路等[2]。

此系統中很多板卡都已經快到了原有的設計壽命，清單見表1。

中廣核北京分院承擔了30萬千瓦機組上述模擬卡件老化分析技術服務。通過老化分析、試驗，對模擬卡件進行可靠性分析，從功能角度分析設備及板件的功能可靠性，采用多種分析方法進行，客觀全面地評估設備及板件的可靠性，為產品的設計改進、維修等工作提供詳細依據。最終通過計算和試驗得到模擬卡件的使用壽命及剩余壽命。

表1 剩余壽命分析模擬卡件清單Table 1 Simulation card list for remaining life analysis

1 老化現象及機理介紹

模擬組件組裝式儀表作為儀控系統的代表，其老化問題必然涉及到所有電子元器件的老化問題，下面對相關老化現象及老化機理進行簡要介紹：

老化現象：由于運行和環境條件所引起的材料、部件和連接部位的性能退化，稱為“老化”。從大的方面來講，分為3類：微觀結構退化、機械損傷、電化學引起的退化過程；來自于環境壓力的實例：

◆ 溫度（高或低）

◆ 溫度周期變化

◆ 濕度

◆ 化工產品/污染物

◆ 電離輻射

◆ 供電電源浪涌

◆ 振動

◆ 日光/紫外線（外部設備）

易老化元器件老化機理：

◆ 電解電容：結晶、電解液揮發等。

◆ 電位器：磨損、腐蝕、由于滑動片長時間保持在一個位置產生的軌道壓痕、軌道壓痕導致難以設置需求的調節值。

◆ 光耦：發光二極管效率降低、耦合樹脂透明度降低、光電晶體管暗電流增大。

圖1 系統原理框圖Fig.1 Schematic diagram of this system

◆ 機電繼電器：線圈的高溫烤線圈的絕緣層，導致線圈裸露、觸點生銹，磨損，出現凹痕、觸點焊合（大電流切換）、化學污染（小信號切換）、機械裝置的機械磨損。

◆ 接插件：機械磨損-接觸板的損耗、腐蝕-接觸板的損壞、接觸發熱、電弧放電、錯位-接觸變形、氯丁橡膠降解-密封及絕緣套管、氯丁橡膠。

◆ 變壓器：過電流、過熱、水分、氧化等。

2 系統及部件老化分析

該電子型過程控制裝置，是一種將顯示操作功能與運算控制功能相互分離的自動控制裝置。系統框圖見圖1，在系統結構上可分為兩大部分：架裝儀表和盤裝儀表。

架裝儀表包括：輸入組件、處理組件、調節組件、輸出組件、電源。

盤裝儀表包括：顯示儀表、記錄儀表、顯示操作器[2]。

針對該系統，可拆分電子電路部件和機械零件部件兩部分進行老化分析。

2.1 電子電路部件

第一步：根據備件實物繪制電路原理圖，分析插件電路功能，插件各個模塊之間的關系；第二步：建立功能方框圖和可靠性方框圖，根據壽命預計的理論和計算，對這個插件進行壽命預計；第三步：故障模式和影響分析，填寫FMEA表；故障模式危害性定性分析，填寫CA表；第四步：對插件進行加速老化試驗，換算出系統及部件的剩余壽命；第五步：進入老化實驗室試驗，通過MID技術，在線診斷系統及設備的壽命，通過老化處理，增加插件剩余壽命。

2.2 機械零件部件

根據可靠性理論，預計機械部件壽命；在老化實驗室進行非破壞性檢測和破壞性檢測等老化處理。最終獲得各種老化數據，建立數據庫，分析數據，得出各種數據曲線，編寫老化報告。

表2 應力模型Table 2 Stress model

3 MTBF預計

3.1 預計方法

3.1.1 元器件失效率預計

本次預計主要采用兩種方式：

1）依據標準的應力預計模型進行預計：以美軍標MIL-HDBK-217F Notice2 Reliability prediction of electronic equipment為主，輔以國軍標GJB/Z 299C-2006電子設備可靠性預計手冊。

2）根據廠家提供的實驗數據進行預計。

部分應力預計模型見表2，詳細模型說明請參見相應的標準。

其中, λp——元器件工作失效率;

其中, λb——元器件基本失效率;

其中, πE——環境系數;

其中, πQ——質量系數;

其中, πT——溫度應力系數。

實驗數據分析：

絕大部分廠家依據JESD22標準進行加速實驗，并依據JEP122D/JESD85標準對結果進行數理統計以得出元器件的失效率。其失效率數據是建立在元器件壽命分布為指數分布的基礎上，失效率數理統計的數學模型為Arrhenius方程。

元器件失效率預計所使用的Arrhenius方程如下：

其中，λ——元器件的失效率（單位：FIT）;

其中，χ2(α,2n+2)——失效預計，其數學模型為卡方分布;

其中，α——置信度，廠家提供的失效率數據其置信度一般為60%;

其中，n——樣品失效數;

其中，DH——設備等效工作時間，其實質為樣品數量乘以加速時間;

其中，AF——總體加速因子，其中TAF為溫度加速因子、VAF為電壓加速因子。

3.1.2 板卡的MTBF預計

板卡的MTBF通過元器件的失效率獲得，按照串聯模型保守估計。工作失效率λPS的數學表達式如下：

其中，λPi——第i個元件的工作失效率;

其中，N——同一種元器件的數量;

其中，n——元器件的種類數。

按照下面公式計算板卡的MTBF：MTBF=1/λPS。

3.2 模擬卡件MTBF預計結果

根據模擬卡件MTBF預計報告，模擬卡件MTBF預計結果詳見表3。

表3 模擬卡件MTBF預計結果Table 3 MTBF expected results of Simulation card

圖2 試驗方案示意圖Fig.2 Test plan diagram

4 可靠性驗收試驗

4.1 試驗方案設計原理

試驗方案設計原理包括驗收試驗原理和加速試驗原理兩部分，驗收試驗原理參考序貫試驗的圖解和最長試驗時間，詳見《可靠性鑒定和驗收試驗》（GJB 899A-2009）[3]和《30萬千瓦模擬卡件壽命分析總結報告》[4]。

壽命特征與應力水平之間的關系通常是非線性的，但如果對壽命數據或應力水平經過適當的變換，曲線有可能變成直線，由于直線不僅容易擬合，而且方便外推，所以在建立壽命特征與應力水平之間的關系時應盡量使之線性化，常見的加速模型有如下幾個，其中阿倫紐斯應用最為廣泛和成熟。加速模型詳見《30萬千瓦模擬卡件壽命分析總結報告》[4]。

4.2 試驗方案設計

4.2.1 樣本

待測試樣品需為標準樣品，無返修記錄，無應用記錄，所有功能正常。樣本名稱及數量說明見表3。

4.2.2 試驗參數設計

本可靠性驗收試驗采用序貫試驗方案，以生產方和接收方的風險均為0.4，壽命的置信區間為10年～17年，帶入試驗原理相應的公式，計算結果如下：

a=-0.30217511

b=8.98142E-06

c=-0.132260219

本驗收試驗的圖解示意圖見圖2。

如果試驗過程中，無故障發生，落在接收區，至少需要33644.4692臺時。根據樣本數量總數為15，所有樣本同時投入試驗需要2242.964614h。

基于目前的試驗約束，這個時間過長，所以考慮加速試驗，加速試驗的試驗應力選擇見下節。

4.2.3 試驗應力

溫度對電子產品壽命的影響較大，通常選用溫度作為試驗應力。

由于模擬卡件處于室溫的環境中，其正常工作在20℃，通過分析樣品卡件中部分器件的最高允許溫度為70℃。為了防止試驗過程中導致引入新的失效機理，最高允許溫度定義為60℃。

表4 應力-試驗時間對應表Table 4 Stress-test time table

表5 試驗過程記錄Table 5 Record of test process

圖3 試驗現場圖Fig.3 Test site picture

所以定義不同應力下的試驗時間見表4。

上述試驗過程中等效時間是將加速狀態下的時間等效到常溫狀態下的累積時間，該等效時間對應到圖2試驗方案示意圖的時間軸。如果在規定時間內進行的試驗無故障發生，則認為這批板卡的壽命在10年以上。如果發生故障需要具體分析。

4.3 試驗數據記錄

試驗的故障判據及處理分類方法詳見《30萬千瓦模擬卡件壽命分析總結報告》[4]，按照上節試驗方案設計，對模擬卡件進行可靠性驗收試驗。試驗過程記錄見表5。

試驗過程中未發生板卡故障，且已經進入圖2試驗方案示意圖的接收區。

試驗圖片見圖3。

綜合MTBF預計和可靠性驗收試驗結果，這批模擬卡件的剩余壽命在10年左右。

5 結語

秦山一廠主控制系統的模擬組裝儀表中很多板卡即將到原有的設計壽命，中廣核研究院北京分院針對該問題，通過老化分析、試驗，對模擬卡件進行可靠性分析。

從功能角度分析設備及板件的功能可靠性，采用多種分析方法進行，客觀全面地評估設備及板件的可靠性，為產品的設計改進、維修等工作提供詳細依據。最終通過計算和試驗得到模擬卡件的使用壽命及剩余壽命。