控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)專用電機(jī)驅(qū)動器可靠性鑒定試驗(yàn)與評估

肖麗麗，靳峰雷，夏 凡，王明政，楊孔靂，谷繼品，吳宣東，趙躍東，張 浩

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)專用電機(jī)驅(qū)動器可靠性鑒定試驗(yàn)與評估

肖麗麗1，靳峰雷1，夏 凡1，王明政1，楊孔靂1，谷繼品1，吳宣東2，趙躍東2，張 浩2

（1.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2. 臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司，河南 南陽 473000）

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)專用電機(jī)驅(qū)動器是重要驅(qū)動控制設(shè)備，可靠性指標(biāo)較高。在分析其失效機(jī)理后，根據(jù)阿倫尼斯模型，提出了單應(yīng)力水平加速壽命試驗(yàn)方案，并與提前評定方案相結(jié)合，給出了評估方法。針對某控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)專用電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行了可靠性鑒定試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性評估，評估結(jié)果遠(yuǎn)超過指標(biāo)要求。該試驗(yàn)方案和評估方法可用于指導(dǎo)一般核電產(chǎn)品。

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)；驅(qū)動器；加速壽命試驗(yàn)；提前評定；評估

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)（Control Rod Drive Mechanism，CRDM）是核反應(yīng)堆中重要的機(jī)械設(shè)備，是反應(yīng)堆控制和保護(hù)系統(tǒng)的一部分[1]。通過對控制棒位置的調(diào)控實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆啟動、安全停堆、功率調(diào)節(jié)和反應(yīng)堆保護(hù)功能[2]。控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)專用電機(jī)控制系統(tǒng)是控制棒驅(qū)動系統(tǒng)的重要驅(qū)動控制設(shè)備。為保障核反應(yīng)堆的安全、可靠運(yùn)行，需對控制系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評估。

CRDM 專用電機(jī)控制系統(tǒng)可靠性指標(biāo)較高。控制系統(tǒng)由配電單元、連接電纜、輸出濾波單元、專用電機(jī)驅(qū)動器組成。其中，配電單元、連接電纜、輸出濾波單元是成熟產(chǎn)品，無需進(jìn)行可靠性試驗(yàn)；專用電機(jī)驅(qū)動器是新研制產(chǎn)品，目前還沒有相關(guān)的可靠性數(shù)據(jù)。本文以電機(jī)驅(qū)動器為研究對象，在保證其失效機(jī)理不變的基礎(chǔ)下，加大老化應(yīng)力水平，采用加速壽命試驗(yàn)方法，在較短的時(shí)間內(nèi)完成關(guān)于電機(jī)驅(qū)動器的可靠性指標(biāo)評估。

1 背景介紹

2　失效機(jī)理

通過對電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行故障機(jī)理分析，對其壽命影響最大的應(yīng)力為溫度。運(yùn)行時(shí)溫度升高（即熱老化影響）對電機(jī)驅(qū)動器的老化起主要作用。高溫能夠加速電機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)或分子鏈斷裂，促使驅(qū)動器提前失效。高溫加速應(yīng)力水平不得大于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)材料、制造工藝所能承受的極限應(yīng)力，以免帶進(jìn)新的失效機(jī)理。

采用溫度應(yīng)力作為主要加速應(yīng)力的熱老化模型為阿倫尼斯（Arrhenius）模型[5]：

其中：

3 加速因子

考慮到電機(jī)驅(qū)動器中各部件的最高承受溫度，并通過進(jìn)行溫度極限摸底試驗(yàn)，確定最高溫度應(yīng)力水平取60 ℃，故加速因子為

4 試驗(yàn)方案

除21號方案外，管理者提前評定統(tǒng)計(jì)方案的最長試驗(yàn)時(shí)間及最大拒收故障數(shù)均超過了原方案，實(shí)際上是不合理的，既然是提前評定，那么最長試驗(yàn)時(shí)間一定要小于原定時(shí)試驗(yàn)方案，否則就無法稱為提前評定了。

針對14號方案，選取前4個(gè)提前評定方案，連同14號方案，如表1所示。

表1　試驗(yàn)方案

注意到，這里的拒收失效數(shù)是由14號方案確定的，始終為6，在試驗(yàn)中，只要出現(xiàn)6個(gè)責(zé)任故障數(shù)，即可提前做出拒收判定，結(jié)束試驗(yàn)。

5 數(shù)據(jù)評估

（b） MTBF的區(qū)間估計(jì)值：

充灌程序采用自下至上的充灌方法，模袋在充灌進(jìn)混凝土后，模袋布會出現(xiàn)膨脹拉緊，此時(shí)需調(diào)整上口邊固定槽鋼的拉緊葫蘆，做好張力放松工作，以防模袋灌注不飽滿。整塊袋布灌注結(jié)束后，取出固定鋼管，清洗泵車及管道。

6 實(shí)例分析

通過加速因子換算成實(shí)際工況下的MTBF的置信下限：

即在實(shí)際工況下，MTBF真值大于或等于83 905.866 h的概率為80%。

此時(shí)，生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)和使用方風(fēng)險(xiǎn)分別為：

7　延伸討論

盡管可靠性保證試驗(yàn)在短時(shí)間內(nèi)驗(yàn)證很大的MTBF值的試驗(yàn)機(jī)理尚未完全解決，但它已在船舶、通信、航空等領(lǐng)域得到應(yīng)用[8-10]。在試驗(yàn)樣本量少、試驗(yàn)時(shí)間有限的情況下，能否用可靠性保證試驗(yàn)替代鑒定試驗(yàn)，一直沒定論。但從本例可以看出，無故障提前接收方案與可靠性保證試驗(yàn)可能有一定相關(guān)性。

可靠性鑒定試驗(yàn)是抽樣試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)的是累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間，參加試驗(yàn)的樣本量越多，平均每臺試驗(yàn)時(shí)間就越短，可能存在以多樣本、短時(shí)間試驗(yàn)來驗(yàn)證MTBF值；可靠性保證試驗(yàn)是全數(shù)試驗(yàn)，所有樣本都要求在觀測時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)同樣的無失效間隔，才算通過，屬于全樣本、短時(shí)間試驗(yàn)。兩種試驗(yàn)各有利弊。在條件允許的情況下，建議兩種試驗(yàn)都做，能更充分反映產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。通過不斷積累兩種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立可靠性保證試驗(yàn)與鑒定試驗(yàn)的關(guān)系。鑒于很多核電產(chǎn)品都是小樣本、高可靠性，當(dāng)鑒定試驗(yàn)無法進(jìn)行時(shí)，可先用保證試驗(yàn)來替代，然后再通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)來補(bǔ)充鑒定試驗(yàn)時(shí)間，并檢驗(yàn)可靠性指標(biāo)是否滿足要求。

8 結(jié)論

（1）本文給出了控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)專用電機(jī)驅(qū)動器的可靠性鑒定試驗(yàn)方案和評估方法，并按照確定的試驗(yàn)方法完成了驅(qū)動器的可靠性鑒定試驗(yàn)；

（2）可靠性鑒定試驗(yàn)結(jié)果表明：在實(shí)際工況下，MTBF真值大于或等于83 905.866 h的概率為80%，超過可靠性指標(biāo)要求；

（3）隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對核電產(chǎn)品可靠性要求越來越高，該方案和評估方法可用于一般核電產(chǎn)品，對工程中產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與評估具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ 李朝君，宋維，石興偉，等．FMEA法評估反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)可靠性［J］．核電子學(xué)與探測技術(shù)，2017，37（4）：369-372.

［2］ 萬誼，于天達(dá)，余志偉，等．“華龍一號”控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］．中國核電，2017，（4）：583-592.

［3］ 可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)：GJB 899A—2009［S］．2009.

［4］ 恒定應(yīng)力壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)方法總則：GB/T 2689.1—81［S］．

［5］ 姜同敏．可靠性與壽命試驗(yàn)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2012.

［6］ 航空部第三〇一研究所譯．MIL-HDBK-781美國軍用手冊：工程研制、鑒定和生產(chǎn)可靠性試驗(yàn)方法、方案和環(huán)境［R］．航空部第三〇一研究所，1988.

［7］ 李金國，傅志高，劉永堅(jiān)，等．高可靠性航空產(chǎn)品試驗(yàn)技術(shù)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2011.

［8］ 馬志宏，趙書平，李靜，等．MTBF保證試驗(yàn)技術(shù)方法分析與探討［J］．環(huán)境技術(shù)，2010，28（03）：5-7+15.

［9］ 朱煒．可靠性保證試驗(yàn)方法在航天電子、機(jī)電產(chǎn)品可靠性驗(yàn)收中的探討［J］．質(zhì)量與可靠性，2005（06）：18-20+53.

［10］李光輝．MTBF保證試驗(yàn)工程應(yīng)用研究［J］．船舶標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2003（01）：39-42.

The Reliability Qualification Test and Evaluation of the Special Motor Driver for the Control Rod Drive Mechanism

XIAO Lili1，JIN Fenglei1，XIA Fan1，WANG Mingzheng1，YANG Kongli1，GU Jipin1，WU Xuandong2，ZHAO Yuedong2，ZHANG Hao2

（1. China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China 2. WoLong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co.，Ltd，Nanyang of Henan Prov. 473000，China）

The special motor driver of the control rod drive mechanism is an important driving and control equipment with high reliability index. After analyzing the failure mechanism, according to the Arrhenius model, a single stress level accelerated life test scheme is proposed, and the evaluation method is given combining with the early evaluation scheme. The reliability qualification test of a special motor driver of the control rod drive mechanism was carried out, and the reliability of the test data was evaluated. The evaluation results far exceed the requirements of the index. The test scheme and evaluation method can be used to guide general nuclear power products.

Control rod drive mechanism; Driver; Accelerated life test; Advance evaluation; Evaluation

N945.17

A

0258-0918（2021）06-1126-04

2020-11-04

肖麗麗（1984—），女，黑龍江黑河人，副研究員，博士，現(xiàn)從事核電產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)、分析與試驗(yàn)等方面研究