核電廠儀控板卡更換周期起始點研究

朱桂霞，藍 劍，胡玉瑩，錢玉剛

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北武漢 430070）

0 引言

在核電廠運維階段，電子設備根據預防性維修大綱規定的預防性替換周期進行定期更換，預防性替換周期來源于廠家、行業經驗或自行計算，實際上很少廠家會提供此類數據，或者廠家提供的周期較短不符合使用壽命最大降本增效的要求。電子設備壽命由非工作狀態壽命和工作狀態壽命兩部分組成，本文通過研究提供電子設備在工作狀態和非工作狀態下壽命計算方法，其中工作狀態下的壽命可為預防性替換周期提供參考。而當電子元器件長期處于非工作狀態時，受溫度、濕度以及化學等因素的影響，隨著非工作狀態年限的增加，內部材料會老化，導致參數漂移，當性能參數值超出其允許的容差范圍時，設備就會發生失效，喪失功能。設備失效率在不同的應力條件下差異較大，使得現場電子設備更換周期等效計算成為難題。

1 電子組件非工作狀態壽命計算

1.1 非工作狀態影響電子組件壽命的因素

電子組件是由元器件與PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）經過焊接加工而成。在非工作狀態過程中，影響其壽命的主要因素有4 個。

（1）環境濕度。由于元器件在長期非工作狀態下缺乏自熱作用，受環境濕氣的影響嚴重。當濕氣含量較高時，會腐蝕元器件內部的金屬結構，造成元器件失效。

（2）環境溫度。高溫非工作狀態環境會加速元器件退化的物理、化學反應，加速材料老化，導致元器件失效率高；低溫非工作狀態會導致元器件材料收縮、脆化和斷裂。

（3）化學應力。元器件結構中往往存在著不同物質之間化學反應產生的化學應力，尤其是當水汽滲入、溫度變化會加速化學反應，化學反應的最終生成物也是污染元器件的主要推手。

（4）質量控制。元器件非工作狀態可靠性還取決于其固有的質量水平，而固有質量水平通常取決于設計、制造水平。固有質量水平高，則電子組件存在的化學應力少，抗環境應力能力強。

綜合上述因素，可將非工作狀態失效劃分為兩個階段進行控制：①電子組件在設計生產階段，失效率由電子組件本身的元器件質量、結構設計、電子組件加工工藝等決定；②在電子組件完成生產之后，失效率由電子組件在非工作狀態過程中的管理程序決定，包括電子組件非工作狀態的溫度、濕度、運輸方式等。

對于用戶來說，可以通過提升電子組件在非工作狀態過程中的管理程序來降低電子組件在非工作狀態過程中的失效率。

1.2 電子組件非工作狀態壽命計算

根據GJB 108A 中的描述，作為電子組件的用戶，可以從控制電子組件的非工作狀態環境等因素著手，降低電子組件在非工作狀態過程中的失效率。電子組件非工作狀態壽命為電子組件非工作狀態失效率的倒數。以薄膜電容為例進行非工作狀態壽命計算。GJB 108A 中對于薄膜電容非工作失效率λNp及非工作狀態壽命TN計算公式定義為：

式（1）中，λNb是薄膜電容非工作基本失效率（單位：10-6/h），πNE是非工作環境系數，πNQ是非工作質量系數，πCYC是設備電源通斷循環系數，πNT是非工作溫度系數，πNch是非工作表面貼裝系數。其中，λNb、πNQ、πNch由電子組件的設計、生產階段決定，用戶無法改變。但πNE、πCYC、πNT這3 個系數可以由用戶對電子組件的非工作狀態過程進行管控。

（1）非工作環境系數πNE。非工作環境類別是依據電子設備非工作時的氣候條件、機械條件、生物條件等特點及其相似程度對環境進行劃分，形成環境類別。GJB 108A 非工作環境類別共分為19 類，其中，GF1（普通庫房或通風較好的室內固定機架，受振動、沖擊影響不大的設備環境）可認為是核電廠電子組件庫存的環境分類，GF2（只有簡陋氣候防護設施的地面環境或坑道，其環境條件較惡劣，如高溫、低溫、溫差大、高濕、霉菌、鹽霧或化學氣體等）可認為是核電廠電子組件在調試狀態的環境分類。

非工作環境系數描述了不同環境類別的環境應力對元器件非工作失效率影響的系數。GJB 108A 規定了非工作環境系數πNE的定義，可以定量地看到，不同的環境類別對電子組件的非工作狀態失效率影響差異巨大。

（2）設備電源通斷循環系數πCYC。設備電源通斷循環系數是指電子組件在非工作狀態時，循環通電的頻率度量；GJB 108A給出了設備電源通斷循環系數πCYC表，從表中的數據規律可推測出，電子組件處于非工作狀態時，通電頻率越低越好。結合實際電子組件的非工作狀態情況，電子組件在非工作狀態，不通電最佳。

（3）非工作溫度系數πNT。非工作溫度系數主要描述了溫度對非工作元器件的失效率影響。GJB 108A 給出了非工作溫度系數πNT表。從表中系數變化趨勢可以看出，溫度越高，非工作元器件的失效率越高，因此，要結合實際電子組件的非工作狀態環境，確定具備可行性的非工作狀態溫度，且溫度越低越好。

2 電子組件工作狀態壽命計算

2.1 工作狀態影響電子組件壽命的因素

電子設備在工作狀態增加了電應力。因此在計算工作狀態壽命時，除了考慮環境溫度、環境濕度、化學應力以及質量控制之外，還要重點考慮電應力的影響，包括電壓應力、電流應力、元器件本身的內部電路等。

但由于電子設備在設計及制造階段用戶無法介入，因此，在工作狀態的失效率控制因素與非工作狀態類似。

2.2 電子組件工作狀態壽命計算

根據GJB 229C 中工作失效率預計模型計算元器件工作狀態失效率，電子組件工作狀態壽命為電子組件工作狀態失效率的倒數。以薄膜電容為例計算工作狀態壽命。薄膜電容的工作失效率λP及工作狀態壽命TP計算式為：

式（3）中，λb是薄膜電容工作基本失效率（單位：10-6/h），πE是工作環境系數，πQ是工作質量系數，πCV是電容量系數、πK是種類系數、πch是表面貼裝系數。其中，λb、πQ、πCV、πch、πK由電路板的設計、生產階段決定，用戶無法改變。僅有工作環境系數πE可以由用戶對電路板的工作環境進行管控。與非工作模式相同，最高等級為GB。

3 案例分析

以某電站A 電源中的功率板為例，進行非工作狀態壽命計算。這里計算使用的貯存溫度、環境類型、元器件質量等級等均為假設條件，不同的板卡、不同的貯存環境需要根據實際情況進行重新定義計算，計算過程類似。

設定非工作狀態溫度為25 ℃，元器件質量等級為B2，為更好的反饋現實情況，在此環境類型分別假設為GF1和GF2。

3.1 環境類型為GF1

（1）元器件信息分類統計。表1 統計了功率板中所有元器件的信息，并將元器件信息按照GJB 108A 中的元器件分類法進行分類。

表1 功率板非工作狀態（GF1）元器件信息及失效率計算

（2）非工作狀態失效率計算。根據GJB 108A 中關于電子組件非工作狀態失效率的詳細預計法預計模型，計算出功率板的總失效率λ為0.8×10-6/h。

（3）非工作狀態MTBF 計算。換算為MTBF（λ取倒數）為142.7 年。

3.2 環境類型為GF2

（1）元器件信息分類統計。表2 統計了功率板中的所有元器件信息，并將元器件信息按照GJB 108A 中的元器件分類法進行分類。

表2 功率板非工作狀態（GF2）元器件信息及失效率計算

（2）非工作狀態失效率計算。根據GJB 108A 中關于電子組件非工作狀態失效率的詳細預計法預計模型，計算出功率板的總失效率λ 為1.92×10-6/h。

（3）非工作狀態MTBF 計算。換算為MTBF（λ 取倒數）為59.4 年。

4 結論

每類電子設備所包含的元器件種類和數量以及構成不同，不同元器件在非工作狀態下的失效率不同，故每一類儀控板卡在非工作狀態下的失效率是不一樣的，本文提供了電子設備非工作狀態和工作狀態的失效率計算方法，通過獲得的非工作狀態和工作狀態壽命，結合電子設備預防性替換周期，可判斷獲得更換周期的起始點，或者對非工作狀態的壽命時間進行折算給出起始點。另外，工作狀態的壽命可為制訂電子產品的預防性維修策略提供參考。