核電廠數(shù)字化儀控設備壽命驗證方法研究

上海核工程研究設計院 董雷斌

核電廠數(shù)字化儀控設備是核電廠中重要的組成部分之一，該儀控設備的穩(wěn)定和壽命決定了核電廠是否安全、可靠、穩(wěn)定。因此準確評估核電廠數(shù)字化儀控設備的壽命對核電廠的安全運行有著重要的現(xiàn)實意義[1]。

1 儀控設備失效和老化機理

儀控設備老化。隨著使用壽命的增加，電子產(chǎn)品將不可避免地開始老化。1994年大亞灣核電站投入運營，2003年開始部分儀控設備故障增多，設備出現(xiàn)老化現(xiàn)象。為應對儀器和控制設備的老化，核電站通常采用基于產(chǎn)品生命周期的備件戰(zhàn)略，這增加了儀控設備部件的采購價格。因此，準確驗證儀控設備各個部件的使用壽命既可以節(jié)省成本，又可以滿足設計壽命的要求、確保核電廠儀器的安全性[2]。

儀控設備失效控制。通過對儀表和控制設備的研究，可以分析儀表和控制設備的老化情況，進一步確認儀控設備的剩余壽命，減少或者避免老化導致的設備故障。通常儀控設備在設計、制造和安裝階段的都能達到基本性能要求，雖然在調(diào)試和廠家試驗階段不會出現(xiàn)問題，但并不能避免內(nèi)藏的隱形問題。在使用的初期儀控設備都能符合設計要求，其具有低效率和良好穩(wěn)定性的特性和良好的穩(wěn)定性。隨著時間的推移，壽命失效階段由于環(huán)境溫度、濕度、塵埃等因素造成儀控設備性能急劇下降。為了確保儀器和控制設備可以滿足設計要求，儀器和控制設備的設計壽命中不出現(xiàn)直接損失故障[3]。

2 傳統(tǒng)壽命驗證方法

壽命試驗屬于設備可靠性試驗范疇，在規(guī)定在試驗條件下驗證或考察設備隨時間變化情況。壽命試驗有很多，包括貝葉斯法、時間截斷測試法、加速壽命試驗方法。貝葉斯法是把所有的未知量看做隨機變量，用抽樣或試驗前關(guān)于參數(shù)的先驗信息去描述或者用后驗信息去描述；時間截斷測試法是根據(jù)儀控設備累積試驗時間，估算出平均無故障工作時間（MTBF），因此一般產(chǎn)品在研發(fā)試驗期進行；貝葉斯法計算的是系統(tǒng)可靠性的下限；加速壽命試驗可驗證整個壽命周期的可靠性。由于核電行業(yè)的特殊性，儀控產(chǎn)品產(chǎn)量小，使用量不大，因此更適合時間截斷的試驗方法和加速壽命試驗方法。

3 加速壽命試驗法（ALT）

根據(jù)行業(yè)內(nèi)電子設備的研究經(jīng)驗，電子設備的老化速度容易受到各種環(huán)境因素的影響。改變環(huán)境的溫度和濕度，電子設備的老化速度往往會發(fā)生顯著的變化，我們可以嘗試改變設備的工作溫度和濕度來加速或減緩設備的老化速度，從而進行加速壽命試驗，加速壽命試驗是在不改變產(chǎn)品失效機理的情況下加速應力強度，而不是引入新的失效模式試驗方法，該測試方法通常用于設備的使用壽命。

加速壽命試驗需要在短時間內(nèi)獲取生命數(shù)據(jù)來指導產(chǎn)品的維護和保護策略。可以采用工作環(huán)境中的應力測試方法，并且可以縮短測試過程，使得產(chǎn)品可以在加速測試光譜下在短時間內(nèi)達到相同的累積應力，從而可以接受測試循環(huán)和成本，有必要確定加速的壽命測試是否適用于設備，加速或減速的應力是失敗的。在這種壓力的行動下設備不會更改故障機制并引入新的故障模式[4]。

3.1 加速壽命試驗的流程

可靠性評估：根據(jù)廠家UMM 手冊，或者對多家類似產(chǎn)品進行調(diào)研，對產(chǎn)品進行可靠性設計評估，確認該產(chǎn)品滿足設計要求；可靠性驗證：按照GJB899A-2009開展可靠性評估試驗，定量該產(chǎn)品的可靠性；加速壽命試驗：通過調(diào)節(jié)使用現(xiàn)場的溫濕度、壓力等條件，調(diào)整溫度的應力或調(diào)節(jié)溫度或壓力來評估設備的性能,在短時間內(nèi)來驗證儀控設備的壽命試驗，從而縮短了試驗時間。加速壽命試驗分定量應力試驗、步進應力試驗、序進應力加速壽命試驗；試驗總結(jié)：通過加速壽命試驗和可靠性驗證，最終預測儀控設備的使用壽命。

3.2 加速壽命試驗應力

溫度和濕度始終是導致電子產(chǎn)品老化的重要因素。在常規(guī)鑒定試驗中，溫度和濕度也包括在環(huán)境測試中。如今，通過驗證儀器改變儀器和控制設備的工作環(huán)境溫度和濕度，可以改變設備的故障過程和使用壽命，以及調(diào)整溫度的應力或調(diào)節(jié)溫度或壓力可以選擇濕度來評估設備的性能隨時間在短時間內(nèi)，以驗證設備的耐用性。

定量加速試驗，就是將試驗設備分成若干組，并在試驗環(huán)境場所（比運行環(huán)境要惡劣）下進行試驗，直到出現(xiàn)產(chǎn)品功能失效（圖1）；步進應力試驗是將被測的儀控設備階段增加環(huán)境等試驗條件（更惡劣的條件），直到被測的儀控設備功能異常為止（圖2）；序進應力加速壽命試驗，它是將被測的儀控設備勻速的增加環(huán)境等試驗條件（更惡劣的條件），一直到被測的儀控設備功能異常為止（圖3）。

圖1 定量加速試驗

圖2 步進應力試驗

圖3 序進應力加速壽命試驗

根據(jù)電子產(chǎn)品的加速生命試驗的行業(yè)經(jīng)驗，推薦的激活能量范圍為0.6～0.8eV，當PCBA 板的加速壽命試驗時，也建議在EJ/T1197中使用不超過0.8eV 激活能量，因此選擇0.6eV 作為該測試中的激活能量值。為了使加速壽命測試較少的其他因素影響而不是測試應力，儀器和控制設備應在測試前做好準備：檢查模塊的外觀，確定測試環(huán)境，將模塊放在溫度和濕度測試室，并將試驗室的溫度設定在25℃上。在模塊的溫度穩(wěn)定后，測試模塊的功能和性能，記錄測試數(shù)據(jù)，檢查模塊的外觀和功能是否可靠，并記錄數(shù)據(jù)[5]。

由上可知，為可以解決其中存在的問題應當對儀控設備的壽命數(shù)據(jù)進行精準的評估，處在特殊環(huán)境中的設備應當依據(jù)實際情況采用到相關(guān)措施，才能夠真實反映實際情況，確保其壽期能精確獲取。