使用易老化元件識別法評估核電儀控設備壽命

姚力愷 YAO Li-kai；王志武 WANG Zhi-wu；涂畫 TU Hua

（蘇州熱工研究院設備管理中心，深圳 518000）

0 引言

自大亞灣核電站1994年商運以后，國內核電站經過多年發展后，各類儀控設備的老化現象逐漸凸顯，儀控設備故障率逐漸上升，嚴重時有導致跳機跳堆的事件發生。因此自2002年開始大亞灣核電站啟動儀控設備老化管理。早期的儀控設備老化管理對在評估儀控設備預期壽命時通常采用分析整件的故障歷史數據或進行加速老化試驗。這兩種方法前者只有在較多的老化失效已經顯現時才能評估預期壽命。后者則需要較高的試驗費用，難以全面普及。[1-5]本文提出通過分析識別核電儀控設備中的易老化元件，并根據易老化元件的經驗反饋數據、現場設備運行溫度、廠家耐久性實驗數據等評估易老化元件的預期壽命，并以最短壽命元件作為設備預期壽命用于維修策略管理。

1 易老化元件

根據國內外核電行業經驗反饋、儀控設備電子元器件老化機理，結合核電廠多年老化數據收集分析結果，部分元器件壽命小于其所服務的整體設備的設計壽命，導致整體設備提前老化失效。此類易老化元件主要包括電解電容、熔斷器、繼電器、電位器、連接器、齊納二極管、可控硅、高發熱電阻、開關、光電耦合器、DC/DC電源模塊、功率發熱元器件、電路板連接器、接線端子、電池等，其主要老化因素、老化機理、失效模式總結見表1。

1.1 電解電容壽命影響因素

電解電容器常見的失效原因有：漏液、爆炸、開路、擊穿、電參數惡化等。其諸多失效原因多數是由于內部密封材質、電解液等物質發生化學反應導致，當反應進行到一定程度后電解電容失效。這些化學反應需要外界提供一個能量勢壘使其從正常狀態進入退化狀態。提供此能量勢壘進行反應的頻數是按照一定概率發生的，即服從玻爾茲曼分布。因此其老化速率受溫度影響巨大，其老化反應速率可用阿里尼烏斯方程描述，如式（1）所示，其中k為玻爾茲曼常數，Ea為激活能，R為反應速率，T為溫度。

在工程實踐中，絕大部分電解電容廠家會對自身產品進行加速老化試驗，得出在額定溫度和額定紋波電流下的電解電容壽命。對工作溫度下的預期壽命，大多數廠家推薦使用10度法則計算預期壽命。10度法則如式（2）所示，其中L為工作溫度下的預期壽命，L0為廠家給出的額定壽命，T0為廠家給出的額定溫度，Ts為電解電容工作溫度。

1.2 光電耦合器壽命影響因素

根據對某型號光電耦合器失效模式的分析，輸入輸出間絕緣性能降低失效占比22%；輸入輸出間開路失效（引線斷裂、PT芯片損壞等）占比26%；光電傳輸特性失效占比32%；輸入輸出間短路失效占比20%。

其中占比最大的光電傳輸特性失效與時間有關，一般認為其壽命主要受等效電流和工作環境溫度的影響，可通過式（3）所示的方法根據廠家給出的加速老化試驗壽命數據計算正常工作狀態下的壽命。其中L為正常狀態的預期壽命，Lacc為加速老化試驗下的壽命，Iacc為加速老化試驗時光電耦合器的等效工作電流，Inorm為正常狀態下光電耦合器的工作電路，Ea為激活能，K為玻爾茲曼常數，Tnorm為正常狀態下光電耦合器的工作溫度，Tacc為加速老化試驗時的工作溫度。

如圖1所示，為某光電耦合器廠家給出的部分使用砷化鎵LED的光電耦合器在額定工作狀態下CTR（電流傳輸比）隨時間老化的趨勢。可以看到CTR在10-15年后降下降到一個較低水平。

圖1 某類砷化鎵光電耦合器CTR老化趨勢

2 設備分級

不同重要程度的設備應采取不同的維護策略，宜使用如下所述的分級策略。

A級設備：

單一設備失效導致停堆、停機、降功率≥5%Pn、功率大幅波動，或導致失去/降級支持電站核安全的關鍵功能，或使人員安全、工業安全、環境安全、輻射安全等危害增加變得不可接受，或導致重大設備損壞的風險增加。該類設備對安全和發電具有關鍵的作用；

DCS系統單一故障導致含有跳機跳堆或甩負荷或退狀態信號的服務器/控制器或通信A/B列雙列失去的設備和部件。含有跳機跳堆或導致負荷瞬態或退狀態信號的設備。

對A級設備可根據老化識別進一步分為A1級設備和A2級設備：

①A1級設備：含有短壽命元器件或需要定期更換的A級設備，或老化失效危險度高的A級設備，或發生故障產生的瞬態不可挽回的設備；

②A2級設備：除A1級外的所有A級設備。

B級設備：

單一設備失效雖然不直接影響核安全和發電能力，但對電站的核安全和機組發電具有重要作用。單一失效導致降功率<5%Pn、或機組停機停堆/降功率的風險增加、大修延長、核安全風險增加（技術規范未包含的設備）、或失去跳機跳堆保護冗余/安全保護冗余/重大設備保護冗余的設備。

單一設備失效不影響機組安全或可用性。但這類設備由于故障率高導致機組運行成本上升，或通過適當的維護能較好地延長設備使用壽命從而降低維修成本。

對B級設備可根據老化識別進一步分為B1級設備和B2級設備：

①B1級設備：含有短壽命元器件的B級設備，或老化失效危險度高的B級設備；

②B2級設備：除B1級外的所有B級設備。

C級設備：

除A級和B級以外的其他設備。C級設備不納入老化管理范圍。

對于A1級設備，應使用保守的更換周期并在條件允許時對易老化元件進行檢測，在發現老化征兆時更換。對于B1級設備，可適當延長更換周期并盡量僅更換易老化元件而不是整件，以減少老化維護成本。

3 預期壽命評估方法

如圖2所示，通過7個步驟完成壽命的評估。

圖2 預期壽命評估流程

步驟1：評估設備老化失效影響。使用前述設備分級評估方法，將設備根據失效影響先分為A/B/C級，后續根據是否存在易老化元件再分為A1/A2/B1/B2等。

步驟2：收集經驗反饋數據。主要包括該設備的故障歷史、故障原因、各類易老化元件的平均老化壽命。

步驟3：易老化元件識別。通過對電路板實體或廠家提供的BOM清單，識別是否存在表1中所列易老化元件。將相關信息編列成表。

步驟4：獲取識別出的易老化元件廠家手冊，判斷其中是否存在耐久性試驗數據，通常電解電容廠家一定會給出耐久性實驗數據。

步驟5：如果元件廠家給出耐久性試驗數據，則測量現場實際工作溫度，通過廠家耐久性試驗數據和現場實際溫度計算預期壽命，如使用前述的式（2）。為精準的測量電解電容實際工作溫度，推薦使用感溫貼紙或熱成像儀測量其表面溫度。

步驟6：如果元件廠家未給出耐久性試驗數據，則計算被分析設備的故障率水平。若被分析設備的故障率大于行業普遍水平，則其易老化元件壽命評估使用偏保守的預期壽命；反之則使用較長的預期壽命。計算故障率時，考慮到部分設備的故障數量和使用數量較少，可通過計算故障率的置信區間與行業普遍水平比較。其中故障率的置信區間下限公式見式（4）。其中λd為故障率在置信率α下的下限，λp為故障率點估計，r為故障數量，χ2n；α為卡方校驗值。

根據exida公司統計的化工、電力、航海中的儀控設備一般故障率區間見表2。[6]

表2 行業一般數據

步驟7：根據儀控設備中各元件預期壽命及是否可更換給出維修策略。若元件不易更換（如1E級涉及復雜的鑒定），則使用各元件中預期壽命最短壽命作為整件更換周期。若部分元件可單獨更換，則可根據其壽命制定單獨更換元件的維修策略。對于容易進行狀態監測的元件則應考慮定期測量其關鍵狀態參數，評估其老化趨勢。

4 狀態監測

4.1 電解電容

電解電容主要的性能指標包括靜電容量、損失系數（D）、阻抗（Z）、等效串聯電阻（ESR），通過這些性能指標的變化，可用于評估電容的老化狀態。

市面上常見的LCR測試儀可以測量上述一種或多種性能指標。

在測試時宜將電容從原始電路板上取下進行測量，在條件受限時可以直接在原電路中進行測量，但應與全新板件使用同樣測試方法得到的數據進行對比。

4.2 光電轉換器

對于光電轉換器類設備，直接監測內部各元件的狀態是困難的。但整件的輸出光功率、光敏感度、傳輸時的丟包率信號可以表征設備的工作狀態和老化程度。聯合使用OTDR和可控光衰減器可測量上述指標，當工業現場條件受限時，可僅使用光功率計測量輸出光功率。對于重要功能位置的光電轉換器，在輸出光功率較壽期初衰減1dB至1.5dB后宜使用新備件更換。

5 結束語

通過本文所述識別易老化元件進行壽命評估的方法，可以在較低的成本下識別得出核電儀控設備的預期壽命并針對性的制定核電儀控設備可靠性和老化維修策略。若想得出更精確的結果，可以采購新元件對識別出的最短壽命元件進行加速老化試驗。如此可大大減少備件成本和試驗成本。通過在國內多個核電站的實踐，該方法簡單易行，應用效果良好。