王國云，猶代倫，馬 蜀，李 勇，楊鐵成

(1.大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518124；2.中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 518124；3.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

大亞灣核電站兩臺機組于1994年投入商運。其儀控設(shè)備采用20世紀(jì)70年代的模擬和繼電器技術(shù)，大量使用了模擬板件，只有少部分系統(tǒng)使用了數(shù)字化技術(shù)。電站運行10年左右，陸續(xù)出現(xiàn)了一些老化相關(guān)的儀控設(shè)備缺陷，如電容失效、保險燒毀、接觸不良等，對機組的安全運行造成威脅。另外，隨著電站的運行時間延長以及儀控設(shè)備產(chǎn)品更新?lián)Q代，某些儀控設(shè)備的板件類備件非常昂貴，有的甚至已經(jīng)停產(chǎn)。因此，大亞灣核電站從2002年啟動儀控設(shè)備老化管理，于2003年開始實施[1]。

1 儀控設(shè)備老化機理研究

1.1 老化機理

儀控設(shè)備壽命與其內(nèi)部所有元器件老化降質(zhì)有關(guān)，最短壽命的元器件通常決定儀控設(shè)備的壽命。元器件“老化”的實質(zhì)是材料或設(shè)備的特性隨時間發(fā)生變化。大多數(shù)情況下，一個電子元器件的壽命受限于絕緣材料老化，這是由于介電強度退化。此外，電子元器件的參數(shù)隨時間發(fā)生變化，如漏電流或直流增益增大會導(dǎo)致這些元器件老化。許多物理應(yīng)力會導(dǎo)致元器件老化，如電流、電壓或電阻發(fā)熱是電子元件的固有現(xiàn)象。外部應(yīng)力，如環(huán)境溫度、輻射、振動、沖擊，或其他機械和化學(xué)應(yīng)力都會加速元器件的老化。高溫以及溫度循環(huán)也是電子元器件和電子設(shè)備老化的主要原因。但并不是所有失效都與老化相關(guān)，也會有其他原因，如器件制造質(zhì)量或設(shè)計缺陷[2-4]。

限于篇幅，本文僅簡要分析兩種典型儀控設(shè)備的老化失效機理作為參考。

①電解電容。

電解電容的主要老化機理是電解液通過端蓋的密封泄漏，這是一個與橡膠密封有關(guān)的特殊問題，如果橡膠性能嚴(yán)重降質(zhì)，會形成電解液泄漏通道。當(dāng)溫度為20 ℃時，一個典型的電解電容的老化過程可能需要10年(根據(jù)制造的工藝和材料品質(zhì)，壽命有所不同)，高溫則可加快這個老化過程。溫度(環(huán)境)、電壓和紋波是導(dǎo)致電解電容故障的誘導(dǎo)因素，會加速電解液蒸發(fā)。電解液的流失增大了等效串連電阻，減小了電容容量，最后電容會因開路或短路而失效[3-7]。

②中子通量探測器。

堆芯外探測器一般根據(jù)電離原理運行，堆芯內(nèi)探測器通常由含有鍍鈾電極的裂變室構(gòu)成。中子通量探測器的使用壽命要一般小于反應(yīng)堆的壽命，探測器屬于耗損部件，需要定期更換，老化機理主要與探測器的類型有關(guān)。制造工藝也對老化機理有著重要的影響，如制造缺陷造成電離室的密封和絕緣退化，導(dǎo)致泄漏和中子通量測量異常。計數(shù)器對氣體質(zhì)量特別敏感，若氣體中存在雜質(zhì)或濕度，會改變傳感器的特性。雜質(zhì)有可能是傳感器制造期間進(jìn)入的，濕度可能是測量室泄漏引起的。電離室探測器的退化主要與敏感涂層(例如硼)的退化有關(guān)。敏感涂層屬于耗損部件。通常這類傳感器作為源量程探測器可能具有5～8年的運行壽命,作為中間量程或功率量程探測器可能有10～20年的運行壽命[6]。

1.2 短壽命元器件和短壽命設(shè)備識別

根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗反饋及電子元器件老化機理的分析研究，結(jié)合核電廠多年老化數(shù)據(jù)收集分析，部分元器件壽命短于其所服務(wù)的整體設(shè)備設(shè)計壽命，導(dǎo)致整體設(shè)備提前老化失效。

根據(jù)元器件的老化效應(yīng)和老化機理的認(rèn)知，以及設(shè)備現(xiàn)場使用經(jīng)驗，短壽命元器件主要有熔斷器、電解電容、光電耦合器、高發(fā)熱電阻、可控硅、電位器、DC/DC電源模塊、齊納二極管、功率發(fā)熱元器件、繼電器、開關(guān)、連接器、接線端子、存儲介質(zhì)、電池等。

根據(jù)儀控設(shè)備的老化效應(yīng)和老化機理的認(rèn)知，以及設(shè)備現(xiàn)場使用經(jīng)驗，短壽命設(shè)備主要有電源、電磁閥、變壓器、變送器、溫度探頭、開關(guān)量一次元件、核測量一次元件、電纜、散熱風(fēng)扇、鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等[4]。

2 儀控設(shè)備可靠性及老化管理方法

2.1 可靠性及老化管理目標(biāo)與組織機構(gòu)

可靠性及老化管理的目標(biāo)是識別重要儀控設(shè)備的老化對核電廠安全和可用率造成的任何潛在的影響，并采取適當(dāng)?shù)男袆印?/p>

可靠性及老化管理工作涉及范圍較廣，解決復(fù)雜的老化問題不僅是儀表控制部門的事，還需要核電廠多個專業(yè)的相互支持和合作。根據(jù)核電廠設(shè)備的老化情況，應(yīng)建立核電廠老化管理組織機構(gòu)，并明確各自的主要責(zé)任和相互之間的關(guān)系。其中，老化管理項目組的作用非常重要，是整個可靠性及老化管理的核心。它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各相關(guān)部門，指導(dǎo)核電廠儀控設(shè)備的老化識別及分級，牽頭制定老化管理策略、方法、標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)專業(yè)部門制定老化處理計劃和現(xiàn)場實施[2]。

2.2 建立儀控設(shè)備分級管理原則

核電廠有數(shù)量龐大、類型各異的儀控設(shè)備。這些儀控設(shè)備對老化降質(zhì)的敏感程度有很大差異，評估并量化每一個儀控設(shè)備的降質(zhì)程度既不可行，也沒必要。對此，應(yīng)使用一個系統(tǒng)的辦法，把資源集中到那些對電廠的安全運行有重大影響并易老化降質(zhì)的儀控設(shè)備上。

老化管理應(yīng)使用基于安全的方法來甄別篩選儀控設(shè)備，具體過程如下。

①列出所有系統(tǒng)和設(shè)備，并識別出安全重要儀控設(shè)備及影響機組可用率的設(shè)備。

②在上述基礎(chǔ)上分析直接或間接導(dǎo)致降低或喪失安全功能或影響機組可用率的部件，并識別出部件內(nèi)部安全重要元件。

③從安全重要元件列表中識別出老化降質(zhì)可能導(dǎo)致部件故障的元器件，并識別出容易老化降質(zhì)的短壽命元器件。

根據(jù)大亞灣核電站儀控設(shè)備的核安全和機組可用率要求，以及設(shè)備是否使用短壽命元器件，將儀控設(shè)備分為A、B、C三個級別進(jìn)行管理。對三個級別的儀控設(shè)備采取不同的老化緩解策略，以盡可能取得老化風(fēng)險控制和成本控制的最佳效益。

大亞灣核電基地儀控設(shè)備分級情況如下。

A級設(shè)備：影響重要核安全功能的設(shè)備或單一故障導(dǎo)致停機停堆或需要停機停堆處理的設(shè)備。根據(jù)老化識別，對A級設(shè)備可進(jìn)一步分為A1級設(shè)備和A2級設(shè)備。其中，A1級設(shè)備是指含有短壽命元器件的A級設(shè)備或老化失效危險度高的A級設(shè)備，A2級設(shè)備是指除A1級外的所有A級設(shè)備。

B級設(shè)備：此類設(shè)備本身沒有安全級別的要求和鑒定要求，但它的失效可能引起安全相關(guān)設(shè)備功能水平的降低。該類設(shè)備的故障或瞬態(tài)，可能導(dǎo)致電廠的能力因子、可用率的降低。對B級設(shè)備，可根據(jù)老化識別進(jìn)一步分為B1級設(shè)備和B2級設(shè)備。其中，B1級設(shè)備是指含有短壽命元器件的B級設(shè)備或老化失效危險度高的B級設(shè)備，B2級設(shè)備是指除B1級外的所有B級設(shè)備。

C級設(shè)備：除A級和B級以外的其他設(shè)備。C級設(shè)備不納入老化管理范圍[2]。

2.3 建立全生命周期可靠性及老化管理策略

根據(jù)前面老化機理的分析，儀控設(shè)備使用壽命一般有三個階段：初期失效階段、正常使用(偶然失效)階段、老化(耗損)失效階段。儀控設(shè)備使用壽命三個階段如圖1所示。針對不同的階段，需要采取不同的策略進(jìn)行可靠性和老化管理，降低設(shè)備失效概率。

圖1 儀控設(shè)備使用壽命三個階段

①初期失效階段。

電子元器件在壽命初期失效率一般會比較高，失效的最大可能是最初的生產(chǎn)缺陷及組裝和試驗階段引入的損害。雖然生產(chǎn)廠家一般會做出廠檢測，對一部分失效產(chǎn)品進(jìn)行剔除，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到核電站對可靠性的要求。因此，這個階段核電廠儀控設(shè)備可靠性管理的重點是建立拷機及元器件篩選平臺。對分級為A或B類的重要備件進(jìn)行烤機檢測，以篩選存在初期失效的儀控設(shè)備。大亞灣核電基地已經(jīng)分別建立了針對繼電器、熔斷器、電源、核級板件、中子探測器等設(shè)備的可靠性及老化檢測平臺，并編寫了對應(yīng)的檢測方法(程序)和標(biāo)準(zhǔn)。

②偶然失效階段。

這個階段儀控設(shè)備失效率一般會比較低，但重要設(shè)備(分級為A級)的失效仍然是致命的，很可能導(dǎo)致重要核安全設(shè)備的不可用或停機停堆等瞬態(tài)事故。因此，這個階段儀控設(shè)備可靠性及老化管理的重點是：進(jìn)行重要系統(tǒng)及設(shè)備參數(shù)檢測，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常并采取措施；利用設(shè)備可靠性及老化檢測平臺對偶然失效的設(shè)備深入研究，爭取發(fā)現(xiàn)可能的共模故障，提前采取措施；對設(shè)備分級為A1級的設(shè)備進(jìn)行雙冗余改造，降低設(shè)備故障的危險度。

③老化(耗損)失效階段。

這個階段儀控設(shè)備失效率一般會大幅提高，因此儀控設(shè)備可靠性及老化管理的重點是避免設(shè)備進(jìn)入這個階段。采用的方法是：更換識別出來的儀控設(shè)備的易老化元器件(如電解電容、光耦、DC/DC模塊等)；對于設(shè)備分級為A1級的設(shè)備，盡量采用整件更換的方式，以提高可靠性；對停產(chǎn)的備件進(jìn)行反向設(shè)計，以維持整體系統(tǒng)改造前的正常運行；對系統(tǒng)進(jìn)行整體改造[9]。

2.4 可靠性及老化檢測技術(shù)

前文提到的儀控設(shè)備全生命周期都需要老化檢測，因此本部分重點討論老化檢測技術(shù)。

根據(jù)核電廠設(shè)備管理流程和現(xiàn)場對設(shè)備可靠運行的要求，對儀控設(shè)備的老化檢測分類如下[5]。

①備件驗收檢測：對新到的儀控設(shè)備備件進(jìn)行無損和有損檢測(抽樣)，確定備件是否合格。

②烤機篩選檢測：對即將使用到現(xiàn)場的儀控設(shè)備備件進(jìn)行無損檢測，通過關(guān)鍵參數(shù)測試確保現(xiàn)場使用的儀控設(shè)備合格。

③老化狀態(tài)檢測：對在線運行多年的儀控設(shè)備進(jìn)行無損和有損檢測，全面分析儀控設(shè)備的老化狀態(tài)，評估現(xiàn)場儀控設(shè)備現(xiàn)場使用的可靠性。

④儀控設(shè)備失效分析：對失效儀控設(shè)備檢測和根本原因分析[8-9]。

2.5 老化緩解

老化緩解過程包括制定實施計劃、備件準(zhǔn)備、現(xiàn)場實施等活動。

①制定實施計劃：老化緩解的首要步驟是按照儀控設(shè)備分級管理原則和老化識別的元器件和設(shè)備，結(jié)合現(xiàn)場具體的設(shè)備老化狀態(tài)和老化熱點，確定老化處理的優(yōu)先順序，制定老化處理的計劃清單，以便提前準(zhǔn)備備件、人力資源、工具、大修窗口等。

②備件和元器件、材料準(zhǔn)備：根據(jù)老化處理計劃提出備件和電子元器件采購清單，確保老化實施的備件要求。對采購電子元器件，使用專用設(shè)備進(jìn)行檢測篩選。對整體更換的新備件，更換前按照規(guī)范要求進(jìn)行可靠性烤機，以篩查存在初期失效的不良備件。

③現(xiàn)場實施：根據(jù)識別出的短壽命元器件和短壽命設(shè)備，按照老化管理大綱和老化管理數(shù)據(jù)庫的要求進(jìn)行現(xiàn)場更換，對停產(chǎn)或淘汰儀控設(shè)備進(jìn)行替代或改造。

3 結(jié)束語

大亞灣核電基地從2002年開始啟動儀控設(shè)備可靠性及老化管理，經(jīng)過逐漸探索和總結(jié)，已經(jīng)建立了一整套適應(yīng)核電廠的儀控設(shè)備可靠性及老化管理體系，并取得了顯著成效。該體系大大提高了儀控設(shè)備可靠性，提升了電站的核安全水平，顯著減少了停機停堆事故和發(fā)電損失，具有一定的推廣價值，可以用來指導(dǎo)和應(yīng)用于同類核電站以及常規(guī)電廠儀控設(shè)備可靠性管理。

隨著儀控設(shè)備可靠性和老化管理工作的進(jìn)一步開展，要求不斷開發(fā)新的老化分析技術(shù)，尤其是針對DCS、PLC等數(shù)字化板件的老化檢測技術(shù)。另外，隨著老化管理數(shù)據(jù)庫的逐步建立，以及老化數(shù)據(jù)的不斷積累，儀控設(shè)備可靠性和老化管理工作將逐步側(cè)重于對設(shè)備老化趨勢的預(yù)期以及壽命評估。