錢 翊

上海第一機床廠有限公司 上海 201308

1 研究背景

核電是清潔能源,對環(huán)境影響小,消耗資源少,并且具有良好的經(jīng)濟效益。為了避免核安全事故的發(fā)生,必須提高核電設(shè)備的可靠性。在核電設(shè)備的研發(fā)階段,除了需要滿足一般的功能和性能要求外,還需要滿足可靠性指標(biāo)要求?？煽啃栽O(shè)計和可靠性指標(biāo)驗證是核電產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計中非常重要的工作。

可靠性驗證試驗是分析、驗證、定量評價產(chǎn)品可靠性的一種手段。核電設(shè)備由于試驗樣本數(shù)量少、試驗經(jīng)費不足、研制周期短等原因,無法完全按照標(biāo)準(zhǔn)進行常規(guī)的可靠性驗證試驗。筆者以某核電站換料設(shè)備為例,通過對核電設(shè)備可靠性驗證試驗方法進行研究分析,提出了一種適用于大型核電設(shè)備設(shè)計定型階段的可靠性驗證試驗方法[1-4]。

2 常規(guī)試驗方法

常規(guī)可靠性驗證試驗依據(jù)GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。這一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對系統(tǒng)、設(shè)備進行可靠性鑒定和驗收試驗的要求,并提供了多種試驗方案和方法[5-6]。在設(shè)備研制定型階段,適用可靠性鑒定試驗,但是GJB 899A—2009規(guī)定的可靠性鑒定試驗內(nèi)容非常復(fù)雜,程序要求嚴(yán)格,在設(shè)備研制經(jīng)費緊張、試驗時間緊迫,且試驗樣機數(shù)量嚴(yán)重缺乏的情況下,實施試驗非常困難[7-8],主要存在三方面缺陷。

(1) 試驗樣本數(shù)量不足。按照GJB 899A—2009的要求,用于進行可靠性鑒定試驗的樣本數(shù)量至少為兩臺,而大型核電設(shè)備在研發(fā)階段通常只制造一臺樣機,因此試驗樣本數(shù)量只有一臺,無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 試驗時間短。按照GJB 899A—2009的要求,可靠性鑒定試驗有三類統(tǒng)計方案,序貫試驗對應(yīng)方案1～方案8,定時截尾對應(yīng)方案9～方案17及方案19～方案21,全數(shù)試驗對應(yīng)方案18,所選方案的決策風(fēng)險越小、故障數(shù)量越多,所需要的試驗時間就越長,試驗費用也就越高。核電設(shè)備如果按照GJB 899A—2009進行試驗,所需的試驗時間和費用會遠超研發(fā)預(yù)算。

(3) 試驗結(jié)果的接收和拒收。按照GJB 899A—2009的要求進行可靠性鑒定試驗,試驗結(jié)果存在被拒收的可能。試驗結(jié)果出現(xiàn)拒收后,國內(nèi)一般會重新研發(fā)并進行試驗,國外一般會取消合同。核電設(shè)備在試驗過程中一旦出現(xiàn)拒收,將會嚴(yán)重影響設(shè)備的研發(fā)進度,耗費大量人力、物力及時間。

3 可靠性驗證試驗方法

為了避免上述缺陷,筆者提出一種可靠性評估驗證試驗方法。這一方法的基本思路是在給定置信度的情況下,利用可靠性評估方法進行可靠性評估。如果評估結(jié)果滿足規(guī)定的可靠性指標(biāo)要求,那么說明設(shè)備的可靠性滿足設(shè)計要求。反之,需要在修改故障件的設(shè)計方案后重新進行可靠性評估,避免因為拒收而出現(xiàn)巨大損失。

核電設(shè)備可靠性驗證試驗方法的流程如圖1所示。

圖1 核電設(shè)備可靠性驗證試驗方法流程

4 可靠性評估驗證試驗

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

通過對核電設(shè)備進行可靠性評估驗證試驗,可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的可靠性薄弱環(huán)節(jié),優(yōu)化設(shè)備設(shè)計,提高設(shè)備的可靠性,并且能夠驗證設(shè)備是否達到研發(fā)預(yù)定的可靠性指標(biāo)要求,獲得設(shè)備零部件的損耗和消耗情況,以確定零部件的維修保養(yǎng)周期與方式。

4.2 試驗樣本

對于可靠性評估驗證試驗的樣本,提出以下要求:試驗樣本必須能夠代表未來交付產(chǎn)品的各項特征;在進行可靠性評估驗證試驗前,應(yīng)進行應(yīng)力篩選或磨合,消除早期故障;試驗樣本必須完成可靠性建模和預(yù)計、設(shè)備故障模式與影響分析、設(shè)備零部件試驗驗證、設(shè)備整機功能和性能試驗,并提交相關(guān)報告;當(dāng)試驗樣本數(shù)量僅有一臺時,需得到客戶方認(rèn)可。

4.3 試驗時間

通常情況下,無論產(chǎn)品或設(shè)備的失效概率服從何種分布,都按照默認(rèn)的指數(shù)分布形式安排試驗時間。

累積試驗時間T為:

(1)

式中:Χ2為卡方分布;MTBFL為平均失效間隔時間單側(cè)下限;r為累積故障數(shù)量;γ為置信度,一般取0.7～0.9。

根據(jù)式(1)得出試驗時間安排,見表1。

表1 可靠性評估驗證試驗時間

4.4 責(zé)任故障

在可靠性驗證過程中,只有責(zé)任故障才屬于可靠性驗證試驗統(tǒng)計的故障。責(zé)任故障判定流程如圖2所示。

5 可靠性評估

5.1 可靠性評估兩種情況

在可靠性評估驗證試驗過程中,收集相關(guān)試驗數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上進行可靠性評估,分為兩種情況。

第一種情況,在試驗周期內(nèi),設(shè)備基本沒有任何改變,或設(shè)備的更改不影響原本的可靠性水平,從可靠性角度而言,認(rèn)為可靠性評估所依據(jù)的試驗數(shù)據(jù)來源于同一母體,在試驗周期內(nèi)設(shè)備的可靠性水平保證一致。針對這種情況,通常采用指數(shù)可靠性評估模型。

圖2 責(zé)任故障判定流程

第二種情況,在試驗周期內(nèi),對設(shè)備進行了改進,設(shè)備原本的可靠性有所變化,此時不能認(rèn)為可靠性評估所依據(jù)的試驗數(shù)據(jù)來源于同一母體,試驗周期內(nèi)設(shè)備的可靠性是變化的。在這種情況下,設(shè)備的可靠性有所提高,應(yīng)采用Duane或AMSSA可靠性評估模型。

可靠性增長是試驗、分析、改進不斷循環(huán)的過程,不斷消除設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計或制造安裝中的薄弱環(huán)節(jié),使可靠性水平隨時間不斷提高,從而提高固有可靠性[9]。

采用多種模型進行可靠性評估后,如果得出的評估結(jié)果滿足規(guī)定的可靠性指標(biāo)要求,那么認(rèn)為設(shè)備的可靠性符合要求,通過可靠性驗證試驗。否則,認(rèn)定為未通過可靠性驗證試驗,需要考慮進行設(shè)計改進,完成后重新安排試驗。

5.2 可靠性評估模型

5.2.1 指數(shù)可靠性評估模型

針對試驗周期內(nèi)發(fā)生故障的情況,假設(shè)在試驗時間T內(nèi),設(shè)備共發(fā)生了r個故障,平均失效間隔時間MTBF點的估計值為:

MTBF=T/r

(2)

則平均失效間隔時間單側(cè)下限MTBFL評估為:

(3)

若試驗周期內(nèi)未發(fā)生故障,即當(dāng)r=0時,MTBFL評估為:

MTBFL=-T/ln(1-γ)

(4)

5.2.2 Duane可靠性評估模型

對于定時截尾的可靠性增長試驗,試驗設(shè)備先后發(fā)生了n個故障,故障時間點對應(yīng)為t1,t2,…,tn,采用Duane模型進行可靠性評估。

按式(5)計算各個時間點上的MTBF觀測值:

Mi=ti/rii=1,2,…,n

(5)

式中:ti為第i個故障發(fā)生時的累積試驗時間;ri為第i個故障發(fā)生時的累積故障次數(shù);Mi為第i個故障發(fā)生時的MTBF觀測值。

計算Duane模型的參數(shù)值,即包括產(chǎn)品實際的可靠性增長率m和尺度參數(shù)a:

(6)

a=e(lnMn-mlntn)/n

(7)

對MTBF點值進行估計:

(8)

式中:MTBF(t)為t時刻產(chǎn)品達到的瞬時MTBF點估計值。

Duane模型描述了在產(chǎn)品可靠性提高試驗過程中,累積故障率與累積試驗時間在雙對數(shù)坐標(biāo)中近似呈線性函數(shù)關(guān)系[10]。

利用Duane模型分析得到的結(jié)果是產(chǎn)品在某一時刻t達到的瞬時MTBF點估計值,m值代表了產(chǎn)品的實際增長率。當(dāng)m≤0.1時,產(chǎn)品的可靠性無提高。當(dāng)0.1

利用Duane模型可以評估產(chǎn)品的可靠性提高情況,但是不能進行可靠性區(qū)間評估。

5.2.3 AMSAA可靠性評估模型

AMSAA模型又稱Crow模型,模型考慮了試驗過程中樣本結(jié)果的隨機性問題,是Duane模型的概率補充,可以進行MTBF點的估計和區(qū)間估計。利用AMSAA模型對母體改變的設(shè)備進行可靠性評估是比較理想的選擇。

試驗設(shè)備先后發(fā)生了n個故障,故障時間點對應(yīng)為t1,t2,…,tn,計算AMSAA模型尺度參數(shù)a和形狀參數(shù)b點的估計值:

(9)

a=ri/Tb

(10)

計算t時刻MTBF點的估計值:

(11)

計算平均失效間隔時間單側(cè)下限MTBFL點的估計值:

(12)

式中:MTBFL(t)為t時刻產(chǎn)品達到的瞬時MTBFL點估計值。

6 案例分析

某核電換料設(shè)備由減速箱、殼體、傳動組件、屏蔽塊、桿、支座、存放架、滑軌和電氣控制組件組成。壽期內(nèi)執(zhí)行換料19 000次,每次換料需6 min,設(shè)備運行溫度為185～215 ℃,換料任務(wù)可靠性指標(biāo)要求為MTBF≥800 h。

6.1 試驗剖面

換料設(shè)備的可靠性評估驗證試驗需要模擬設(shè)備的實際運行工況。換料設(shè)備執(zhí)行一次換料任務(wù)的工作時間為6 min,試驗時對更換一次燃料組件的換料設(shè)備動作進行分解,如圖3所示。

圖3 換料設(shè)備動作分解

試驗在185～215 ℃溫度的環(huán)境中進行。

6.2 試驗時間

根據(jù)表1的試驗時間安排,為了滿足換料設(shè)備在80%置信度下MTBF≥800 h的要求,如果在試驗期間內(nèi)沒有發(fā)生故障,那么試驗時間為1.61×800=1 288 h。如果發(fā)生一個故障,試驗時間為2.99×800=2 392 h,即需要延長1 104 h的試驗時間。

6.3 試驗計劃

為了消除換料設(shè)備的早期故障,提高換料設(shè)備試驗的成功率,在進行可靠性評估驗證試驗之前,需要進行一次磨合試驗。在磨合試驗期間,如果發(fā)現(xiàn)問題,應(yīng)及時分析解決。

磨合試驗出現(xiàn)的故障不納入可靠性評估驗證試驗的統(tǒng)計。磨合試驗采用每天24 h不間斷的方式進行,次數(shù)為設(shè)備壽期內(nèi)運行次數(shù)的10%,即1 900次,則磨合試驗的時間為190 h,約8天。在沒有出現(xiàn)故障的情況下,可靠性評估驗證試驗時間為54天。試驗前后對試驗設(shè)備的安裝調(diào)試、檢測及清潔需要約15天,由此,換料設(shè)備的可靠性評估驗證試驗最少需要77天。

6.4 故障判據(jù)

換料設(shè)備在出現(xiàn)以下情況時,應(yīng)判定設(shè)備出現(xiàn)故障:① 換料設(shè)備不能執(zhí)行換料工作;② 換料設(shè)備定位精度不滿足要求;③ 換料設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)發(fā)生松動或損壞。

換料設(shè)備出現(xiàn)以下情況時,可判為責(zé)任故障:① 由于傳動設(shè)計的缺陷或制造工藝不良造成設(shè)備無法實現(xiàn)功能;② 設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)發(fā)生松動、損壞或斷裂;③ 由于零件潛在缺陷導(dǎo)致零件失效,設(shè)備功能無法實現(xiàn);④ 無法證實原因的異常。

6.5 試驗成功準(zhǔn)則

在80%置信度下,如果能夠得到換料設(shè)備MTBF≥800 h的結(jié)論,那么可靠性驗證試驗成功,試驗結(jié)束。

6.6 試驗結(jié)果

換料設(shè)備在可靠性驗證試驗過程中發(fā)生一次故障,故障維修沒有改變設(shè)備的母體,根據(jù)式(3)可以得到可靠性驗證試驗時間為2 392 h。本次試驗實際總時間為128天,包括:① 磨合試驗190 h,約8天;② 磨合試驗過程中的維修時間,3天;③ 可靠性評估驗證試驗時間2 392 h,約100天;④ 故障維修時間,5天;⑤ 試驗前后對試驗設(shè)備的安裝調(diào)試、檢測及清潔時間,12天。

換料設(shè)備可靠性驗證試驗時間為2 392 h,共出現(xiàn)一次故障,在80%置信度下,能夠得到MTBF≥800 h的結(jié)論,本次試驗成功。

7 結(jié)束語

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合核電設(shè)備研制的實際情況,筆者提出一種核電設(shè)備可靠性驗證試驗方法。這一方法既可以有效解決可靠性試驗標(biāo)準(zhǔn)不適用的情況,又可以在很大程度上減少設(shè)備的研制費用及時間,還能夠避免在試驗中出現(xiàn)拒收的風(fēng)險。