楊曉奇，吳 茜，周 亮

（中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086）

0 引言

在秦山核電30萬機(jī)組中，大量的過程控制系統(tǒng)都使用了模擬組裝儀表[1]。調(diào)節(jié)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于一、二回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如高/低加水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)、凝汽器熱井水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)、除氧器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)、蒸發(fā)器水位調(diào)節(jié)、反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓器液位/壓力調(diào)節(jié)等系統(tǒng)。調(diào)節(jié)方式有單回路控制、單/三沖量控制及切換回路等[2]。

此系統(tǒng)中很多板卡都已經(jīng)快到了原有的設(shè)計(jì)壽命，清單見表1。

中廣核北京分院承擔(dān)了30萬千瓦機(jī)組上述模擬卡件老化分析技術(shù)服務(wù)。通過老化分析、試驗(yàn)，對模擬卡件進(jìn)行可靠性分析，從功能角度分析設(shè)備及板件的功能可靠性，采用多種分析方法進(jìn)行，客觀全面地評估設(shè)備及板件的可靠性，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)、維修等工作提供詳細(xì)依據(jù)。最終通過計(jì)算和試驗(yàn)得到模擬卡件的使用壽命及剩余壽命。

表1 剩余壽命分析模擬卡件清單Table 1 Simulation card list for remaining life analysis

1 老化現(xiàn)象及機(jī)理介紹

模擬組件組裝式儀表作為儀控系統(tǒng)的代表，其老化問題必然涉及到所有電子元器件的老化問題，下面對相關(guān)老化現(xiàn)象及老化機(jī)理進(jìn)行簡要介紹：

老化現(xiàn)象：由于運(yùn)行和環(huán)境條件所引起的材料、部件和連接部位的性能退化，稱為“老化”。從大的方面來講，分為3類：微觀結(jié)構(gòu)退化、機(jī)械損傷、電化學(xué)引起的退化過程；來自于環(huán)境壓力的實(shí)例：

◆ 溫度（高或低）

◆ 溫度周期變化

◆ 濕度

◆ 化工產(chǎn)品/污染物

◆ 電離輻射

◆ 供電電源浪涌

◆ 振動

◆ 日光/紫外線（外部設(shè)備）

易老化元器件老化機(jī)理：

◆ 電解電容：結(jié)晶、電解液揮發(fā)等。

◆ 電位器：磨損、腐蝕、由于滑動片長時(shí)間保持在一個位置產(chǎn)生的軌道壓痕、軌道壓痕導(dǎo)致難以設(shè)置需求的調(diào)節(jié)值。

◆ 光耦：發(fā)光二極管效率降低、耦合樹脂透明度降低、光電晶體管暗電流增大。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of this system

◆ 機(jī)電繼電器：線圈的高溫烤線圈的絕緣層，導(dǎo)致線圈裸露、觸點(diǎn)生銹，磨損，出現(xiàn)凹痕、觸點(diǎn)焊合（大電流切換）、化學(xué)污染（小信號切換）、機(jī)械裝置的機(jī)械磨損。

◆ 接插件：機(jī)械磨損-接觸板的損耗、腐蝕-接觸板的損壞、接觸發(fā)熱、電弧放電、錯位-接觸變形、氯丁橡膠降解-密封及絕緣套管、氯丁橡膠。

◆ 變壓器：過電流、過熱、水分、氧化等。

2 系統(tǒng)及部件老化分析

該電子型過程控制裝置，是一種將顯示操作功能與運(yùn)算控制功能相互分離的自動控制裝置。系統(tǒng)框圖見圖1，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可分為兩大部分：架裝儀表和盤裝儀表。

架裝儀表包括：輸入組件、處理組件、調(diào)節(jié)組件、輸出組件、電源。

盤裝儀表包括：顯示儀表、記錄儀表、顯示操作器[2]。

針對該系統(tǒng)，可拆分電子電路部件和機(jī)械零件部件兩部分進(jìn)行老化分析。

2.1 電子電路部件

第一步：根據(jù)備件實(shí)物繪制電路原理圖，分析插件電路功能，插件各個模塊之間的關(guān)系；第二步：建立功能方框圖和可靠性方框圖，根據(jù)壽命預(yù)計(jì)的理論和計(jì)算，對這個插件進(jìn)行壽命預(yù)計(jì)；第三步：故障模式和影響分析，填寫FMEA表；故障模式危害性定性分析，填寫CA表；第四步：對插件進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，換算出系統(tǒng)及部件的剩余壽命；第五步：進(jìn)入老化實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，通過MID技術(shù)，在線診斷系統(tǒng)及設(shè)備的壽命，通過老化處理，增加插件剩余壽命。

2.2 機(jī)械零件部件

根據(jù)可靠性理論，預(yù)計(jì)機(jī)械部件壽命；在老化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行非破壞性檢測和破壞性檢測等老化處理。最終獲得各種老化數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，分析數(shù)據(jù)，得出各種數(shù)據(jù)曲線，編寫老化報(bào)告。

表2 應(yīng)力模型Table 2 Stress model

3 MTBF預(yù)計(jì)

3.1 預(yù)計(jì)方法

3.1.1 元器件失效率預(yù)計(jì)

本次預(yù)計(jì)主要采用兩種方式：

1）依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力預(yù)計(jì)模型進(jìn)行預(yù)計(jì)：以美軍標(biāo)MIL-HDBK-217F Notice2 Reliability prediction of electronic equipment為主，輔以國軍標(biāo)GJB/Z 299C-2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊。

2）根據(jù)廠家提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)計(jì)。

部分應(yīng)力預(yù)計(jì)模型見表2，詳細(xì)模型說明請參見相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

其中, λp——元器件工作失效率;

其中, λb——元器件基本失效率;

其中, πE——環(huán)境系數(shù);

其中, πQ——質(zhì)量系數(shù);

其中, πT——溫度應(yīng)力系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：

絕大部分廠家依據(jù)JESD22標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加速實(shí)驗(yàn)，并依據(jù)JEP122D/JESD85標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)以得出元器件的失效率。其失效率數(shù)據(jù)是建立在元器件壽命分布為指數(shù)分布的基礎(chǔ)上，失效率數(shù)理統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為Arrhenius方程。

元器件失效率預(yù)計(jì)所使用的Arrhenius方程如下：

其中，λ——元器件的失效率（單位：FIT）;

其中，χ2(α,2n+2)——失效預(yù)計(jì)，其數(shù)學(xué)模型為卡方分布;

其中，α——置信度，廠家提供的失效率數(shù)據(jù)其置信度一般為60%;

其中，n——樣品失效數(shù);

其中，DH——設(shè)備等效工作時(shí)間，其實(shí)質(zhì)為樣品數(shù)量乘以加速時(shí)間;

其中，AF——總體加速因子，其中TAF為溫度加速因子、VAF為電壓加速因子。

3.1.2 板卡的MTBF預(yù)計(jì)

板卡的MTBF通過元器件的失效率獲得，按照串聯(lián)模型保守估計(jì)。工作失效率λPS的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中，λPi——第i個元件的工作失效率;

其中，N——同一種元器件的數(shù)量;

其中，n——元器件的種類數(shù)。

按照下面公式計(jì)算板卡的MTBF：MTBF=1/λPS。

3.2 模擬卡件MTBF預(yù)計(jì)結(jié)果

根據(jù)模擬卡件MTBF預(yù)計(jì)報(bào)告，模擬卡件MTBF預(yù)計(jì)結(jié)果詳見表3。

表3 模擬卡件MTBF預(yù)計(jì)結(jié)果Table 3 MTBF expected results of Simulation card

圖2 試驗(yàn)方案示意圖Fig.2 Test plan diagram

4 可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)原理

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)原理包括驗(yàn)收試驗(yàn)原理和加速試驗(yàn)原理兩部分，驗(yàn)收試驗(yàn)原理參考序貫試驗(yàn)的圖解和最長試驗(yàn)時(shí)間，詳見《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》（GJB 899A-2009）[3]和《30萬千瓦模擬卡件壽命分析總結(jié)報(bào)告》[4]。

壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系通常是非線性的，但如果對壽命數(shù)據(jù)或應(yīng)力水平經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q，曲線有可能變成直線，由于直線不僅容易擬合，而且方便外推，所以在建立壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系時(shí)應(yīng)盡量使之線性化，常見的加速模型有如下幾個，其中阿倫紐斯應(yīng)用最為廣泛和成熟。加速模型詳見《30萬千瓦模擬卡件壽命分析總結(jié)報(bào)告》[4]。

4.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

4.2.1 樣本

待測試樣品需為標(biāo)準(zhǔn)樣品，無返修記錄，無應(yīng)用記錄，所有功能正常。樣本名稱及數(shù)量說明見表3。

4.2.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

本可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)采用序貫試驗(yàn)方案，以生產(chǎn)方和接收方的風(fēng)險(xiǎn)均為0.4，壽命的置信區(qū)間為10年～17年，帶入試驗(yàn)原理相應(yīng)的公式，計(jì)算結(jié)果如下：

a=-0.30217511

b=8.98142E-06

c=-0.132260219

本驗(yàn)收試驗(yàn)的圖解示意圖見圖2。

如果試驗(yàn)過程中，無故障發(fā)生，落在接收區(qū)，至少需要33644.4692臺時(shí)。根據(jù)樣本數(shù)量總數(shù)為15，所有樣本同時(shí)投入試驗(yàn)需要2242.964614h。

基于目前的試驗(yàn)約束，這個時(shí)間過長，所以考慮加速試驗(yàn)，加速試驗(yàn)的試驗(yàn)應(yīng)力選擇見下節(jié)。

4.2.3 試驗(yàn)應(yīng)力

溫度對電子產(chǎn)品壽命的影響較大，通常選用溫度作為試驗(yàn)應(yīng)力。

由于模擬卡件處于室溫的環(huán)境中，其正常工作在20℃，通過分析樣品卡件中部分器件的最高允許溫度為70℃。為了防止試驗(yàn)過程中導(dǎo)致引入新的失效機(jī)理，最高允許溫度定義為60℃。

表4 應(yīng)力-試驗(yàn)時(shí)間對應(yīng)表Table 4 Stress-test time table

表5 試驗(yàn)過程記錄Table 5 Record of test process

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場圖Fig.3 Test site picture

所以定義不同應(yīng)力下的試驗(yàn)時(shí)間見表4。

上述試驗(yàn)過程中等效時(shí)間是將加速狀態(tài)下的時(shí)間等效到常溫狀態(tài)下的累積時(shí)間，該等效時(shí)間對應(yīng)到圖2試驗(yàn)方案示意圖的時(shí)間軸。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的試驗(yàn)無故障發(fā)生，則認(rèn)為這批板卡的壽命在10年以上。如果發(fā)生故障需要具體分析。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

試驗(yàn)的故障判據(jù)及處理分類方法詳見《30萬千瓦模擬卡件壽命分析總結(jié)報(bào)告》[4]，按照上節(jié)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，對模擬卡件進(jìn)行可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)。試驗(yàn)過程記錄見表5。

試驗(yàn)過程中未發(fā)生板卡故障，且已經(jīng)進(jìn)入圖2試驗(yàn)方案示意圖的接收區(qū)。

試驗(yàn)圖片見圖3。

綜合MTBF預(yù)計(jì)和可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果，這批模擬卡件的剩余壽命在10年左右。

5 結(jié)語

秦山一廠主控制系統(tǒng)的模擬組裝儀表中很多板卡即將到原有的設(shè)計(jì)壽命，中廣核研究院北京分院針對該問題，通過老化分析、試驗(yàn)，對模擬卡件進(jìn)行可靠性分析。

從功能角度分析設(shè)備及板件的功能可靠性，采用多種分析方法進(jìn)行，客觀全面地評估設(shè)備及板件的可靠性，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)、維修等工作提供詳細(xì)依據(jù)。最終通過計(jì)算和試驗(yàn)得到模擬卡件的使用壽命及剩余壽命。