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

（蘇州熱工研究院設(shè)備管理中心，深圳 518000）

0 引言

自大亞灣核電站1994年商運(yùn)以后，國內(nèi)核電站經(jīng)過多年發(fā)展后，各類儀控設(shè)備的老化現(xiàn)象逐漸凸顯，儀控設(shè)備故障率逐漸上升，嚴(yán)重時(shí)有導(dǎo)致跳機(jī)跳堆的事件發(fā)生。因此自2002年開始大亞灣核電站啟動儀控設(shè)備老化管理。早期的儀控設(shè)備老化管理對在評估儀控設(shè)備預(yù)期壽命時(shí)通常采用分析整件的故障歷史數(shù)據(jù)或進(jìn)行加速老化試驗(yàn)。這兩種方法前者只有在較多的老化失效已經(jīng)顯現(xiàn)時(shí)才能評估預(yù)期壽命。后者則需要較高的試驗(yàn)費(fèi)用，難以全面普及。[1-5]本文提出通過分析識別核電儀控設(shè)備中的易老化元件，并根據(jù)易老化元件的經(jīng)驗(yàn)反饋數(shù)據(jù)、現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行溫度、廠家耐久性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等評估易老化元件的預(yù)期壽命，并以最短壽命元件作為設(shè)備預(yù)期壽命用于維修策略管理。

1 易老化元件

根據(jù)國內(nèi)外核電行業(yè)經(jīng)驗(yàn)反饋、儀控設(shè)備電子元器件老化機(jī)理，結(jié)合核電廠多年老化數(shù)據(jù)收集分析結(jié)果，部分元器件壽命小于其所服務(wù)的整體設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命，導(dǎo)致整體設(shè)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(fā)熱電阻、開關(guān)、光電耦合器、DC/DC電源模塊、功率發(fā)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(jī)理、失效模式總結(jié)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(shù)惡化等。其諸多失效原因多數(shù)是由于內(nèi)部密封材質(zhì)、電解液等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度后電解電容失效。這些化學(xué)反應(yīng)需要外界提供一個能量勢壘使其從正常狀態(tài)進(jìn)入退化狀態(tài)。提供此能量勢壘進(jìn)行反應(yīng)的頻數(shù)是按照一定概率發(fā)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(yīng)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(shù)，Ea為激活能，R為反應(yīng)速率，T為溫度。

在工程實(shí)踐中，絕大部分電解電容廠家會對自身產(chǎn)品進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，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(yù)期壽命，大多數(shù)廠家推薦使用10度法則計(jì)算預(yù)期壽命。10度法則如式（2）所示，其中L為工作溫度下的預(yù)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(jù)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(shí)間有關(guān)，一般認(rèn)為其壽命主要受等效電流和工作環(huán)境溫度的影響，可通過式（3）所示的方法根據(jù)廠家給出的加速老化試驗(yàn)壽命數(shù)據(jù)計(jì)算正常工作狀態(tài)下的壽命。其中L為正常狀態(tài)的預(yù)期壽命，Lacc為加速老化試驗(yàn)下的壽命，Iacc為加速老化試驗(yàn)時(shí)光電耦合器的等效工作電流，Inorm為正常狀態(tài)下光電耦合器的工作電路，Ea為激活能，K為玻爾茲曼常數(shù)，Tnorm為正常狀態(tài)下光電耦合器的工作溫度，Tacc為加速老化試驗(yàn)時(shí)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(tài)下CTR（電流傳輸比）隨時(shí)間老化的趨勢?？梢钥吹紺TR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(shè)備分級

不同重要程度的設(shè)備應(yīng)采取不同的維護(hù)策略，宜使用如下所述的分級策略。

A級設(shè)備：

單一設(shè)備失效導(dǎo)致停堆、停機(jī)、降功率≥5%Pn、功率大幅波動，或?qū)е率?降級支持電站核安全的關(guān)鍵功能，或使人員安全、工業(yè)安全、環(huán)境安全、輻射安全等危害增加變得不可接受，或?qū)е轮卮笤O(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)增加。該類設(shè)備對安全和發(fā)電具有關(guān)鍵的作用；

DCS系統(tǒng)單一故障導(dǎo)致含有跳機(jī)跳堆或甩負(fù)荷或退狀態(tài)信號的服務(wù)器/控制器或通信A/B列雙列失去的設(shè)備和部件。含有跳機(jī)跳堆或?qū)е仑?fù)荷瞬態(tài)或退狀態(tài)信號的設(shè)備。

對A級設(shè)備可根據(jù)老化識別進(jìn)一步分為A1級設(shè)備和A2級設(shè)備：

①A1級設(shè)備：含有短壽命元器件或需要定期更換的A級設(shè)備，或老化失效危險(xiǎn)度高的A級設(shè)備，或發(fā)生故障產(chǎn)生的瞬態(tài)不可挽回的設(shè)備；

②A2級設(shè)備：除A1級外的所有A級設(shè)備。

B級設(shè)備：

單一設(shè)備失效雖然不直接影響核安全和發(fā)電能力，但對電站的核安全和機(jī)組發(fā)電具有重要作用。單一失效導(dǎo)致降功率<5%Pn、或機(jī)組停機(jī)停堆/降功率的風(fēng)險(xiǎn)增加、大修延長、核安全風(fēng)險(xiǎn)增加（技術(shù)規(guī)范未包含的設(shè)備）、或失去跳機(jī)跳堆保護(hù)冗余/安全保護(hù)冗余/重大設(shè)備保護(hù)冗余的設(shè)備。

單一設(shè)備失效不影響機(jī)組安全或可用性。但這類設(shè)備由于故障率高導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行成本上升，或通過適當(dāng)?shù)木S護(hù)能較好地延長設(shè)備使用壽命從而降低維修成本。

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：

①B1級設(shè)備：含有短壽命元器件的B級設(shè)備，或老化失效危險(xiǎn)度高的B級設(shè)備；

②B2級設(shè)備：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。

對于A1級設(shè)備，應(yīng)使用保守的更換周期并在條件允許時(shí)對易老化元件進(jìn)行檢測，在發(fā)現(xiàn)老化征兆時(shí)更換。對于B1級設(shè)備，可適當(dāng)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(hù)成本。

3 預(yù)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(yù)期壽命評估流程

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

步驟2：收集經(jīng)驗(yàn)反饋數(shù)據(jù)。主要包括該設(shè)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(shí)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(guān)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(yàn)數(shù)據(jù)，通常電解電容廠家一定會給出耐久性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

步驟5：如果元件廠家給出耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，則測量現(xiàn)場實(shí)際工作溫度，通過廠家耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實(shí)際溫度計(jì)算預(yù)期壽命，如使用前述的式（2）。為精準(zhǔn)的測量電解電容實(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)，則計(jì)算被分析設(shè)備的故障率水平。若被分析設(shè)備的故障率大于行業(yè)普遍水平，則其易老化元件壽命評估使用偏保守的預(yù)期壽命；反之則使用較長的預(yù)期壽命。計(jì)算故障率時(shí)，考慮到部分設(shè)備的故障數(shù)量和使用數(shù)量較少，可通過計(jì)算故障率的置信區(qū)間與行業(yè)普遍水平比較。其中故障率的置信區(qū)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(diǎn)估計(jì)，r為故障數(shù)量，χ2n；α為卡方校驗(yàn)值。

根據(jù)exida公司統(tǒng)計(jì)的化工、電力、航海中的儀控設(shè)備一般故障率區(qū)間見表2。[6]

表2 行業(yè)一般數(shù)據(jù)

步驟7：根據(jù)儀控設(shè)備中各元件預(yù)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(fù)雜的鑒定），則使用各元件中預(yù)期壽命最短壽命作為整件更換周期。若部分元件可單獨(dú)更換，則可根據(jù)其壽命制定單獨(dú)更換元件的維修策略。對于容易進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測的元件則應(yīng)考慮定期測量其關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，評估其老化趨勢。

4 狀態(tài)監(jiān)測

4.1 電解電容

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

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(biāo)。

在測試時(shí)宜將電容從原始電路板上取下進(jìn)行測量，在條件受限時(shí)可以直接在原電路中進(jìn)行測量，但應(yīng)與全新板件使用同樣測試方法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

4.2 光電轉(zhuǎn)換器

對于光電轉(zhuǎn)換器類設(shè)備，直接監(jiān)測內(nèi)部各元件的狀態(tài)是困難的。但整件的輸出光功率、光敏感度、傳輸時(shí)的丟包率信號可以表征設(shè)備的工作狀態(tài)和老化程度。聯(lián)合使用OTDR和可控光衰減器可測量上述指標(biāo)，當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場條件受限時(shí)，可僅使用光功率計(jì)測量輸出光功率。對于重要功能位置的光電轉(zhuǎn)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(jié)束語

通過本文所述識別易老化元件進(jìn)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(shè)備的預(yù)期壽命并針對性的制定核電儀控設(shè)備可靠性和老化維修策略。若想得出更精確的結(jié)果，可以采購新元件對識別出的最短壽命元件進(jìn)行加速老化試驗(yàn)。如此可大大減少備件成本和試驗(yàn)成本。通過在國內(nèi)多個核電站的實(shí)踐，該方法簡單易行，應(yīng)用效果良好。