論核電產品的耐久性分析方法

□ 王賓華

上海電氣核電設備有限公司 上海 201306

1 研究背景

可靠性是一門新興的工程學科。產品的可靠性已經成為衡量產品質量的重要指標之一。近年來，世界各發達國家已把可靠性技術和全面質量管理緊密結合起來，大大地提高了產品的質量。

可靠性是產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力。一個產品在某個階段時間的工作情況不能較好地反映產品的可靠性，應對產品進行大量統計分析,才能正確反映其本質。核電產品由于比較單一且量少，統計樣本不足，尤其是新研發的產品，樣本少之又少，一般只有通過可靠性試驗來掌握相關數據，但試驗時間較長，費用較高。根據核電產品的特點，可以通過對產品進行失效應力和累積損傷分析，找出產品的耐久性薄弱環節，并結合失效物理模型，計算產品各零組件的耗損型失效時間，最終得出產品的壽命。顯然，耐久性是在規定的使用、儲存和維修條件下，對產品使用壽命的一種度量。

壽命指產品從開始工作到首次失效前的一段時間，產品壽命的數學期望均值稱為產品的平均壽命。平均壽命是一個表征產品能工作多長時間的量，但不是針對某個產品而言，而是針對整批產品而言的概念。針對單件小批量的核電研發產品，如何通過耐久性分析來獲得產品壽命，筆者進行了深入研究，研究內容可為類似核電產品的耐久性分析提供參考依據[1-3]。

2 耐久性定義

國內外對耐久性有多種定義，反映了不同工程應用場合對耐久性的理解。GJB 451A—2005《可靠性維修性保障性術語》標準中對耐久性的定義是：產品在規定的使用、儲存與維修條件下，達到極限狀態前，完成規定功能的能力，一般用壽命度量。極限狀態指由于損耗使產品從技術上或經濟上考慮，都不宜繼續使用而必須大修或報廢的狀態，損耗包括疲勞、磨損、腐蝕、變質等[4]。美國軍用MIL-STD—1798《機械設備和子系統的完整性大綱》標準中，耐久性的定義為：在規定期間內，分系統或部件抵抗劣變、磨損、裂紋、腐蝕、熱變質等的能力。俄羅斯гOCT 27.002—89《工程中的可靠性基本概念、術語和定義》標準中，耐久性的定義為：產品在規定的技術維護和修理體制下保持工作能力，直到極限狀態的一種屬性。

根據上述定義，可以歸納出耐久性描述的是耗損性失效模式，以耐久性失效或極限狀態作為判斷準則。

要分析機械產品的耐久性，還需要明確產品的失效率。失效率是工作到某個時刻尚未失效的產品，在該時刻后單位時間內發生失效的概率，一般記為λ，是時間t的函數，也可記為λ（t），稱為失效率函數或故障函數。機械產品的主要質量標志是功能、壽命、經濟、安全等，其中功能是首要的。產品喪失規定的功能稱為失效，對于可修復的產品通常也稱為故障。機械產品常見的典型失效曲線如圖1所示，一般形象地稱為浴盆曲線，失效過程可分為早期失效、偶然失效和耗損失效三個階段[5-6]。

圖1 機械產品典型失效曲線

3 耐久性分析目的

在設計階段，可以暴露產品潛在設計缺陷，明確產品主要耗損型機理及薄弱環節，摸清產品的耗損規律，采取針對性改進措施，提高產品的設計壽命水平。

在驗證階段，可以評價產品的壽命水平，確定產品的耐久性指標是否滿足要求，為產品常規壽命試驗或加速壽命試驗方案提供設計依據。

4 耐久性分析流程

通過在產品數字樣機上施加產品所經歷的載荷，并逐級分解到產品的零部件上，通過應力分析和累計損傷分析，找出產品的耐久性薄弱環節，并結合失效物理模型計算產品各零部件的耗損型失效時間，從而評估產品的耐久性指標。耐久性分析流程如圖2所示。

圖2 耐久性分析流程

4.1 機理分析

首先對產品的結構層次進行分解，分解至最低約定層次，然后針對每一個最低約定層次進行載荷分析，分析其在整個產品工作過程中受到的載荷。其次確定每一個最低約定層次可能存在的故障機理，篩選出耗損型故障機理。最后進行機理合并，確定后續耐久性分析的分析對象及內容。機理分析流程如圖3所示。

圖3 機理分析流程

（1）結構分解。在明確產品工作原理、結構組成及工作特性的基礎上，進行產品的結構層次分解。對于零部件較多的產品，要進行結構層次分解，分為初始約定層次、約定層次、最低約定層次等。繪制產品結構層次圖，確定機理分析的最低約定層次。按照GJB/Z1391—2006《故障模式、影響及危害性分析指南》標準中約定層次的定義和方法，進行結構層次分解。

（2）載荷分析。根據產品的載荷譜或任務剖面，分析確定產品全壽命周期內所有可能的工作載荷、環境載荷及其作用方式，載荷分析要求全面。

（3）確定機理。在結構分析與載荷分析的基礎上，針對每個最低約定層次，考慮所有可能的載荷類型，進行一一映射關系，分析確定每一種最低約定層次所有可能的耗損型故障機理。

（4）機理合并。對會引起同一故障模式的機理進行合并。具有相對運動的最低約定層次，其故障機理多為磨損，在這種情況下，要進行不同約定層次的機理合并，統一為某種機理類型[7-8]。

4.2 應力損傷理論

故障機理指導致產品故障的物理、化學、生物或其它過程。產品在全壽命周期內受到各種環境載荷的作用，會產生疲勞、磨損、斷裂等各種故障模式，引起這些故障模式的內在原因即為故障機理。

故障機理根據故障具有損傷的時間累計效應，分為耗損型故障機理和過應力型故障機理。耗損型故障機理指由于累計損傷超越了材料的容許極限而導致產品發生故障的機理。

壽命評估模型指針對特定的耗損型故障機理，在基本物理、化學和試驗回歸公式的基礎上，建立起來的定量反映耗損型失效時間與材料、結構、應力等關系的數學函數模型。

機電產品零部件壽命評估模型有39個，涵蓋疲勞、磨損、老化、應力松弛等四種故障機理，適用于螺紋、軸承等七大類標準件，以及承力件、運動件和密封件等非電產品[9-10]。

4.3 應力分析目標

針對疲勞類機理，除彈簧、螺紋、軸承類產品以外，均需要建立數字樣機進行應力分析。

針對老化類機理，如泵、電機類發熱量大的產品，需要建立計算流體動力學樣機，并進行相應的熱應力分析，然后再進行老化壽命計算。

針對磨損類機理，如果作用力載荷不明確，那么需要先建立多體動力學系統模型進行動力學仿真分析，獲得零件表面的作用力載荷，然后再進行磨損壽命計算[9-10]。

4.4 理論壽命確定

根據產品各最低約定層次耗損型失效時間的計算結果和時間最短原則，確定產品的耗損型故障首發時間，同時對照產品壽命指標要求，找出耐久性仿真試驗期間發現的耐久性薄弱環節。

當耗損型失效時間計算時所輸入的剖面信息對應首次翻修期壽命要求時，確定的理論壽命為產品的首次翻修期壽命。當耗損型失效時間計算時輸入的剖面信息對應總壽命要求時，確定的理論壽命為產品的總壽命。

5 案例分析

某核電產品驅動機構由主軸動力組件、抓手動力組件、主法蘭、齒條組件、抓手組件、電控組件、傳動組件七大部件組成，其耐久性指標，即壽命為20年。

5.1 結構分解

按照核電廠系統失效模式與影響分析的要求，根據驅動機構的工作原理、結構組成，進行產品的結構層次分解，確定初始約定層次、約定層次、最低約定層次等，繪制產品結構層次，如圖4所示。

該驅動機構主要分解為三個約定層次。初始約定層次為堆本體及一回路系統。約定層次為液體懸浮式非能動停堆棒驅動機構。最低約定層次為各組成零件及部件。

5.2 載荷分析

此處只列舉其中一個組件的部分零件來進行說明。該驅動機構共有331個零件，需對每個零件進行載荷分析，見表1。

表1 主軸動力組件最低約定層次載荷分析結果

5.3 確定機理

在結構分析與載荷分析的基礎上，針對每個最低約定層次，考慮所有可能的載荷類型，分析確定每一種最低約定層次所有可能的耗損型故障機理。產品常見的耗損型故障機理類型主要包括疲勞、老化、磨損和應力松弛。機理確定原則見表2，機理確定結果見表3。

圖4 驅動機構產品結構層次

表2 機理確定原則

表3 主軸動力組件最低約定層次機理確定結果

5.4 機理合并

機理合并結果見表4。

表4 主軸動力組件機理合并結果

5.5 應力分析目標確定

通過耐久性機理分析，確定應力分析目標，見表5。

表5 主軸動力組件最低約定層次應力分析目標

5.6 結構疲勞壽命計算

根據各材料的應力壽命曲線，可以得到材料的疲勞極限，并通過計算可以得到零件實際承受的應力水平，結果見表6。

表6 結構疲勞失效時間計算結果

5.7 磨損失效時間計算

通過故障機理分析，找出驅動機構中磨損失效的所有零件，此處列舉抓手組件中的銷釘零件，見表7。

表7 磨損失效零件統計

根據機理分析結果，結合相對應的磨損模型，應用商用軟件進行磨損失效時間計算，結果見表8。

表8 磨損失效時間計算結果

5.8 老化壽命時間計算

通過故障機理分析，找出驅動機構中老化失效的所有零件，此處列舉主軸動力組件中的老化零件，見表9。

表9 老化失效零件統計

根據機理分析結果，結合相對應的老化模型，應用商用軟件進行老化壽命時間計算，結果見表10。

5.9 計算結果分析

結構疲勞方面，案例中各承力件結構應力值均低于疲勞極限，因此疲勞壽命滿足20年的要求。

表10 老化壽命時間計算結果

老化方面，案例中采用實際工作溫度60℃作為各密封件的工作溫度，通過計算，氟密封圈老化壽命為7年，不滿足20年的壽命要求，可在翻修期更換。

磨損方面，案例中對抓手端頭零件進行磨損壽命計算，磨損零件滿足20年的壽命要求。

對于首次維修時間不滿足壽命要求的各零部件，可重新制訂翻修周期，以保證整機20年的使用壽命。此外，在設計可靠性鑒定試驗方案時，應重點考慮耐久性薄弱環節，如進行氟橡膠密封圈加速老化壽命試驗等。

6 結論

核電產品對壽命的要求比較高，要保證核電產品的壽命，就需要進行耐久性分析。通過實際案例，筆者對核電產品的耐久性分析流程、機理分析及理論壽命確定進行了梳理，為類似產品的耐久性分析提供參考。