核電站換料設備的可靠性預計

□ 錢 翊

上海第一機床廠有限公司 上海 201308

1 研究背景

衡量一款產品質量好壞的指標有兩類:一類是技術指標,用以反映產品完成規定功能的能力,如功能指標、性能指標等;另一類是可靠性指標,用以反映產品在一定時間內、一定條件下無故障地執行規定功能的能力,如平均失效時間(MTTF)、平均修復時間(MTTR)、平均故障間隔時間(MTBF)等。只有具有良好技術性能又經久耐用的產品,才是質量好的產品。可見,可靠性是產品的一個重要指標[1-3]。

為保證產品正常運行,降低產品維護成本,避免安全事故發生,在產品的研發初期就應進行可靠性預計工作,提高產品的可靠性。筆者以某核電站換料設備為例,介紹核電站換料設備在研發過程中進行的可靠性預計。

2 可靠性預計概述

可靠性預計指根據設備的組成、結構特點、載荷和工作環境等因素,利用以往的工程經驗、故障率數據,以及當前的技術水平,主要以元器件、零部件的失效率作為依據,預計設備實際可能達到的可靠度[4]。

可靠性預計是設備研發過程中的重要一環,通過設備的可靠性預計,可以發現影響設備可靠性的主要因素,找出設備設計中的薄弱環節,然后采取相應措施,提高設備的可靠性水平。

可靠性預計可以評價設備的可靠性水平是否滿足設計要求,為確定設備可靠性試驗方案和維護保養費用估算提供依據,同時也為制訂設備維修計劃,進行安全性、測試性和保障性分析提供信息。

3 可靠性預計分類

可靠性預計分為基本可靠性預計和任務可靠性預計[5],如圖1所示。在工程項目中,一般以設備的任務可靠性指標來評價設備的可靠性水平。

圖1 可靠性預計分類

基本可靠性預計用以估計設備及其零部件故障所引起的維修及保障要求,預計時對設備所有零件進行失效率計算,然后預計出設備的可靠性水平。任務可靠性預計用以度量設備在執行任務過程中完成規定功能的概率,預計時對影響設備任務完成的所有零件進行失效率計算,然后預計出設備的任務可靠性水平。

4 可靠性預計步驟

設備可靠性預計的一般步驟如圖2所示,分為設備定義、建立可靠性模型、選擇可靠性預計方法、確定可靠性指標、計算可靠性、得出可靠性預計結論、反饋設計[6]等步驟。

設備定義指定義設備的功能、任務、結構組成、接口、工作條件、性能參數等。建立可靠性模型包括任務可靠性模型和基本可靠性模型。選擇可靠性預計方法指根據設備的狀態和擁有的信息量,選擇適當的可靠性預計方法。可靠性預計指按照已選擇的可靠性預計方法進行預計。得出可靠性預計結論后,需要分析薄弱環節,并將結論反饋到設計過程中,針對薄弱環節進行改進。

圖2 可靠性預計一般步驟

5 設備定義

5.1 設備功能

核電站換料設備的主要功能是定期更換堆芯燃料組件,兼具一回路隔離密封、生物及熱屏蔽功能,設備工作時間2 100 h。

5.2 設備組成

換料設備由減速器、包殼、傳動鏈、屏蔽座、長桿、支座、存放架、滑軌和電氣控制組件組成。

5.3 工作原理

換料設備由電氣控制組件進行控制,由驅動電機+減速器+傳動鏈的形式帶動存放架和支座在滑軌上移動。存放架可以存放核燃料組件。換料設備在指定位置與堆內、堆外其它設備配合,共同完成換料工作。

5.4 故障判據

換料設備不能按照規定的要求完成換料任務即為故障。

5.5 可靠性指標要求

換料設備執行換料任務的可靠性指標為MTBF不短于1 000 h。

6 可靠性建模

可靠性建模包括建立可靠性框圖和相應的數學模型兩部分[7]。根據不同的模型用途,可靠性模型分為基本可靠性模型和任務可靠性模型。

基本可靠性模型用于基本可靠性預計,是一個全串聯模型,構成設備的所有零件都應包括在模型內。

任務可靠性模型用于任務可靠性預計,一般是一個復雜的組合模型,所有影響該任務的零件都應包括在模型內。

換料設備在執行換料任務時,所有部件都參與任務,而且不存在冗余備份,因此,換料設備的基本可靠性模型和任務可靠性模型相同,且都是串聯模型。組成設備的所有部件中任意一個部件故障,都會導致設備發生故障。換料設備基本可靠性框圖和任務可靠性框圖如圖3所示。

圖3 換料設備基本可靠性框圖和任務可靠性框圖

換料設備基本可靠性數學模型和任務可靠性數學模型也相同,為:

(1)

式中:RS(t)為換料設備的可靠性指標;Ri(t)為換料設備第i個部件的可靠性指標。

7 可靠性預計方法選擇

設備在進行可靠性預計時,主要分為電子產品的可靠性預計和非電子產品的可靠性預計。電子產品的可靠性預計方法主要有相似預計法、元器件計數法、應力分析法[8]。非電子產品的可靠性預計方法主要有相似產品類比論證法、評分預計法、故障率預計法、數據手冊法、應力強度干涉法[9]。

7.1 機械零件預計方法

換料設備中機械零件的預計方法按優先次序依次為數據手冊法、相似產品類比論證法、評分預計法。

7.1.1 數據手冊法

數據手冊法分為修正因數法和零部件計數法。

修正因數法根據經驗建立零部件故障率與影響故障模式的主要設計、使用參數之間的函數關系,計算新零部件的故障率。使用這一方法進行預計時,根據換料設備工作條件確定機械零件的各種相關參數,利用NSWC—2009《機械設備可靠性預計程序手冊》中的故障率計算公式,預計出零件的失效率,再應用設備可靠性模型,預計設備的可靠性。

零部件計數法通過統計得到不同環境條件下不同零部件的故障率數據,再通過NSWC—2009《機械設備可靠性預計程序手冊》、NPRD—1991《非電子零部件可靠性數據》中的失效率數據,應用設備的可靠性模型,預計設備的可靠性。

7.1.2 相似產品類比論證法

相似產品類比論證法將零部件和已知可靠性的類似國內外產品進行比較,通過分析二者在組成、結構、設計水平、制造工藝、原材料與使用環境等方面的差異,簡單地估計零部件可能達到的可靠性水平,預計的精度取決于歷史數據的質量及現有產品和新產品的相似度。

采用相似產品類比論證法預計時,優先選用NSWC—2009《機械設備可靠性預計程序手冊》中的基本失效率。NSWC—2009《機械設備可靠性預計程序手冊》中沒有相似部件的情況下,采用NPRD—1991《非電子零部件可靠性數據》中的失效率,或者機械可靠性設計手冊中的失效率。

7.1.3 評分預計法

在可靠性數據非常缺乏的情況下,數據手冊法和相似產品類比論證法都無法運用,此時可由經驗豐富的設計人員或專家對影響可靠性的集中因素進行評分,以設備中某個已知可靠性數據的零件為基準,分析組成結構、設計水平、制造工藝水平、原材料、零部件水平、使用環境等方面的差異,由專家評分給出修正因數,從而計算出零部件的故障率水平。

評分預計法表達式為:

(2)

Ci=wi/w*

(3)

λi=λ*Ci

(4)

式中:Ci為第i個零件的評分因數;wi為第i個零件的評分;w*為失效率為λ*的零件的評分;λi為第i個零件的失效率;rij為第i個零件、第j個因素的評分。

評分預計法得到的預計結果受人為影響較大,在使用此方法進行預計時,可增加評分專家的人數,保證評分的客觀性,提高預計的準確性。

評分預計法針對零部件的復雜度、技術水平、工作時間和環境條件進行打分[10],評分范圍為1～10分,評分越高,說明可靠性越差。復雜度指根據零部件的數量、結構形式、組裝難易程度來評分,最簡單的評1分,最復雜的評10分。技術水平指根據零部件目前技術水平的成熟度來評分,技術水平最低的評10分,技術水平最高的評1分。工作時間指根據零部件工作時間的長短來評分,設備工作時,零部件一直工作的評10分,工作時間最短的評1分。環境條件指根據零部件所處的工作環境來評定,設備工作過程中會經受極其惡劣和嚴酷環境的評10分,環境條件最好的評1分。

7.2 電子元器件預計方法

目前我國軍品行業對于國產電子元器件一般采用GJB/Z 299C《電子設備可靠性預計手冊》中規定的模型進行可靠性預計,對于進口電子元器件一般采用MIL-HDBK-217PLUS《電子設備可靠性預計手冊》中規定的模型進行可靠性預計。民用企業一般采用Bellcore可靠性預計手冊中規定的模型進行可靠性預計。對換料設備中電子元器件進行可靠性預計時,通過查找GJB/Z 299C、MIL-HDBK-217PLUS和Bellcore等手冊,確定元器件的質量因數、環境因數、通用故障率,再利用元器件應力分析法的故障率計算公式,預計出元器件的失效率。

7.3 計算機軟件輔助

在進行設備可靠性預計時,推薦采用計算機軟件輔助進行可靠性預計,可提高工作效率,節省人力。

現在普遍使用的計算機軟件是Relex。Relex支持八種可靠性分配方法,并提供傳統的可靠性預計方法,集成符合可靠性預計發展需要的最新可靠性預計標準PRISM、電子元器件數據庫、NPRD與EPRD數據庫,具有任務剖面可靠性預計及非工作狀態可靠性預計等功能,能夠快速精確地計算失效率、MTBF、可靠度和可用度。

8 計算可靠性

換料設備的基本可靠性預計結果見表1,任務可靠性預計結果見表2。

表1 換料設備基本可靠性預計結果

表2 換料設備換料任務可靠性預計結果

9 可靠性預計結果

9.1 指標驗證

一般而言,設備的可靠性預計值至少需要大于指標要求的1.25倍,否則應尋找設計中的可靠性薄弱環節,并進行改進設計,提高設備的可靠性水平。

根據表2換料設備任務可靠性預計結果,設備的任務可靠性MTBF預計值為15 179.5 h,任務可靠性定量要求為MTBF長于1 000 h,因此換料設備的任務可靠性預計結果滿足設計要求。

9.2 可靠度

可靠度R(t)[11]是設備在規定的條件下,在規定時間區間內完成規定功能的概率,隨設備運行時間的變化而變化,為:

(5)

式中:λ為失效率,根據預計結果得到;t為任務時間;tM為MTBF。

換料設備的換料任務時間為2 100 h,則各部件的可靠度計算為:減速器0.932 93、包殼0.999 85、傳動鏈0.988 26、屏蔽座0.984 6、長桿0.995 54、支座0.979 62、存放架0.989 95、滑軌0.993 92、電氣控制組件0.999 83。

根據換料設備的任務可靠性數學模型,其任務可靠度RS(t)為0.870 81。

需要注意的是,對于執行多個任務的設備,需要根據不同的任務剖面,預計各自的任務可靠度,然后將各任務剖面的任務可靠度進行綜合,再預計出總的任務可靠度。總的任務可靠度RS為

(6)

式中:αi為第i個任務剖面的加權因數;Ri為第i個任務剖面的任務可靠度;m為任務剖面的數量。

加權因數αi為:

αi=ni/n

(7)

式中:ni為第i個任務剖面在壽命期間的任務次數;n為壽命期間的任務總次數。

第i個任務剖面在壽命期間的任務次數為:

ni=Tci/ti

(8)

式中:T為系統在壽命期間的總任務時間;ci為壽命期間中第i個任務剖面的任務時間占系統總任務時間的比例;ti為第i個任務剖面的任務時間。

因此,有:

(9)

10 結束語

自動化機械設備研發過程中的可靠性預計方法一般為數據手冊法、相似產品類比論證法、評分預計法及應力分析法,其中,機械零部件可靠性預計時優先使用數據手冊法,然后是相似產品類比論證法和評分預計法。

為確保核電站換料設備可靠性預計的準確性,預計時應盡可能分解到單個零件,避免遺漏,且用于可靠性預計的失效率或其它數據需從手冊、標準或統計數據中獲得,如果是采購的標準件,其可靠性數據可從供貨商處得到。