核電儀控設備可靠性增長試驗技術研究

王 菲,青先國,唐 濤,寸怡鵬,姜德航,謝卓然,張洧川,程陽潔

(中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610213)

民用核電站信息化、現代化和網絡化的不斷發展，對其儀控設備的可靠性提出了更高的要求。可靠性設計和可靠性試驗是可靠性工程的兩大支柱，即使在設計研發階段經過嚴格可靠性設計和分析的儀控設備也必定存在缺陷，這些缺陷只有通過可靠性試驗施加長時間的各類試驗應力才能充分暴露出來，常見的可靠性試驗及其分類如圖1所示。可靠性試驗對于發現設備在設計、元器件、零部件、材料和工藝等方面的缺陷具有不可替代的作用，也是檢驗設備可靠性水平的重要手段[1]。

目前,核電儀控設備在設計研發階段的可靠性試驗工作開展較少，急需適用于工程實踐的可靠性增長方法，以縮短研制周期，使其可靠性得到切實的增長。幾乎所有的可靠性試驗都按照“試驗-分析-改進-再試驗”(TAAF)這個原則開展，因此本文針對核電儀控設備開展可靠性增長的試驗方法研究。

圖1 可靠性試驗

1 可靠性增長試驗發展歷程

國內可靠性增長技術的研究是隨著我國科學技術和工業的發展以及國外可靠性增長理論和方法的引入并結合我國實際情況開展可靠性工程活動而發展起來的。

1988年，國防科工委頒發GJB450《裝備研制與生產的可靠性通用大綱》中工作項目302對可靠性增長試驗規定了專門要求。之后幾年間，《可靠性增長試驗》《可靠性增長大綱》《可靠性增長管理手冊》等標準的頒布也陸續規范了國內軍用裝備可靠性增長試驗的具體實施和管理工作。

1992年7月頒發的GJB1407《可靠性增長試驗》規定了可靠性增長試驗的要求和方法，提供了可靠性增長試驗的Duane圖分析法和AMSAA統計分析的方法和程序。

1994年頒發的GB/T15174《可靠性增長大綱》闡明了可靠性增長的概念以及可靠性增長管理、計劃、試驗(實驗室試驗和現場試驗)、失效分析和改進技術。

1995年頒發的GJB/Z77《可靠性增長管理手冊》建議使用Duane模型或AMSAA模型進行可靠性增長試驗計劃的制定和增長情況的評估，并介紹了8種離散型和9種連續型增長模型。但在1995年之后，鮮有可靠性增長試驗標準的更新。

從20世紀80年代末到90年代初開始，隨著可靠性技術的快速發展，加速可靠性試驗能高度壓縮試驗時間，使設備的潛在缺陷在設計和制造階段得以暴露，為根治薄弱環節提供確切的改進信息，大大減少設備的研制費用和周期，得到了國內外的高度認可。

2000年，周海泉提出的加速可靠性增長試驗評估方法(ARGT)是建立在加速壽命試驗及可靠性增長試驗的基礎上，其基本想法是加大應力使進行ARGT的產品加速暴露故障，經分析與采取糾正措施，達到使產品的可靠性快速增長的目的，并科學地評估產品經ARGT后所達到的可靠性指標。

2012年，GB/T 29309《電工電子產品加速應力試驗規程高加速壽命試驗導則》提出高加速壽命試驗的方法指導。

2017年，GB/T 34986《產品加速試驗方法》更是明確提出加速試驗方法通過提高產品試驗的應力水平或者增長交變應力施加的頻度而縮短試驗時間，發現和減少產品的失效模式，能快速評估產品的可靠性水平并使其得到增長。

2 傳統可靠性增長試驗方法適用性研究

傳統可靠性增長試驗(GJB1407《可靠性增長試驗》)在工程實踐中主要應用于軟件測試領域，在機械、電子及機電領域都沒有實際的應用。

關于核電儀控設備的總試驗時間，進行傳統可靠性增長試驗的試驗分析會發現：假定一個核級儀控設備的MTBF要求是2000 h，參照GJB1407總試驗時間一般取要求MTBF的5～25倍，則實際試驗時間長達10 000 h～50 000 h(24 h持續運行1.14～5.7年)。再假設使用一個三綜合試驗箱的費用為100元/小時，那么測試費用將高達600萬～3 000萬元，這么高的試驗時間和費用對設備研發的時間和經費要求都不具備可操作性[2]。

傳統可靠性增長試驗(GJB1407)是在試驗使用Duane模型的基礎上進行試驗計劃曲線中曲線起始點和增長率選擇的，這也意味著試驗過程中可靠性增長率是恒定的。但對核電儀控設備具體開展可靠性增長試驗時根本無法確保甚至大多數試驗都做不到其研發過程屬于恒定可靠性增長率下的不斷努力改進設計的情況，因此計劃曲線的繪制大概率與實際試驗情況不符，無法指導實際可靠性增長試驗的開展[3]。

同時，在試驗過程中對可靠性增長進行監控時需根據試驗得到的累計MTBF作擬合曲線與試驗計劃曲線對比，一般試驗需要確定5個試驗失效點才能繪制試驗擬合曲線。但對核電儀控設備而言，即使獲取繪制擬合曲線需要的最少點——3個需要的試驗時間都是在幾萬個小時以上的。從試驗計劃曲線和擬合曲線上分析來看GJB1407標準的不適用性顯而易見。

3 加速可靠性試驗方法適用性研究

3.1 加速可靠性試驗方法定義

加速可靠性試驗是在加速試驗和可靠性增長試驗基礎上發展起來的[4]，具體分類如圖2所示，包括可靠性強化試驗(RET)、加速壽命試驗(ALT)和高加速應力試驗(HAST)。其中，可靠性強化試驗包括高加速壽命試驗(HALT)和高加速應力篩選(HASS)試驗。

圖2 加速可靠性試驗

GB/T29309《電工電子產品加速應力試驗規程高加速壽命試驗導則》規定，HALT應用于設備的研發階段，主要用來快速誘發并改善設備的設計缺陷；HASS則應用于設備的生產階段，主要用來剔除制造過程中有缺陷的部件或元器件，只有進行過HALT試驗的設備才能進行HASS試驗。核電儀控設備的可靠性增長試驗主要是針對研發階段來提高可靠性的，所以HALT可以作為儀控設備可靠性增長試驗的項目。

GB/T 34986《產品加速試驗方法》規定，加速壽命試驗是為了縮短試驗時間，在不改變故障模式和故障機理的條件下，用加大應力的方法進行的壽命試驗。ALT在工程應用中可同時達到可靠性增長和可靠性驗證的目的，所以ALT可作為儀控設備可靠性增長試驗的項目。

高加速應力試驗是一種為了替代傳統溫度、濕度試驗而開發的一種新環境試驗。HAST不主要針對設備的可靠性增長，且國內該類試驗的工程實踐試驗較少，所以核電儀控設備的可靠性增長試驗不考慮HAST項目。

由上可知，對儀控設備開展加速可靠性增長試驗時，可采用加速壽命試驗中的HALT和ALT進行試驗方法適用性分析和具體試驗流程確定。

3.2 HALT和ALT試驗方法適用性研究

核電儀控設備屬于由電子零部件與印刷線路板組成的較為復雜的電子產品，對其開展HALT和ALT試驗具有可操作性。通過表1中HALT和ALT的試驗對比可發現：首先，兩者試驗時機不同，避免了試驗資源的集中占用。其次，兩者的試驗性質和試驗目的不同，以浴盆曲線為例，HALT的實施將降低由于外因誘發故障形式形成的浴盆曲線的中間平坦段，使得浴盆曲線的磨損段遠遠地向右延伸，對可靠性增長具有很高的貢獻度；而通過實施ALT定量可靠性試驗可確定浴盆曲線的底部具體位置，對可靠性增長水平有定量的認識。

表1 HALT和ALT對比

4 核電儀控設備可靠性增長試驗技術研究

如圖3所示，核電儀控設備的可靠性增長試驗可采用HALT加ALT的試驗方法。核電儀控設備先進行HALT試驗短時間內快速暴露缺陷并采取改進措施，使其可靠性得到提升；再進行ALT試驗以確認設備最終的可靠性水平，為設備生產和系統級研發提供信息。

圖3 儀控設備可靠性增長試驗方法

儀控設備在研發階段主要選用電源模塊、主控模塊、通信模塊、優選模塊、AI、DI、DO等模塊開展高加速壽命試驗和加速壽命試驗。下面對HALT和ALT的試驗具體實施的部分問題進行探討[5-6]。

4.1 基于HALT的可靠性增長試驗技術研究

(1)HALT試驗前準備

對儀控設備進行HALT試驗前要保證所有待測模塊應滿足該模塊所標稱的功能要求，并已完成基本的環境試驗和振動試驗，且測試前待測模塊需燒機測試一天并所有功能完好。

(2)測試項要求

儀控設備HALT試驗的模塊測試要求如表2所示。

表2 儀控設備HALT模塊測試要求

(3)測試點要求

振動測試點要求：在試驗時主要元器件及結構件上安裝加速度傳感器以監測和記錄振動曲線，只有振動臺的振動曲線與加速度傳感器的振動曲線一致時才能進行振動試驗。

溫度測試點要求：監測主要發熱元器件及熱敏元器件的溫度，在測試模塊的外表面放置熱電偶以監測試驗箱施加在模塊上的熱作用。該熱電偶最好放在低熱量聚集的地方，不能放置在測試模塊的熱源附件，且不能放置在測試模塊內部。如可能，去掉電源模塊上的過溫保護功能。

(4)故障判據和故障改進要求

HALT不僅包括試驗過程的具體執行，也包括試驗故障的確定及故障改進措施的實施，所以根據設備FMEA定義的故障判據，在實際HALT故障出現時，對故障進行分析，在實際故障改進代價和設備目標可靠性增長水平間進行權衡后確認對故障的改進措施。這對HALT試驗執行單位在儀控設備HALT試驗經驗方面及儀控設備相關失效分析庫提出了很高的要求。

4.2 基于ALT的可靠性增長試驗技術研究

ALT屬于統計試驗決定了其試驗的重點在于不同模式ALT試驗的探索，關鍵因素包括加速模型的選擇和試驗后數據的分析。根據儀控設備自身特點和實際環境特點選擇不同的加速模型，由設備目標MTBF和可接受風險度可以獲取ALT的具體試驗時間，下面對加速模型和數據分析進行介紹。

(1)加速模型選擇

對儀控設備進行ALT試驗時根據不同的應用環境可選擇不同的加速模型。若主要考慮溫度環境則選擇阿倫尼烏斯Arrhenius模型，若同時考慮溫度和濕度環境則選擇Hallerberg-Peck模型。

1)溫度加速模型

在溫度加速時選擇阿倫尼斯Arrhenius模型作為加速模型。

ξ=AeE/kT

其中，ξ為壽命特征，A為與設備特性、幾何形狀、試驗方法有關的正常數，E為激活能(eV)，1 eV=1.602×10-19J，k為玻耳茲曼常數(8.617×10-5eV/K)，T為絕對溫度(K)。對阿倫尼烏斯模型兩邊取對數可得：

式中加速因子A可以通過下式得出：

A為加速因子；

ΔH為活化能，選擇0.6；

k為波耳茲曼常數=8.623×10-5

=0.000086；

T_field為參考環境溫度，K；

T_test為測試環境溫度，K。

2)溫濕度加速模型

在溫濕度加速時選擇Hallerberg-Peck模型作為加速模型。

AF=exp{(Ea/K)}×(1/Tu-1/Ts)×

(RH_stress/RH_use)n

式中：AF——加速因子；

Ea——活化能；

k——Boltzmann常數；

Tu——設備正常使用下的開爾文溫度；

Ts——設備加速試驗的開爾文溫度;

RH_use——設備正常使用時的相對濕度；

RH_stress——設備在加速試驗時的相對濕度；

n——相對濕度加速率，取2.66。

(2)數據分析

假設儀控設備壽命分布符合指數分布，用單邊卡方統計方法做數據統計分析。統計公式如下：

式中：

MTBF為設備壽命；

T為設備運行時間(所有設備試驗時間之和與加速因子乘積)；

x2為卡方分布；

C=置信度(卡方分布分位數表)=80%；

r為失效個數；

2r+2=自由度(卡方分布分位數表)。

5 結束語

可靠性增長試驗按“試驗-分析-改進-再試驗”(TAAF)的原則進行試驗，暴露缺陷并采取糾正措施最終提高設備的固有可靠性。核電儀控設備進行傳統的可靠性試驗(GJB 1407)有一定的局限性。隨著加速可靠性試驗的工程實踐發展和普及，對核電儀控設備實行高加速壽命試驗和加速壽命試驗組合的加速可靠性增長試驗可快速發現故障，提高設備研發可靠性并確認最終可靠性水平，有節省試驗費用、時間及資源的巨大優勢，具有獨特的工程適用性。