核電廠數字化儀控設備壽命驗證方法研究

劉明明，張 楮，賀先建，顧鵬程

（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，成都 610213）

0 引言

據公開文獻顯示，軍工行業對電子設備的壽命分析和驗證評價開展了廣泛的研究，并取得了一些突破性的成果。例如張曉潔、王強[1]等人針對難以用試驗法開展的電子產品，提出了一種通過收集環境試驗數據對其平均故障間隔時間進行區間估計的壽命分析評估方法。另有，張寧、劉庭偉[2]等人提出電子產品在力、熱、電單一應力作用下的失效機理，結合電子產品在典型工況條件下的仿真技術，利用多應力綜合作用的累積損傷模型，量化產品的壽命指標。

作為核電廠的神經中樞，核電廠數字化儀控設備（以下簡稱儀控設備）的可靠性直接決定著核反應堆的安全性。儀控設備在役過程中，若運行維護人員未掌握其壽命信息，就很難準確地制定相關維護策略和備品備件的采購及管理策略，進而可能會導致電廠不合理地頻繁更換設備；因為壽期降低電廠的經濟性和加大電廠的經濟投入，也有可能基于故障發生后的維護帶來不可預估的事故風險。由于核電廠儀控設備壽命一般都在10 年以上，因而正常環境條件下、較短時間內準確評估驗證壽命極其困難。對此，本文基于阿倫紐斯模型，提出了一種儀控設備加速壽命評估驗證的方法，為解決此問題提供了較為可行的方法和思路。

1 儀控設備失效和老化機理

1.1 儀控設備老化

電子產品隨著服役年限的增加，會不可避免地開始老化直至失效。核級儀控設備中的電子元器件因為老化而失效的情況同樣存在。大亞灣核電站從1994 年投運，2003年開始開展老化處理，同期完成大亞灣第一輪老化處理，大亞灣4 臺機組老化處理的結果見表1[3]。

為了應對儀控設備的老化，核電廠一般采取根據產品的設計壽命時間周期進行更換的策略，且更換處理的設備數量十分龐大。

因此，準確地驗證儀控設備壽命，滿足設計壽命要求，同時按照設計壽命延長儀控設備的使用壽命，可以確保核電廠儀控設備安全性的同時，兼顧經濟性。

1.2 儀控設備失效控制

儀控設備的老化最終會導致設備失效?？梢酝ㄟ^對儀控設備失效的研究，來分析預計儀控設備的老化。電子產品在使用過程中，會因為各種各樣的原因失效。而儀控設備與其他電子設備類似，失效過程可分為3 個階段：早期失效階段、正常使用階段和壽期末階段。失效率曲線如圖1 所示[4]。

早期失效階段一般是由于設計、生產或材料不滿足要求，表現為設備在開始使用時失效率很高，但隨著工作時間的增加，失效率迅速降低。驗證與識別早期失效所需的時間成本很低，容易識別。

正常使用失效階段也叫偶然失效期或隨機失效期，這個階段表現為設備失效率較低，且較穩定。在役儀控設備應工作在此階段，從而確保系統的穩定運行。

壽命末期失效階段也稱作損耗失效期，該階段隨時間的延長而失效率急劇增加，主要由磨損、疲勞、老化和損耗等原因造成。

所以，為了確保儀控設備能夠滿足設計要求，其設計壽命不應達到壽期末期失效的時間，即：儀控設備在設計壽命不會發生壽期末損耗失效。

圖1 電子設備失效率特性曲線Fig.1 Failure rate curve of electronic equipment

表1 大亞灣核電站老化處理數據表Table 1 Daya bay nuclear power plant aging treatment data sheet

2 傳統壽命驗證方法

證明設備在設計壽命內不會發生壽期末損耗失效，有多種方法可取，包括貝葉斯法、定時截尾試驗法、加速壽命試驗法等。和加速壽命試驗法相比，前兩者都存在明顯的缺點，包括數學模型處理復雜、樣本數量需求過大等。

由于行業的特殊性，在核行業中對儀控設備壽命驗證和鑒定的方法一般包括運行經驗法、分析法和型式試驗3種方法[5]。對于以上常用的3 種驗證方法，國內各設備廠家自主設計的儀控設備使用規模小、服役年限短，其產生的運行數據不具有較強的說服力，因此難以用運行經驗法來論證設備的壽命；分析法需要設備的試驗數據和運行經驗的支持，僅靠分析得出的數據是很難被采信的；而由于核級設備具有長壽命的特性，若采用傳統的常規型式試驗方法進行與設計壽命同等時間的試驗，則所需試驗時間過長、投入的人力成本和試驗費用過高。雖然在實際試驗中，眾多設備廠商常常通過使用增加樣本數量的方案以減少試驗時間，但核級設備成本極高，通常不會大規模生產，樣品數非常有限，且這種方法沒有考慮到整個壽期內應力的累積效應對設備的老化影響，只能在一定的程度上說明設備在設計壽命內的可靠性[6]。

所以，在使用傳統可靠性驗證方法對儀控設備進行壽命驗證難以實現的情況下，必須尋求其他可行的驗證方法。

3 加速壽命試驗法

根據業界對電子設備的研究經驗，電子設備的老化速度容易受到各種環境因素的影響。改變環境溫度和濕度，電子設備的老化速度往往會發生顯著的變化，可以嘗試通過改變設備的工作溫度和濕度來加速或者減緩設備的老化速度。由此，誕生了加速壽命試驗。

加速壽命試驗是在不改變產品失效機理，不引入新的失效模式的前提下，通過提高一些應力的強度以加速失效進程的試驗方法。這種試驗方法一般使用在設備壽命長，且需要在短期內獲得其壽命數據用以指導產品后期的維護與保障策略的試驗中。

采用加大工作環境中應力的試驗方法，可以縮短試驗歷程，使產品在加速試驗譜下進行加速試驗，用短的時間達到產品較長使用年限相同的累積應力，使試驗周期和費用可接受。

判斷加速壽命試驗是否適用于儀控設備，需確定是否能找到對其失效進行加速或者減速的應力，并且在這種應力下，儀控設備在不會改變失效機理的同時也不會引入新的失效模式。

3.1 試驗對象

由于一整套儀控設備的體積以及其包含的部件數量都非常龐大，所以若采用整套儀控設備作為進行加速壽命試驗的試驗對象，從原料成本和現有試驗能力條件的角度來說都不具有可行性。由于同一套儀控設備的PCBA 上的元器件、材料種類及制作工藝都在一個有限范圍內，所以試驗的對象若包絡范圍內所有的元器件和材料就已經具有很強的代表性和說服力。

因此，在滿足以上要求的前提下，可以選取包含儀控設備的關鍵零部件——執行重要功能的儀控設備基礎模塊作為試驗對象，并將其按一定數量集成為一套典型系統以實現典型應用場景與功能。

3.2 加速壽命試驗應力及模型

3.2.1 加速壽命試驗應力

溫度、濕度歷來都是引起電子設備老化的重要因素，并且在常規的鑒定試驗中，溫度和濕度也都被納入到環境試驗的項目當中。

如今，眾多核相關人員和機構已經著手研究在短時間內驗證儀控設備可靠性的方法。他們發現，通過改變儀控設備的工作環境溫度和濕度，可以較大地改變設備的失效進程和使用壽命。選擇調控溫度或者濕度應力，能夠在相對較短的時間內，評估設備性能隨時間的變化，以驗證設備的耐久性。

3.2.2 加速試驗模型

迄今為止，大多數加速模型都只選擇將溫度、濕度應力納入考量范圍內，這兩種應力被關注和研究的歷史足夠長，能夠得知操控溫、濕度應力很容易，且其后果能夠在可控范圍內。

經過對現有的具有代表性的加速模型進行分析，比較適合儀控設備用來進行加速壽命試驗的模型有以下幾種：

模型一：只考慮熱加速因子的阿倫紐斯模型（Arrhenius Mode）

EJ/T 1197《核電廠安全級電氣設備質量鑒定試驗方法與環境條件》中提出了使用該試驗模型進行加速壽命試驗。用阿倫紐斯模型對有機材料施加熱應力進行人工加速熱老化的試驗，此方法將使用條件與加速熱老化條件通過材料的活化能特性聯系起來，可用以確定設備的鑒定壽命[5]。

在實際使用環境中，熱老化成為影響產品老化及使用壽命的主要因素時，采用單純考慮熱加速因子效應而推導出的阿倫紐斯模型來進行設備壽期的模擬，其預估到的結果會更接近真實值。

模型二：綜合溫度及濕度因素的阿倫紐斯模型（Arrhenius Mode With Humidity）

對比模型一，該模型除溫度以外，還添加了濕度這一因素。但由于在實際工作環境中，一般只會避免濕度不要太高，而不會將濕度長期控制在一個穩定的值。而一些試驗經驗也表明，用模型二來描述某些情況下濕度對設備老化的影響并不準確，所以不考慮該模型。

模型三：Hallberg-Peck 模型

該模型同樣考慮了溫度、濕度影響，且經驗表明，其相比模型二更能準確地描述在溫濕度應力下設備的老化進程。

上述式（1）～式（3）中的參數：

t1——鑒定壽命的數值，單位為小時（h）

t2——加速老化時間的數值，單位為小時（h）

?——材料的活化能，單位為電子伏特（eV）

k——玻爾茲曼常數（0.8617×10-4eV/K）

T1——正常使用環境溫度的數值，單位為開爾文（K）

T2——加速老化溫度的數值，單位為開爾文（K）

RH1——正常使用環境的相對濕度

RH2——加速老化相對濕度

t1/t2為加速因子，加速因子越大，應力對試驗對象的影響就越強，加速進程越快。

計算在同等環境溫度條件下，式（1）和式（3）的加速因子的值，用來評估此類試驗模型對試驗對象失效進程的影響。

正常使用環境濕度RH1一般要求為25%RH ～75%RH，在計算時選取其中間值50%；儀控設備正常運行時，運行環境濕度不應高于95%RH，將該濕度作為加速老化試驗的相對濕度 ，其計算得到的加速因子值為式（1）值的6.859倍。若選取式（3）作為本次試驗模型，其加速應力太過激進，并且在實際工作環境中很少也很難將濕度控制在一個穩定的值，所以使用該模型來進行驗證有失穩妥。

綜上所述，加速壽命試驗選擇模型一（即阿倫紐斯模型），其試驗結果會比起其他模型更加準確、更加保守。

3.3 加速壽命試驗時間

確定加速壽命試驗時間，需通過阿倫扭斯模型來計算。在計算之前，需要確定以下參數：

參數1：正常使用環境溫度T1

在電廠現場，模塊硬件正常使用時，環境溫度T1約為20℃～25℃，由式（1）可知，選取25℃（即298.15K）進行計算，結果更加保守。

參數2：試驗溫度T2

由阿倫紐斯模型計算可以得知，設備的老化速度與試驗溫度成正比關系。為了縮短試驗時間，節約試驗成本，試驗溫度考慮65℃（在對儀控設備進行元器件選型時，考慮到了65℃以上的高溫環境）及以上。而依據標準EJ/T 1197，可知選擇加速試驗條件時應注意試驗時間不應過短且溫度不應過高，以免引入不具有代表性的故障模式和正常運行10 年～20 年不可能產生的老化效應。因此，選擇65℃（即338.15K）進行試驗比較合理。

參數3：鑒定壽命

儀控設備基礎模塊的設計壽命為10 年，所以鑒定壽命應為：24h×365×10=87600h

參數4：材料的活化能φ

根據電子產品加速壽命試驗行業經驗，在開展PCBA板卡加速壽命試驗時，推薦的活化能范圍是0.6eV ～0.8eV，EJ/T 1197 中也推薦使用不大于0.8eV 的活化能進行試驗。因此，本試驗選取0.6eV 作為本次試驗活化能的值，在滿足要求的前提下使試驗更為保守。

根據以上條件，將上述參數取值代入式（1），得到加速老化時間見表2。

EJ/T 1197 中指出：實踐經驗表明，除非另有材料試驗可以證明，加速因子t1/t2應小于250，加速老化時間不應低于1000h。根據表2 中的計算結果，試驗溫度T2=65℃、加速老化時間5531h，滿足EJ/T 1197 的要求。根據GB.T 12727 對裕度的要求，在5531h 的試驗時間上增加10%的裕度，即：試驗溫度T2=65℃，試驗時間=6085h。

一般儀控設備技術規格書中會對其基礎模塊的精度校準時間進行規定，要求模塊在現場使用時，需滿足每2 年進行一次校準的要求。因此，在本試驗實施過程中，在每2 年對應的加速老化時間，即每1217h 對模塊進行一次精度考核。

3.4 加速壽命試驗步驟

3.4.1 預處理

為了使加速壽命試驗盡量少受到甚至不受到除試驗應力之外的其他因素的影響，應在試驗開始之前，對儀控設備進行預處理：

對模塊進行目視檢查，測試環境確認。

將模塊放置在溫濕度試驗箱中，試驗箱溫度設置為25℃，使模塊達到溫度穩定。然后將其通電運行30min，對模塊進行功能性能檢測，并記錄測試數據。

3.4.2 試驗步驟

待測試完成后，整個試驗按照如下步驟進行：

① 試驗箱在25℃±2℃

② 試驗箱按0.5 ℃/min 的速率從25 ℃±2 ℃升 至65℃±2℃

③ 試驗箱在65℃±2℃保持1217h

④ 試驗箱按0.5 ℃/min 的速率從65 ℃±2 ℃降 至25℃±2℃

⑤ 將試驗箱溫度保持在25℃±2℃，保溫8h

⑥ 對模塊進行性能檢測和外觀檢查并記錄

⑦ 對模塊進行校準

以上①～⑦為一個循環，共執行5 個循環。在整個試驗過程中，模塊都處于通電工作狀態，每4h對模塊進行一次性能測試。試驗曲線如圖2 所示。

3.4.3 恢復

試驗結束后，將試驗箱溫度保持在25℃±2℃，保溫8h，使模塊恢復到初始狀態。

3.4.4 最后檢測

對模塊進行目視檢查和功能性能檢測并記錄數據。

3.4.5 驗收準則

以上加速壽命試驗的試驗前、中、后對模塊進行功能性能測試，根據模塊設計要求進行驗收。

4 結束語

為解決儀控設備后期維護及備品備件管理等相關問題，首先需要對儀控設備的壽命數據進行定量、準確評估。實踐證明，基于阿倫紐斯模型，對具有熱老化機理的設備進行壽命驗證具備可操作性。但若需要對不具備熱老化機理的設備進行壽命驗證，則要尋求其他合理的方法。本文中提到的考慮濕度的模型，對一些對濕度敏感的設備具有一定的參考性。除此之外，對處于特殊環境中的設備，應根據需要選擇性采用如輻照老化、振動老化等方法，更好地模擬還原實際使用環境，驗證其壽命。在國內和國外，行業內對設備老化的研究也在不斷的深入發展。希望通過此次研究，能為行業內開展設備壽命驗證提供有價值的參考。

表2 阿倫紐斯模型參數Table 2 Arrhenius model parameters

圖2 加速壽命試驗曲線Fig.2 Accelerated aging test curve