秦山一厂模拟卡件剩余寿命研究

杨晓奇，吴 茜，周 亮

（中广核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086）

0 引言

在秦山核电30万机组中，大量的过程控制系统都使用了模拟组装仪表[1]。调节系统广泛应用于一、二回路调节系统，如高/低加水位调节系统、凝汽器热井水位调节系统、除氧器水位调节系统、蒸发器水位调节、反应堆功率调节、稳压器液位/压力调节等系统。调节方式有单回路控制、单/三冲量控制及切换回路等[2]。

此系统中很多板卡都已经快到了原有的设计寿命，清单见表1。

中广核北京分院承担了30万千瓦机组上述模拟卡件老化分析技术服务。通过老化分析、试验，对模拟卡件进行可靠性分析，从功能角度分析设备及板件的功能可靠性，采用多种分析方法进行，客观全面地评估设备及板件的可靠性，为产品的设计改进、维修等工作提供详细依据。最终通过计算和试验得到模拟卡件的使用寿命及剩余寿命。

表1 剩余寿命分析模拟卡件清单Table 1 Simulation card list for remaining life analysis

1 老化现象及机理介绍

模拟组件组装式仪表作为仪控系统的代表，其老化问题必然涉及到所有电子元器件的老化问题，下面对相关老化现象及老化机理进行简要介绍：

老化现象：由于运行和环境条件所引起的材料、部件和连接部位的性能退化，称为“老化”。从大的方面来讲，分为3类：微观结构退化、机械损伤、电化学引起的退化过程；来自于环境压力的实例：

◆ 温度（高或低）

◆ 温度周期变化

◆ 湿度

◆ 化工产品/污染物

◆ 电离辐射

◆ 供电电源浪涌

◆ 振动

◆ 日光/紫外线（外部设备）

易老化元器件老化机理：

◆ 电解电容：结晶、电解液挥发等。

◆ 电位器：磨损、腐蚀、由于滑动片长时间保持在一个位置产生的轨道压痕、轨道压痕导致难以设置需求的调节值。

◆ 光耦：发光二极管效率降低、耦合树脂透明度降低、光电晶体管暗电流增大。

图1 系统原理框图Fig.1 Schematic diagram of this system

◆ 机电继电器：线圈的高温烤线圈的绝缘层，导致线圈裸露、触点生锈，磨损，出现凹痕、触点焊合（大电流切换）、化学污染（小信号切换）、机械装置的机械磨损。

◆ 接插件：机械磨损-接触板的损耗、腐蚀-接触板的损坏、接触发热、电弧放电、错位-接触变形、氯丁橡胶降解-密封及绝缘套管、氯丁橡胶。

◆ 变压器：过电流、过热、水分、氧化等。

2 系统及部件老化分析

该电子型过程控制装置，是一种将显示操作功能与运算控制功能相互分离的自动控制装置。系统框图见图1，在系统结构上可分为两大部分：架装仪表和盘装仪表。

架装仪表包括：输入组件、处理组件、调节组件、输出组件、电源。

盘装仪表包括：显示仪表、记录仪表、显示操作器[2]。

针对该系统，可拆分电子电路部件和机械零件部件两部分进行老化分析。

2.1 电子电路部件

第一步：根据备件实物绘制电路原理图，分析插件电路功能，插件各个模块之间的关系；第二步：建立功能方框图和可靠性方框图，根据寿命预计的理论和计算，对这个插件进行寿命预计；第三步：故障模式和影响分析，填写FMEA表；故障模式危害性定性分析，填写CA表；第四步：对插件进行加速老化试验，换算出系统及部件的剩余寿命；第五步：进入老化实验室试验，通过MID技术，在线诊断系统及设备的寿命，通过老化处理，增加插件剩余寿命。

2.2 机械零件部件

根据可靠性理论，预计机械部件寿命；在老化实验室进行非破坏性检测和破坏性检测等老化处理。最终获得各种老化数据，建立数据库，分析数据，得出各种数据曲线，编写老化报告。

表2 应力模型Table 2 Stress model

3 MTBF预计

3.1 预计方法

3.1.1 元器件失效率预计

本次预计主要采用两种方式：

1）依据标准的应力预计模型进行预计：以美军标MIL-HDBK-217F Notice2 Reliability prediction of electronic equipment为主，辅以国军标GJB/Z 299C-2006电子设备可靠性预计手册。

2）根据厂家提供的实验数据进行预计。

部分应力预计模型见表2，详细模型说明请参见相应的标准。

其中, λp——元器件工作失效率;

其中, λb——元器件基本失效率;

其中, πE——环境系数;

其中, πQ——质量系数;

其中, πT——温度应力系数。

实验数据分析：

绝大部分厂家依据JESD22标准进行加速实验，并依据JEP122D/JESD85标准对结果进行数理统计以得出元器件的失效率。其失效率数据是建立在元器件寿命分布为指数分布的基础上，失效率数理统计的数学模型为Arrhenius方程。

元器件失效率预计所使用的Arrhenius方程如下：

其中，λ——元器件的失效率（单位：FIT）;

其中，χ2(α,2n+2)——失效预计，其数学模型为卡方分布;

其中，α——置信度，厂家提供的失效率数据其置信度一般为60%;

其中，n——样品失效数;

其中，DH——设备等效工作时间，其实质为样品数量乘以加速时间;

其中，AF——总体加速因子，其中TAF为温度加速因子、VAF为电压加速因子。

3.1.2 板卡的MTBF预计

板卡的MTBF通过元器件的失效率获得，按照串联模型保守估计。工作失效率λPS的数学表达式如下：

其中，λPi——第i个元件的工作失效率;

其中，N——同一种元器件的数量;

其中，n——元器件的种类数。

按照下面公式计算板卡的MTBF：MTBF=1/λPS。

3.2 模拟卡件MTBF预计结果

根据模拟卡件MTBF预计报告，模拟卡件MTBF预计结果详见表3。

表3 模拟卡件MTBF预计结果Table 3 MTBF expected results of Simulation card

图2 试验方案示意图Fig.2 Test plan diagram

4 可靠性验收试验

4.1 试验方案设计原理

试验方案设计原理包括验收试验原理和加速试验原理两部分，验收试验原理参考序贯试验的图解和最长试验时间，详见《可靠性鉴定和验收试验》（GJB 899A-2009）[3]和《30万千瓦模拟卡件寿命分析总结报告》[4]。

寿命特征与应力水平之间的关系通常是非线性的，但如果对寿命数据或应力水平经过适当的变换，曲线有可能变成直线，由于直线不仅容易拟合，而且方便外推，所以在建立寿命特征与应力水平之间的关系时应尽量使之线性化，常见的加速模型有如下几个，其中阿伦纽斯应用最为广泛和成熟。加速模型详见《30万千瓦模拟卡件寿命分析总结报告》[4]。

4.2 试验方案设计

4.2.1 样本

待测试样品需为标准样品，无返修记录，无应用记录，所有功能正常。样本名称及数量说明见表3。

4.2.2 试验参数设计

本可靠性验收试验采用序贯试验方案，以生产方和接收方的风险均为0.4，寿命的置信区间为10年～17年，带入试验原理相应的公式，计算结果如下：

a=-0.30217511

b=8.98142E-06

c=-0.132260219

本验收试验的图解示意图见图2。

如果试验过程中，无故障发生，落在接收区，至少需要33644.4692台时。根据样本数量总数为15，所有样本同时投入试验需要2242.964614h。

基于目前的试验约束，这个时间过长，所以考虑加速试验，加速试验的试验应力选择见下节。

4.2.3 试验应力

温度对电子产品寿命的影响较大，通常选用温度作为试验应力。

由于模拟卡件处于室温的环境中，其正常工作在20℃，通过分析样品卡件中部分器件的最高允许温度为70℃。为了防止试验过程中导致引入新的失效机理，最高允许温度定义为60℃。

表4 应力-试验时间对应表Table 4 Stress-test time table

表5 试验过程记录Table 5 Record of test process

图3 试验现场图Fig.3 Test site picture

所以定义不同应力下的试验时间见表4。

上述试验过程中等效时间是将加速状态下的时间等效到常温状态下的累积时间，该等效时间对应到图2试验方案示意图的时间轴。如果在规定时间内进行的试验无故障发生，则认为这批板卡的寿命在10年以上。如果发生故障需要具体分析。

4.3 试验数据记录

试验的故障判据及处理分类方法详见《30万千瓦模拟卡件寿命分析总结报告》[4]，按照上节试验方案设计，对模拟卡件进行可靠性验收试验。试验过程记录见表5。

试验过程中未发生板卡故障，且已经进入图2试验方案示意图的接收区。

试验图片见图3。

综合MTBF预计和可靠性验收试验结果，这批模拟卡件的剩余寿命在10年左右。

5 结语

秦山一厂主控制系统的模拟组装仪表中很多板卡即将到原有的设计寿命，中广核研究院北京分院针对该问题，通过老化分析、试验，对模拟卡件进行可靠性分析。

从功能角度分析设备及板件的功能可靠性，采用多种分析方法进行，客观全面地评估设备及板件的可靠性，为产品的设计改进、维修等工作提供详细依据。最终通过计算和试验得到模拟卡件的使用寿命及剩余寿命。