核电仪控设备可靠性增长试验技术研究

王 菲,青先国,唐 涛,寸怡鹏,姜德航,谢卓然,张洧川,程阳洁

(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213)

民用核电站信息化、现代化和网络化的不断发展，对其仪控设备的可靠性提出了更高的要求。可靠性设计和可靠性试验是可靠性工程的两大支柱，即使在设计研发阶段经过严格可靠性设计和分析的仪控设备也必定存在缺陷，这些缺陷只有通过可靠性试验施加长时间的各类试验应力才能充分暴露出来，常见的可靠性试验及其分类如图1所示。可靠性试验对于发现设备在设计、元器件、零部件、材料和工艺等方面的缺陷具有不可替代的作用，也是检验设备可靠性水平的重要手段[1]。

目前,核电仪控设备在设计研发阶段的可靠性试验工作开展较少，急需适用于工程实践的可靠性增长方法，以缩短研制周期，使其可靠性得到切实的增长。几乎所有的可靠性试验都按照“试验-分析-改进-再试验”(TAAF)这个原则开展，因此本文针对核电仪控设备开展可靠性增长的试验方法研究。

图1 可靠性试验

1 可靠性增长试验发展历程

国内可靠性增长技术的研究是随着我国科学技术和工业的发展以及国外可靠性增长理论和方法的引入并结合我国实际情况开展可靠性工程活动而发展起来的。

1988年，国防科工委颁发GJB450《装备研制与生产的可靠性通用大纲》中工作项目302对可靠性增长试验规定了专门要求。之后几年间，《可靠性增长试验》《可靠性增长大纲》《可靠性增长管理手册》等标准的颁布也陆续规范了国内军用装备可靠性增长试验的具体实施和管理工作。

1992年7月颁发的GJB1407《可靠性增长试验》规定了可靠性增长试验的要求和方法，提供了可靠性增长试验的Duane图分析法和AMSAA统计分析的方法和程序。

1994年颁发的GB/T15174《可靠性增长大纲》阐明了可靠性增长的概念以及可靠性增长管理、计划、试验(实验室试验和现场试验)、失效分析和改进技术。

1995年颁发的GJB/Z77《可靠性增长管理手册》建议使用Duane模型或AMSAA模型进行可靠性增长试验计划的制定和增长情况的评估，并介绍了8种离散型和9种连续型增长模型。但在1995年之后，鲜有可靠性增长试验标准的更新。

从20世纪80年代末到90年代初开始，随着可靠性技术的快速发展，加速可靠性试验能高度压缩试验时间，使设备的潜在缺陷在设计和制造阶段得以暴露，为根治薄弱环节提供确切的改进信息，大大减少设备的研制费用和周期，得到了国内外的高度认可。

2000年，周海泉提出的加速可靠性增长试验评估方法(ARGT)是建立在加速寿命试验及可靠性增长试验的基础上，其基本想法是加大应力使进行ARGT的产品加速暴露故障，经分析与采取纠正措施，达到使产品的可靠性快速增长的目的，并科学地评估产品经ARGT后所达到的可靠性指标。

2012年，GB/T 29309《电工电子产品加速应力试验规程高加速寿命试验导则》提出高加速寿命试验的方法指导。

2017年，GB/T 34986《产品加速试验方法》更是明确提出加速试验方法通过提高产品试验的应力水平或者增长交变应力施加的频度而缩短试验时间，发现和减少产品的失效模式，能快速评估产品的可靠性水平并使其得到增长。

2 传统可靠性增长试验方法适用性研究

传统可靠性增长试验(GJB1407《可靠性增长试验》)在工程实践中主要应用于软件测试领域，在机械、电子及机电领域都没有实际的应用。

关于核电仪控设备的总试验时间，进行传统可靠性增长试验的试验分析会发现：假定一个核级仪控设备的MTBF要求是2000 h，参照GJB1407总试验时间一般取要求MTBF的5～25倍，则实际试验时间长达10 000 h～50 000 h(24 h持续运行1.14～5.7年)。再假设使用一个三综合试验箱的费用为100元/小时，那么测试费用将高达600万～3 000万元，这么高的试验时间和费用对设备研发的时间和经费要求都不具备可操作性[2]。

传统可靠性增长试验(GJB1407)是在试验使用Duane模型的基础上进行试验计划曲线中曲线起始点和增长率选择的，这也意味着试验过程中可靠性增长率是恒定的。但对核电仪控设备具体开展可靠性增长试验时根本无法确保甚至大多数试验都做不到其研发过程属于恒定可靠性增长率下的不断努力改进设计的情况，因此计划曲线的绘制大概率与实际试验情况不符，无法指导实际可靠性增长试验的开展[3]。

同时，在试验过程中对可靠性增长进行监控时需根据试验得到的累计MTBF作拟合曲线与试验计划曲线对比，一般试验需要确定5个试验失效点才能绘制试验拟合曲线。但对核电仪控设备而言，即使获取绘制拟合曲线需要的最少点——3个需要的试验时间都是在几万个小时以上的。从试验计划曲线和拟合曲线上分析来看GJB1407标准的不适用性显而易见。

3 加速可靠性试验方法适用性研究

3.1 加速可靠性试验方法定义

加速可靠性试验是在加速试验和可靠性增长试验基础上发展起来的[4]，具体分类如图2所示，包括可靠性强化试验(RET)、加速寿命试验(ALT)和高加速应力试验(HAST)。其中，可靠性强化试验包括高加速寿命试验(HALT)和高加速应力筛选(HASS)试验。

图2 加速可靠性试验

GB/T29309《电工电子产品加速应力试验规程高加速寿命试验导则》规定，HALT应用于设备的研发阶段，主要用来快速诱发并改善设备的设计缺陷；HASS则应用于设备的生产阶段，主要用来剔除制造过程中有缺陷的部件或元器件，只有进行过HALT试验的设备才能进行HASS试验。核电仪控设备的可靠性增长试验主要是针对研发阶段来提高可靠性的，所以HALT可以作为仪控设备可靠性增长试验的项目。

GB/T 34986《产品加速试验方法》规定，加速寿命试验是为了缩短试验时间，在不改变故障模式和故障机理的条件下，用加大应力的方法进行的寿命试验。ALT在工程应用中可同时达到可靠性增长和可靠性验证的目的，所以ALT可作为仪控设备可靠性增长试验的项目。

高加速应力试验是一种为了替代传统温度、湿度试验而开发的一种新环境试验。HAST不主要针对设备的可靠性增长，且国内该类试验的工程实践试验较少，所以核电仪控设备的可靠性增长试验不考虑HAST项目。

由上可知，对仪控设备开展加速可靠性增长试验时，可采用加速寿命试验中的HALT和ALT进行试验方法适用性分析和具体试验流程确定。

3.2 HALT和ALT试验方法适用性研究

核电仪控设备属于由电子零部件与印刷线路板组成的较为复杂的电子产品，对其开展HALT和ALT试验具有可操作性。通过表1中HALT和ALT的试验对比可发现：首先，两者试验时机不同，避免了试验资源的集中占用。其次，两者的试验性质和试验目的不同，以浴盆曲线为例，HALT的实施将降低由于外因诱发故障形式形成的浴盆曲线的中间平坦段，使得浴盆曲线的磨损段远远地向右延伸，对可靠性增长具有很高的贡献度；而通过实施ALT定量可靠性试验可确定浴盆曲线的底部具体位置，对可靠性增长水平有定量的认识。

表1 HALT和ALT对比

4 核电仪控设备可靠性增长试验技术研究

如图3所示，核电仪控设备的可靠性增长试验可采用HALT加ALT的试验方法。核电仪控设备先进行HALT试验短时间内快速暴露缺陷并采取改进措施，使其可靠性得到提升；再进行ALT试验以确认设备最终的可靠性水平，为设备生产和系统级研发提供信息。

图3 仪控设备可靠性增长试验方法

仪控设备在研发阶段主要选用电源模块、主控模块、通信模块、优选模块、AI、DI、DO等模块开展高加速寿命试验和加速寿命试验。下面对HALT和ALT的试验具体实施的部分问题进行探讨[5-6]。

4.1 基于HALT的可靠性增长试验技术研究

(1)HALT试验前准备

对仪控设备进行HALT试验前要保证所有待测模块应满足该模块所标称的功能要求，并已完成基本的环境试验和振动试验，且测试前待测模块需烧机测试一天并所有功能完好。

(2)测试项要求

仪控设备HALT试验的模块测试要求如表2所示。

表2 仪控设备HALT模块测试要求

(3)测试点要求

振动测试点要求：在试验时主要元器件及结构件上安装加速度传感器以监测和记录振动曲线，只有振动台的振动曲线与加速度传感器的振动曲线一致时才能进行振动试验。

温度测试点要求：监测主要发热元器件及热敏元器件的温度，在测试模块的外表面放置热电偶以监测试验箱施加在模块上的热作用。该热电偶最好放在低热量聚集的地方，不能放置在测试模块的热源附件，且不能放置在测试模块内部。如可能，去掉电源模块上的过温保护功能。

(4)故障判据和故障改进要求

HALT不仅包括试验过程的具体执行，也包括试验故障的确定及故障改进措施的实施，所以根据设备FMEA定义的故障判据，在实际HALT故障出现时，对故障进行分析，在实际故障改进代价和设备目标可靠性增长水平间进行权衡后确认对故障的改进措施。这对HALT试验执行单位在仪控设备HALT试验经验方面及仪控设备相关失效分析库提出了很高的要求。

4.2 基于ALT的可靠性增长试验技术研究

ALT属于统计试验决定了其试验的重点在于不同模式ALT试验的探索，关键因素包括加速模型的选择和试验后数据的分析。根据仪控设备自身特点和实际环境特点选择不同的加速模型，由设备目标MTBF和可接受风险度可以获取ALT的具体试验时间，下面对加速模型和数据分析进行介绍。

(1)加速模型选择

对仪控设备进行ALT试验时根据不同的应用环境可选择不同的加速模型。若主要考虑温度环境则选择阿伦尼乌斯Arrhenius模型，若同时考虑温度和湿度环境则选择Hallerberg-Peck模型。

1)温度加速模型

在温度加速时选择阿伦尼斯Arrhenius模型作为加速模型。

ξ=AeE/kT

其中，ξ为寿命特征，A为与设备特性、几何形状、试验方法有关的正常数，E为激活能(eV)，1 eV=1.602×10-19J，k为玻耳兹曼常数(8.617×10-5eV/K)，T为绝对温度(K)。对阿伦尼乌斯模型两边取对数可得：

式中加速因子A可以通过下式得出：

A为加速因子；

ΔH为活化能，选择0.6；

k为波耳兹曼常数=8.623×10-5

=0.000086；

T_field为参考环境温度，K；

T_test为测试环境温度，K。

2)温湿度加速模型

在温湿度加速时选择Hallerberg-Peck模型作为加速模型。

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常数；

Tu——设备正常使用下的开尔文温度；

Ts——设备加速试验的开尔文温度;

RH_use——设备正常使用时的相对湿度；

RH_stress——设备在加速试验时的相对湿度；

n——相对湿度加速率，取2.66。

(2)数据分析

假设仪控设备寿命分布符合指数分布，用单边卡方统计方法做数据统计分析。统计公式如下：

式中：

MTBF为设备寿命；

T为设备运行时间(所有设备试验时间之和与加速因子乘积)；

x2为卡方分布；

C=置信度(卡方分布分位数表)=80%；

r为失效个数；

2r+2=自由度(卡方分布分位数表)。

5 结束语

可靠性增长试验按“试验-分析-改进-再试验”(TAAF)的原则进行试验，暴露缺陷并采取纠正措施最终提高设备的固有可靠性。核电仪控设备进行传统的可靠性试验(GJB 1407)有一定的局限性。随着加速可靠性试验的工程实践发展和普及，对核电仪控设备实行高加速寿命试验和加速寿命试验组合的加速可靠性增长试验可快速发现故障，提高设备研发可靠性并确认最终可靠性水平，有节省试验费用、时间及资源的巨大优势，具有独特的工程适用性。