核电厂数字化仪控设备寿命验证方法研究

刘明明，张 楮，贺先建，顾鹏程

（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，成都 610213）

0 引言

据公开文献显示，军工行业对电子设备的寿命分析和验证评价开展了广泛的研究，并取得了一些突破性的成果。例如张晓洁、王强[1]等人针对难以用试验法开展的电子产品，提出了一种通过收集环境试验数据对其平均故障间隔时间进行区间估计的寿命分析评估方法。另有，张宁、刘庭伟[2]等人提出电子产品在力、热、电单一应力作用下的失效机理，结合电子产品在典型工况条件下的仿真技术，利用多应力综合作用的累积损伤模型，量化产品的寿命指标。

作为核电厂的神经中枢，核电厂数字化仪控设备（以下简称仪控设备）的可靠性直接决定着核反应堆的安全性。仪控设备在役过程中，若运行维护人员未掌握其寿命信息，就很难准确地制定相关维护策略和备品备件的采购及管理策略，进而可能会导致电厂不合理地频繁更换设备；因为寿期降低电厂的经济性和加大电厂的经济投入，也有可能基于故障发生后的维护带来不可预估的事故风险。由于核电厂仪控设备寿命一般都在10 年以上，因而正常环境条件下、较短时间内准确评估验证寿命极其困难。对此，本文基于阿伦纽斯模型，提出了一种仪控设备加速寿命评估验证的方法，为解决此问题提供了较为可行的方法和思路。

1 仪控设备失效和老化机理

1.1 仪控设备老化

电子产品随着服役年限的增加，会不可避免地开始老化直至失效。核级仪控设备中的电子元器件因为老化而失效的情况同样存在。大亚湾核电站从1994 年投运，2003年开始开展老化处理，同期完成大亚湾第一轮老化处理，大亚湾4 台机组老化处理的结果见表1[3]。

为了应对仪控设备的老化，核电厂一般采取根据产品的设计寿命时间周期进行更换的策略，且更换处理的设备数量十分庞大。

因此，准确地验证仪控设备寿命，满足设计寿命要求，同时按照设计寿命延长仪控设备的使用寿命，可以确保核电厂仪控设备安全性的同时，兼顾经济性。

1.2 仪控设备失效控制

仪控设备的老化最终会导致设备失效。可以通过对仪控设备失效的研究，来分析预计仪控设备的老化。电子产品在使用过程中，会因为各种各样的原因失效。而仪控设备与其他电子设备类似，失效过程可分为3 个阶段：早期失效阶段、正常使用阶段和寿期末阶段。失效率曲线如图1 所示[4]。

早期失效阶段一般是由于设计、生产或材料不满足要求，表现为设备在开始使用时失效率很高，但随着工作时间的增加，失效率迅速降低。验证与识别早期失效所需的时间成本很低，容易识别。

正常使用失效阶段也叫偶然失效期或随机失效期，这个阶段表现为设备失效率较低，且较稳定。在役仪控设备应工作在此阶段，从而确保系统的稳定运行。

寿命末期失效阶段也称作损耗失效期，该阶段随时间的延长而失效率急剧增加，主要由磨损、疲劳、老化和损耗等原因造成。

所以，为了确保仪控设备能够满足设计要求，其设计寿命不应达到寿期末期失效的时间，即：仪控设备在设计寿命不会发生寿期末损耗失效。

图1 电子设备失效率特性曲线Fig.1 Failure rate curve of electronic equipment

表1 大亚湾核电站老化处理数据表Table 1 Daya bay nuclear power plant aging treatment data sheet

2 传统寿命验证方法

证明设备在设计寿命内不会发生寿期末损耗失效，有多种方法可取，包括贝叶斯法、定时截尾试验法、加速寿命试验法等。和加速寿命试验法相比，前两者都存在明显的缺点，包括数学模型处理复杂、样本数量需求过大等。

由于行业的特殊性，在核行业中对仪控设备寿命验证和鉴定的方法一般包括运行经验法、分析法和型式试验3种方法[5]。对于以上常用的3 种验证方法，国内各设备厂家自主设计的仪控设备使用规模小、服役年限短，其产生的运行数据不具有较强的说服力，因此难以用运行经验法来论证设备的寿命；分析法需要设备的试验数据和运行经验的支持，仅靠分析得出的数据是很难被采信的；而由于核级设备具有长寿命的特性，若采用传统的常规型式试验方法进行与设计寿命同等时间的试验，则所需试验时间过长、投入的人力成本和试验费用过高。虽然在实际试验中，众多设备厂商常常通过使用增加样本数量的方案以减少试验时间，但核级设备成本极高，通常不会大规模生产，样品数非常有限，且这种方法没有考虑到整个寿期内应力的累积效应对设备的老化影响，只能在一定的程度上说明设备在设计寿命内的可靠性[6]。

所以，在使用传统可靠性验证方法对仪控设备进行寿命验证难以实现的情况下，必须寻求其他可行的验证方法。

3 加速寿命试验法

根据业界对电子设备的研究经验，电子设备的老化速度容易受到各种环境因素的影响。改变环境温度和湿度，电子设备的老化速度往往会发生显著的变化，可以尝试通过改变设备的工作温度和湿度来加速或者减缓设备的老化速度。由此，诞生了加速寿命试验。

加速寿命试验是在不改变产品失效机理，不引入新的失效模式的前提下，通过提高一些应力的强度以加速失效进程的试验方法。这种试验方法一般使用在设备寿命长，且需要在短期内获得其寿命数据用以指导产品后期的维护与保障策略的试验中。

采用加大工作环境中应力的试验方法，可以缩短试验历程，使产品在加速试验谱下进行加速试验，用短的时间达到产品较长使用年限相同的累积应力，使试验周期和费用可接受。

判断加速寿命试验是否适用于仪控设备，需确定是否能找到对其失效进行加速或者减速的应力，并且在这种应力下，仪控设备在不会改变失效机理的同时也不会引入新的失效模式。

3.1 试验对象

由于一整套仪控设备的体积以及其包含的部件数量都非常庞大，所以若采用整套仪控设备作为进行加速寿命试验的试验对象，从原料成本和现有试验能力条件的角度来说都不具有可行性。由于同一套仪控设备的PCBA 上的元器件、材料种类及制作工艺都在一个有限范围内，所以试验的对象若包络范围内所有的元器件和材料就已经具有很强的代表性和说服力。

因此，在满足以上要求的前提下，可以选取包含仪控设备的关键零部件——执行重要功能的仪控设备基础模块作为试验对象，并将其按一定数量集成为一套典型系统以实现典型应用场景与功能。

3.2 加速寿命试验应力及模型

3.2.1 加速寿命试验应力

温度、湿度历来都是引起电子设备老化的重要因素，并且在常规的鉴定试验中，温度和湿度也都被纳入到环境试验的项目当中。

如今，众多核相关人员和机构已经着手研究在短时间内验证仪控设备可靠性的方法。他们发现，通过改变仪控设备的工作环境温度和湿度，可以较大地改变设备的失效进程和使用寿命。选择调控温度或者湿度应力，能够在相对较短的时间内，评估设备性能随时间的变化，以验证设备的耐久性。

3.2.2 加速试验模型

迄今为止，大多数加速模型都只选择将温度、湿度应力纳入考量范围内，这两种应力被关注和研究的历史足够长，能够得知操控温、湿度应力很容易，且其后果能够在可控范围内。

经过对现有的具有代表性的加速模型进行分析，比较适合仪控设备用来进行加速寿命试验的模型有以下几种：

模型一：只考虑热加速因子的阿伦纽斯模型（Arrhenius Mode）

EJ/T 1197《核电厂安全级电气设备质量鉴定试验方法与环境条件》中提出了使用该试验模型进行加速寿命试验。用阿伦纽斯模型对有机材料施加热应力进行人工加速热老化的试验，此方法将使用条件与加速热老化条件通过材料的活化能特性联系起来，可用以确定设备的鉴定寿命[5]。

在实际使用环境中，热老化成为影响产品老化及使用寿命的主要因素时，采用单纯考虑热加速因子效应而推导出的阿伦纽斯模型来进行设备寿期的模拟，其预估到的结果会更接近真实值。

模型二：综合温度及湿度因素的阿伦纽斯模型（Arrhenius Mode With Humidity）

对比模型一，该模型除温度以外，还添加了湿度这一因素。但由于在实际工作环境中，一般只会避免湿度不要太高，而不会将湿度长期控制在一个稳定的值。而一些试验经验也表明，用模型二来描述某些情况下湿度对设备老化的影响并不准确，所以不考虑该模型。

模型三：Hallberg-Peck 模型

该模型同样考虑了温度、湿度影响，且经验表明，其相比模型二更能准确地描述在温湿度应力下设备的老化进程。

上述式（1）～式（3）中的参数：

t1——鉴定寿命的数值，单位为小时（h）

t2——加速老化时间的数值，单位为小时（h）

ϕ——材料的活化能，单位为电子伏特（eV）

k——玻尔兹曼常数（0.8617×10-4eV/K）

T1——正常使用环境温度的数值，单位为开尔文（K）

T2——加速老化温度的数值，单位为开尔文（K）

RH1——正常使用环境的相对湿度

RH2——加速老化相对湿度

t1/t2为加速因子，加速因子越大，应力对试验对象的影响就越强，加速进程越快。

计算在同等环境温度条件下，式（1）和式（3）的加速因子的值，用来评估此类试验模型对试验对象失效进程的影响。

正常使用环境湿度RH1一般要求为25%RH ～75%RH，在计算时选取其中间值50%；仪控设备正常运行时，运行环境湿度不应高于95%RH，将该湿度作为加速老化试验的相对湿度 ，其计算得到的加速因子值为式（1）值的6.859倍。若选取式（3）作为本次试验模型，其加速应力太过激进，并且在实际工作环境中很少也很难将湿度控制在一个稳定的值，所以使用该模型来进行验证有失稳妥。

综上所述，加速寿命试验选择模型一（即阿伦纽斯模型），其试验结果会比起其他模型更加准确、更加保守。

3.3 加速寿命试验时间

确定加速寿命试验时间，需通过阿伦扭斯模型来计算。在计算之前，需要确定以下参数：

参数1：正常使用环境温度T1

在电厂现场，模块硬件正常使用时，环境温度T1约为20℃～25℃，由式（1）可知，选取25℃（即298.15K）进行计算，结果更加保守。

参数2：试验温度T2

由阿伦纽斯模型计算可以得知，设备的老化速度与试验温度成正比关系。为了缩短试验时间，节约试验成本，试验温度考虑65℃（在对仪控设备进行元器件选型时，考虑到了65℃以上的高温环境）及以上。而依据标准EJ/T 1197，可知选择加速试验条件时应注意试验时间不应过短且温度不应过高，以免引入不具有代表性的故障模式和正常运行10 年～20 年不可能产生的老化效应。因此，选择65℃（即338.15K）进行试验比较合理。

参数3：鉴定寿命

仪控设备基础模块的设计寿命为10 年，所以鉴定寿命应为：24h×365×10=87600h

参数4：材料的活化能φ

根据电子产品加速寿命试验行业经验，在开展PCBA板卡加速寿命试验时，推荐的活化能范围是0.6eV ～0.8eV，EJ/T 1197 中也推荐使用不大于0.8eV 的活化能进行试验。因此，本试验选取0.6eV 作为本次试验活化能的值，在满足要求的前提下使试验更为保守。

根据以上条件，将上述参数取值代入式（1），得到加速老化时间见表2。

EJ/T 1197 中指出：实践经验表明，除非另有材料试验可以证明，加速因子t1/t2应小于250，加速老化时间不应低于1000h。根据表2 中的计算结果，试验温度T2=65℃、加速老化时间5531h，满足EJ/T 1197 的要求。根据GB.T 12727 对裕度的要求，在5531h 的试验时间上增加10%的裕度，即：试验温度T2=65℃，试验时间=6085h。

一般仪控设备技术规格书中会对其基础模块的精度校准时间进行规定，要求模块在现场使用时，需满足每2 年进行一次校准的要求。因此，在本试验实施过程中，在每2 年对应的加速老化时间，即每1217h 对模块进行一次精度考核。

3.4 加速寿命试验步骤

3.4.1 预处理

为了使加速寿命试验尽量少受到甚至不受到除试验应力之外的其他因素的影响，应在试验开始之前，对仪控设备进行预处理：

对模块进行目视检查，测试环境确认。

将模块放置在温湿度试验箱中，试验箱温度设置为25℃，使模块达到温度稳定。然后将其通电运行30min，对模块进行功能性能检测，并记录测试数据。

3.4.2 试验步骤

待测试完成后，整个试验按照如下步骤进行：

① 试验箱在25℃±2℃

② 试验箱按0.5 ℃/min 的速率从25 ℃±2 ℃升 至65℃±2℃

③ 试验箱在65℃±2℃保持1217h

④ 试验箱按0.5 ℃/min 的速率从65 ℃±2 ℃降 至25℃±2℃

⑤ 将试验箱温度保持在25℃±2℃，保温8h

⑥ 对模块进行性能检测和外观检查并记录

⑦ 对模块进行校准

以上①～⑦为一个循环，共执行5 个循环。在整个试验过程中，模块都处于通电工作状态，每4h对模块进行一次性能测试。试验曲线如图2 所示。

3.4.3 恢复

试验结束后，将试验箱温度保持在25℃±2℃，保温8h，使模块恢复到初始状态。

3.4.4 最后检测

对模块进行目视检查和功能性能检测并记录数据。

3.4.5 验收准则

以上加速寿命试验的试验前、中、后对模块进行功能性能测试，根据模块设计要求进行验收。

4 结束语

为解决仪控设备后期维护及备品备件管理等相关问题，首先需要对仪控设备的寿命数据进行定量、准确评估。实践证明，基于阿伦纽斯模型，对具有热老化机理的设备进行寿命验证具备可操作性。但若需要对不具备热老化机理的设备进行寿命验证，则要寻求其他合理的方法。本文中提到的考虑湿度的模型，对一些对湿度敏感的设备具有一定的参考性。除此之外，对处于特殊环境中的设备，应根据需要选择性采用如辐照老化、振动老化等方法，更好地模拟还原实际使用环境，验证其寿命。在国内和国外，行业内对设备老化的研究也在不断的深入发展。希望通过此次研究，能为行业内开展设备寿命验证提供有价值的参考。

表2 阿伦纽斯模型参数Table 2 Arrhenius model parameters

图2 加速寿命试验曲线Fig.2 Accelerated aging test curve