核电厂数字化仪控设备寿命验证方法研究

上海核工程研究设计院 董雷斌

核电厂数字化仪控设备是核电厂中重要的组成部分之一，该仪控设备的稳定和寿命决定了核电厂是否安全、可靠、稳定。因此准确评估核电厂数字化仪控设备的寿命对核电厂的安全运行有着重要的现实意义[1]。

1 仪控设备失效和老化机理

仪控设备老化。随着使用寿命的增加，电子产品将不可避免地开始老化。1994年大亚湾核电站投入运营，2003年开始部分仪控设备故障增多，设备出现老化现象。为应对仪器和控制设备的老化，核电站通常采用基于产品生命周期的备件战略，这增加了仪控设备部件的采购价格。因此，准确验证仪控设备各个部件的使用寿命既可以节省成本，又可以满足设计寿命的要求、确保核电厂仪器的安全性[2]。

仪控设备失效控制。通过对仪表和控制设备的研究，可以分析仪表和控制设备的老化情况，进一步确认仪控设备的剩余寿命，减少或者避免老化导致的设备故障。通常仪控设备在设计、制造和安装阶段的都能达到基本性能要求，虽然在调试和厂家试验阶段不会出现问题，但并不能避免内藏的隐形问题。在使用的初期仪控设备都能符合设计要求，其具有低效率和良好稳定性的特性和良好的稳定性。随着时间的推移，寿命失效阶段由于环境温度、湿度、尘埃等因素造成仪控设备性能急剧下降。为了确保仪器和控制设备可以满足设计要求，仪器和控制设备的设计寿命中不出现直接损失故障[3]。

2 传统寿命验证方法

寿命试验属于设备可靠性试验范畴，在规定在试验条件下验证或考察设备随时间变化情况。寿命试验有很多，包括贝叶斯法、时间截断测试法、加速寿命试验方法。贝叶斯法是把所有的未知量看做随机变量，用抽样或试验前关于参数的先验信息去描述或者用后验信息去描述；时间截断测试法是根据仪控设备累积试验时间，估算出平均无故障工作时间（MTBF），因此一般产品在研发试验期进行；贝叶斯法计算的是系统可靠性的下限；加速寿命试验可验证整个寿命周期的可靠性。由于核电行业的特殊性，仪控产品产量小，使用量不大，因此更适合时间截断的试验方法和加速寿命试验方法。

3 加速寿命试验法（ALT）

根据行业内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。改变环境的温度和湿度，电子设备的老化速度往往会发生显著的变化，我们可以尝试改变设备的工作温度和湿度来加速或减缓设备的老化速度，从而进行加速寿命试验，加速寿命试验是在不改变产品失效机理的情况下加速应力强度，而不是引入新的失效模式试验方法，该测试方法通常用于设备的使用寿命。

加速寿命试验需要在短时间内获取生命数据来指导产品的维护和保护策略。可以采用工作环境中的应力测试方法，并且可以缩短测试过程，使得产品可以在加速测试光谱下在短时间内达到相同的累积应力，从而可以接受测试循环和成本，有必要确定加速的寿命测试是否适用于设备，加速或减速的应力是失败的。在这种压力的行动下设备不会更改故障机制并引入新的故障模式[4]。

3.1 加速寿命试验的流程

可靠性评估：根据厂家UMM 手册，或者对多家类似产品进行调研，对产品进行可靠性设计评估，确认该产品满足设计要求；可靠性验证：按照GJB899A-2009开展可靠性评估试验，定量该产品的可靠性；加速寿命试验：通过调节使用现场的温湿度、压力等条件，调整温度的应力或调节温度或压力来评估设备的性能,在短时间内来验证仪控设备的寿命试验，从而缩短了试验时间。加速寿命试验分定量应力试验、步进应力试验、序进应力加速寿命试验；试验总结：通过加速寿命试验和可靠性验证，最终预测仪控设备的使用寿命。

3.2 加速寿命试验应力

温度和湿度始终是导致电子产品老化的重要因素。在常规鉴定试验中，温度和湿度也包括在环境测试中。如今，通过验证仪器改变仪器和控制设备的工作环境温度和湿度，可以改变设备的故障过程和使用寿命，以及调整温度的应力或调节温度或压力可以选择湿度来评估设备的性能随时间在短时间内，以验证设备的耐用性。

定量加速试验，就是将试验设备分成若干组，并在试验环境场所（比运行环境要恶劣）下进行试验，直到出现产品功能失效（图1）；步进应力试验是将被测的仪控设备阶段增加环境等试验条件（更恶劣的条件），直到被测的仪控设备功能异常为止（图2）；序进应力加速寿命试验，它是将被测的仪控设备匀速的增加环境等试验条件（更恶劣的条件），一直到被测的仪控设备功能异常为止（图3）。

图1 定量加速试验

图2 步进应力试验

图3 序进应力加速寿命试验

根据电子产品的加速生命试验的行业经验，推荐的激活能量范围为0.6～0.8eV，当PCBA 板的加速寿命试验时，也建议在EJ/T1197中使用不超过0.8eV 激活能量，因此选择0.6eV 作为该测试中的激活能量值。为了使加速寿命测试较少的其他因素影响而不是测试应力，仪器和控制设备应在测试前做好准备：检查模块的外观，确定测试环境，将模块放在温度和湿度测试室，并将试验室的温度设定在25℃上。在模块的温度稳定后，测试模块的功能和性能，记录测试数据，检查模块的外观和功能是否可靠，并记录数据[5]。

由上可知，为可以解决其中存在的问题应当对仪控设备的寿命数据进行精准的评估，处在特殊环境中的设备应当依据实际情况采用到相关措施，才能够真实反映实际情况，确保其寿期能精确获取。