论核电产品的耐久性分析方法

□ 王宾华

上海电气核电设备有限公司 上海 201306

1 研究背景

可靠性是一门新兴的工程学科。产品的可靠性已经成为衡量产品质量的重要指标之一。近年来，世界各发达国家已把可靠性技术和全面质量管理紧密结合起来，大大地提高了产品的质量。

可靠性是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。一个产品在某个阶段时间的工作情况不能较好地反映产品的可靠性，应对产品进行大量统计分析,才能正确反映其本质。核电产品由于比较单一且量少，统计样本不足，尤其是新研发的产品，样本少之又少，一般只有通过可靠性试验来掌握相关数据，但试验时间较长，费用较高。根据核电产品的特点，可以通过对产品进行失效应力和累积损伤分析，找出产品的耐久性薄弱环节，并结合失效物理模型，计算产品各零组件的耗损型失效时间，最终得出产品的寿命。显然，耐久性是在规定的使用、储存和维修条件下，对产品使用寿命的一种度量。

寿命指产品从开始工作到首次失效前的一段时间，产品寿命的数学期望均值称为产品的平均寿命。平均寿命是一个表征产品能工作多长时间的量，但不是针对某个产品而言，而是针对整批产品而言的概念。针对单件小批量的核电研发产品，如何通过耐久性分析来获得产品寿命，笔者进行了深入研究，研究内容可为类似核电产品的耐久性分析提供参考依据[1-3]。

2 耐久性定义

国内外对耐久性有多种定义，反映了不同工程应用场合对耐久性的理解。GJB 451A—2005《可靠性维修性保障性术语》标准中对耐久性的定义是：产品在规定的使用、储存与维修条件下，达到极限状态前，完成规定功能的能力，一般用寿命度量。极限状态指由于损耗使产品从技术上或经济上考虑，都不宜继续使用而必须大修或报废的状态，损耗包括疲劳、磨损、腐蚀、变质等[4]。美国军用MIL-STD—1798《机械设备和子系统的完整性大纲》标准中，耐久性的定义为：在规定期间内，分系统或部件抵抗劣变、磨损、裂纹、腐蚀、热变质等的能力。俄罗斯гOCT 27.002—89《工程中的可靠性基本概念、术语和定义》标准中，耐久性的定义为：产品在规定的技术维护和修理体制下保持工作能力，直到极限状态的一种属性。

根据上述定义，可以归纳出耐久性描述的是耗损性失效模式，以耐久性失效或极限状态作为判断准则。

要分析机械产品的耐久性，还需要明确产品的失效率。失效率是工作到某个时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率，一般记为λ，是时间t的函数，也可记为λ（t），称为失效率函数或故障函数。机械产品的主要质量标志是功能、寿命、经济、安全等，其中功能是首要的。产品丧失规定的功能称为失效，对于可修复的产品通常也称为故障。机械产品常见的典型失效曲线如图1所示，一般形象地称为浴盆曲线，失效过程可分为早期失效、偶然失效和耗损失效三个阶段[5-6]。

图1 机械产品典型失效曲线

3 耐久性分析目的

在设计阶段，可以暴露产品潜在设计缺陷，明确产品主要耗损型机理及薄弱环节，摸清产品的耗损规律，采取针对性改进措施，提高产品的设计寿命水平。

在验证阶段，可以评价产品的寿命水平，确定产品的耐久性指标是否满足要求，为产品常规寿命试验或加速寿命试验方案提供设计依据。

4 耐久性分析流程

通过在产品数字样机上施加产品所经历的载荷，并逐级分解到产品的零部件上，通过应力分析和累计损伤分析，找出产品的耐久性薄弱环节，并结合失效物理模型计算产品各零部件的耗损型失效时间，从而评估产品的耐久性指标。耐久性分析流程如图2所示。

图2 耐久性分析流程

4.1 机理分析

首先对产品的结构层次进行分解，分解至最低约定层次，然后针对每一个最低约定层次进行载荷分析，分析其在整个产品工作过程中受到的载荷。其次确定每一个最低约定层次可能存在的故障机理，筛选出耗损型故障机理。最后进行机理合并，确定后续耐久性分析的分析对象及内容。机理分析流程如图3所示。

图3 机理分析流程

（1）结构分解。在明确产品工作原理、结构组成及工作特性的基础上，进行产品的结构层次分解。对于零部件较多的产品，要进行结构层次分解，分为初始约定层次、约定层次、最低约定层次等。绘制产品结构层次图，确定机理分析的最低约定层次。按照GJB/Z1391—2006《故障模式、影响及危害性分析指南》标准中约定层次的定义和方法，进行结构层次分解。

（2）载荷分析。根据产品的载荷谱或任务剖面，分析确定产品全寿命周期内所有可能的工作载荷、环境载荷及其作用方式，载荷分析要求全面。

（3）确定机理。在结构分析与载荷分析的基础上，针对每个最低约定层次，考虑所有可能的载荷类型，进行一一映射关系，分析确定每一种最低约定层次所有可能的耗损型故障机理。

（4）机理合并。对会引起同一故障模式的机理进行合并。具有相对运动的最低约定层次，其故障机理多为磨损，在这种情况下，要进行不同约定层次的机理合并，统一为某种机理类型[7-8]。

4.2 应力损伤理论

故障机理指导致产品故障的物理、化学、生物或其它过程。产品在全寿命周期内受到各种环境载荷的作用，会产生疲劳、磨损、断裂等各种故障模式，引起这些故障模式的内在原因即为故障机理。

故障机理根据故障具有损伤的时间累计效应，分为耗损型故障机理和过应力型故障机理。耗损型故障机理指由于累计损伤超越了材料的容许极限而导致产品发生故障的机理。

寿命评估模型指针对特定的耗损型故障机理，在基本物理、化学和试验回归公式的基础上，建立起来的定量反映耗损型失效时间与材料、结构、应力等关系的数学函数模型。

机电产品零部件寿命评估模型有39个，涵盖疲劳、磨损、老化、应力松弛等四种故障机理，适用于螺纹、轴承等七大类标准件，以及承力件、运动件和密封件等非电产品[9-10]。

4.3 应力分析目标

针对疲劳类机理，除弹簧、螺纹、轴承类产品以外，均需要建立数字样机进行应力分析。

针对老化类机理，如泵、电机类发热量大的产品，需要建立计算流体动力学样机，并进行相应的热应力分析，然后再进行老化寿命计算。

针对磨损类机理，如果作用力载荷不明确，那么需要先建立多体动力学系统模型进行动力学仿真分析，获得零件表面的作用力载荷，然后再进行磨损寿命计算[9-10]。

4.4 理论寿命确定

根据产品各最低约定层次耗损型失效时间的计算结果和时间最短原则，确定产品的耗损型故障首发时间，同时对照产品寿命指标要求，找出耐久性仿真试验期间发现的耐久性薄弱环节。

当耗损型失效时间计算时所输入的剖面信息对应首次翻修期寿命要求时，确定的理论寿命为产品的首次翻修期寿命。当耗损型失效时间计算时输入的剖面信息对应总寿命要求时，确定的理论寿命为产品的总寿命。

5 案例分析

某核电产品驱动机构由主轴动力组件、抓手动力组件、主法兰、齿条组件、抓手组件、电控组件、传动组件七大部件组成，其耐久性指标，即寿命为20年。

5.1 结构分解

按照核电厂系统失效模式与影响分析的要求，根据驱动机构的工作原理、结构组成，进行产品的结构层次分解，确定初始约定层次、约定层次、最低约定层次等，绘制产品结构层次，如图4所示。

该驱动机构主要分解为三个约定层次。初始约定层次为堆本体及一回路系统。约定层次为液体悬浮式非能动停堆棒驱动机构。最低约定层次为各组成零件及部件。

5.2 载荷分析

此处只列举其中一个组件的部分零件来进行说明。该驱动机构共有331个零件，需对每个零件进行载荷分析，见表1。

表1 主轴动力组件最低约定层次载荷分析结果

5.3 确定机理

在结构分析与载荷分析的基础上，针对每个最低约定层次，考虑所有可能的载荷类型，分析确定每一种最低约定层次所有可能的耗损型故障机理。产品常见的耗损型故障机理类型主要包括疲劳、老化、磨损和应力松弛。机理确定原则见表2，机理确定结果见表3。

图4 驱动机构产品结构层次

表2 机理确定原则

表3 主轴动力组件最低约定层次机理确定结果

5.4 机理合并

机理合并结果见表4。

表4 主轴动力组件机理合并结果

5.5 应力分析目标确定

通过耐久性机理分析，确定应力分析目标，见表5。

表5 主轴动力组件最低约定层次应力分析目标

5.6 结构疲劳寿命计算

根据各材料的应力寿命曲线，可以得到材料的疲劳极限，并通过计算可以得到零件实际承受的应力水平，结果见表6。

表6 结构疲劳失效时间计算结果

5.7 磨损失效时间计算

通过故障机理分析，找出驱动机构中磨损失效的所有零件，此处列举抓手组件中的销钉零件，见表7。

表7 磨损失效零件统计

根据机理分析结果，结合相对应的磨损模型，应用商用软件进行磨损失效时间计算，结果见表8。

表8 磨损失效时间计算结果

5.8 老化寿命时间计算

通过故障机理分析，找出驱动机构中老化失效的所有零件，此处列举主轴动力组件中的老化零件，见表9。

表9 老化失效零件统计

根据机理分析结果，结合相对应的老化模型，应用商用软件进行老化寿命时间计算，结果见表10。

5.9 计算结果分析

结构疲劳方面，案例中各承力件结构应力值均低于疲劳极限，因此疲劳寿命满足20年的要求。

表10 老化寿命时间计算结果

老化方面，案例中采用实际工作温度60℃作为各密封件的工作温度，通过计算，氟密封圈老化寿命为7年，不满足20年的寿命要求，可在翻修期更换。

磨损方面，案例中对抓手端头零件进行磨损寿命计算，磨损零件满足20年的寿命要求。

对于首次维修时间不满足寿命要求的各零部件，可重新制订翻修周期，以保证整机20年的使用寿命。此外，在设计可靠性鉴定试验方案时，应重点考虑耐久性薄弱环节，如进行氟橡胶密封圈加速老化寿命试验等。

6 结论

核电产品对寿命的要求比较高，要保证核电产品的寿命，就需要进行耐久性分析。通过实际案例，笔者对核电产品的耐久性分析流程、机理分析及理论寿命确定进行了梳理，为类似产品的耐久性分析提供参考。