核电厂仪控设备的可靠性及老化管理研究与实践

王国云，犹代伦，马 蜀，李 勇，杨铁成

(1.大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东 深圳 518124；2.中广核核电运营有限公司，广东 深圳 518124；3.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

0 引言

大亚湾核电站两台机组于1994年投入商运。其仪控设备采用20世纪70年代的模拟和继电器技术，大量使用了模拟板件，只有少部分系统使用了数字化技术。电站运行10年左右，陆续出现了一些老化相关的仪控设备缺陷，如电容失效、保险烧毁、接触不良等，对机组的安全运行造成威胁。另外，随着电站的运行时间延长以及仪控设备产品更新换代，某些仪控设备的板件类备件非常昂贵，有的甚至已经停产。因此，大亚湾核电站从2002年启动仪控设备老化管理，于2003年开始实施[1]。

1 仪控设备老化机理研究

1.1 老化机理

仪控设备寿命与其内部所有元器件老化降质有关，最短寿命的元器件通常决定仪控设备的寿命。元器件“老化”的实质是材料或设备的特性随时间发生变化。大多数情况下，一个电子元器件的寿命受限于绝缘材料老化，这是由于介电强度退化。此外，电子元器件的参数随时间发生变化，如漏电流或直流增益增大会导致这些元器件老化。许多物理应力会导致元器件老化，如电流、电压或电阻发热是电子元件的固有现象。外部应力，如环境温度、辐射、振动、冲击，或其他机械和化学应力都会加速元器件的老化。高温以及温度循环也是电子元器件和电子设备老化的主要原因。但并不是所有失效都与老化相关，也会有其他原因，如器件制造质量或设计缺陷[2-4]。

限于篇幅，本文仅简要分析两种典型仪控设备的老化失效机理作为参考。

①电解电容。

电解电容的主要老化机理是电解液通过端盖的密封泄漏，这是一个与橡胶密封有关的特殊问题，如果橡胶性能严重降质，会形成电解液泄漏通道。当温度为20 ℃时，一个典型的电解电容的老化过程可能需要10年(根据制造的工艺和材料品质，寿命有所不同)，高温则可加快这个老化过程。温度(环境)、电压和纹波是导致电解电容故障的诱导因素，会加速电解液蒸发。电解液的流失增大了等效串连电阻，减小了电容容量，最后电容会因开路或短路而失效[3-7]。

②中子通量探测器。

堆芯外探测器一般根据电离原理运行，堆芯内探测器通常由含有镀铀电极的裂变室构成。中子通量探测器的使用寿命要一般小于反应堆的寿命，探测器属于耗损部件，需要定期更换，老化机理主要与探测器的类型有关。制造工艺也对老化机理有着重要的影响，如制造缺陷造成电离室的密封和绝缘退化，导致泄漏和中子通量测量异常。计数器对气体质量特别敏感，若气体中存在杂质或湿度，会改变传感器的特性。杂质有可能是传感器制造期间进入的，湿度可能是测量室泄漏引起的。电离室探测器的退化主要与敏感涂层(例如硼)的退化有关。敏感涂层属于耗损部件。通常这类传感器作为源量程探测器可能具有5～8年的运行寿命,作为中间量程或功率量程探测器可能有10～20年的运行寿命[6]。

1.2 短寿命元器件和短寿命设备识别

根据国内外经验反馈及电子元器件老化机理的分析研究，结合核电厂多年老化数据收集分析，部分元器件寿命短于其所服务的整体设备设计寿命，导致整体设备提前老化失效。

根据元器件的老化效应和老化机理的认知，以及设备现场使用经验，短寿命元器件主要有熔断器、电解电容、光电耦合器、高发热电阻、可控硅、电位器、DC/DC电源模块、齐纳二极管、功率发热元器件、继电器、开关、连接器、接线端子、存储介质、电池等。

根据仪控设备的老化效应和老化机理的认知，以及设备现场使用经验，短寿命设备主要有电源、电磁阀、变压器、变送器、温度探头、开关量一次元件、核测量一次元件、电缆、散热风扇、键盘、鼠标、显示器等[4]。

2 仪控设备可靠性及老化管理方法

2.1 可靠性及老化管理目标与组织机构

可靠性及老化管理的目标是识别重要仪控设备的老化对核电厂安全和可用率造成的任何潜在的影响，并采取适当的行动。

可靠性及老化管理工作涉及范围较广，解决复杂的老化问题不仅是仪表控制部门的事，还需要核电厂多个专业的相互支持和合作。根据核电厂设备的老化情况，应建立核电厂老化管理组织机构，并明确各自的主要责任和相互之间的关系。其中，老化管理项目组的作用非常重要，是整个可靠性及老化管理的核心。它负责协调各相关部门，指导核电厂仪控设备的老化识别及分级，牵头制定老化管理策略、方法、标准，指导专业部门制定老化处理计划和现场实施[2]。

2.2 建立仪控设备分级管理原则

核电厂有数量庞大、类型各异的仪控设备。这些仪控设备对老化降质的敏感程度有很大差异，评估并量化每一个仪控设备的降质程度既不可行，也没必要。对此，应使用一个系统的办法，把资源集中到那些对电厂的安全运行有重大影响并易老化降质的仪控设备上。

老化管理应使用基于安全的方法来甄别筛选仪控设备，具体过程如下。

①列出所有系统和设备，并识别出安全重要仪控设备及影响机组可用率的设备。

②在上述基础上分析直接或间接导致降低或丧失安全功能或影响机组可用率的部件，并识别出部件内部安全重要元件。

③从安全重要元件列表中识别出老化降质可能导致部件故障的元器件，并识别出容易老化降质的短寿命元器件。

根据大亚湾核电站仪控设备的核安全和机组可用率要求，以及设备是否使用短寿命元器件，将仪控设备分为A、B、C三个级别进行管理。对三个级别的仪控设备采取不同的老化缓解策略，以尽可能取得老化风险控制和成本控制的最佳效益。

大亚湾核电基地仪控设备分级情况如下。

A级设备：影响重要核安全功能的设备或单一故障导致停机停堆或需要停机停堆处理的设备。根据老化识别，对A级设备可进一步分为A1级设备和A2级设备。其中，A1级设备是指含有短寿命元器件的A级设备或老化失效危险度高的A级设备，A2级设备是指除A1级外的所有A级设备。

B级设备：此类设备本身没有安全级别的要求和鉴定要求，但它的失效可能引起安全相关设备功能水平的降低。该类设备的故障或瞬态，可能导致电厂的能力因子、可用率的降低。对B级设备，可根据老化识别进一步分为B1级设备和B2级设备。其中，B1级设备是指含有短寿命元器件的B级设备或老化失效危险度高的B级设备，B2级设备是指除B1级外的所有B级设备。

C级设备：除A级和B级以外的其他设备。C级设备不纳入老化管理范围[2]。

2.3 建立全生命周期可靠性及老化管理策略

根据前面老化机理的分析，仪控设备使用寿命一般有三个阶段：初期失效阶段、正常使用(偶然失效)阶段、老化(耗损)失效阶段。仪控设备使用寿命三个阶段如图1所示。针对不同的阶段，需要采取不同的策略进行可靠性和老化管理，降低设备失效概率。

图1 仪控设备使用寿命三个阶段

①初期失效阶段。

电子元器件在寿命初期失效率一般会比较高，失效的最大可能是最初的生产缺陷及组装和试验阶段引入的损害。虽然生产厂家一般会做出厂检测，对一部分失效产品进行剔除，但远远达不到核电站对可靠性的要求。因此，这个阶段核电厂仪控设备可靠性管理的重点是建立拷机及元器件筛选平台。对分级为A或B类的重要备件进行烤机检测，以筛选存在初期失效的仪控设备。大亚湾核电基地已经分别建立了针对继电器、熔断器、电源、核级板件、中子探测器等设备的可靠性及老化检测平台，并编写了对应的检测方法(程序)和标准。

②偶然失效阶段。

这个阶段仪控设备失效率一般会比较低，但重要设备(分级为A级)的失效仍然是致命的，很可能导致重要核安全设备的不可用或停机停堆等瞬态事故。因此，这个阶段仪控设备可靠性及老化管理的重点是：进行重要系统及设备参数检测，及时发现设备异常并采取措施；利用设备可靠性及老化检测平台对偶然失效的设备深入研究，争取发现可能的共模故障，提前采取措施；对设备分级为A1级的设备进行双冗余改造，降低设备故障的危险度。

③老化(耗损)失效阶段。

这个阶段仪控设备失效率一般会大幅提高，因此仪控设备可靠性及老化管理的重点是避免设备进入这个阶段。采用的方法是：更换识别出来的仪控设备的易老化元器件(如电解电容、光耦、DC/DC模块等)；对于设备分级为A1级的设备，尽量采用整件更换的方式，以提高可靠性；对停产的备件进行反向设计，以维持整体系统改造前的正常运行；对系统进行整体改造[9]。

2.4 可靠性及老化检测技术

前文提到的仪控设备全生命周期都需要老化检测，因此本部分重点讨论老化检测技术。

根据核电厂设备管理流程和现场对设备可靠运行的要求，对仪控设备的老化检测分类如下[5]。

①备件验收检测：对新到的仪控设备备件进行无损和有损检测(抽样)，确定备件是否合格。

②烤机筛选检测：对即将使用到现场的仪控设备备件进行无损检测，通过关键参数测试确保现场使用的仪控设备合格。

③老化状态检测：对在线运行多年的仪控设备进行无损和有损检测，全面分析仪控设备的老化状态，评估现场仪控设备现场使用的可靠性。

④仪控设备失效分析：对失效仪控设备检测和根本原因分析[8-9]。

2.5 老化缓解

老化缓解过程包括制定实施计划、备件准备、现场实施等活动。

①制定实施计划：老化缓解的首要步骤是按照仪控设备分级管理原则和老化识别的元器件和设备，结合现场具体的设备老化状态和老化热点，确定老化处理的优先顺序，制定老化处理的计划清单，以便提前准备备件、人力资源、工具、大修窗口等。

②备件和元器件、材料准备：根据老化处理计划提出备件和电子元器件采购清单，确保老化实施的备件要求。对采购电子元器件，使用专用设备进行检测筛选。对整体更换的新备件，更换前按照规范要求进行可靠性烤机，以筛查存在初期失效的不良备件。

③现场实施：根据识别出的短寿命元器件和短寿命设备，按照老化管理大纲和老化管理数据库的要求进行现场更换，对停产或淘汰仪控设备进行替代或改造。

3 结束语

大亚湾核电基地从2002年开始启动仪控设备可靠性及老化管理，经过逐渐探索和总结，已经建立了一整套适应核电厂的仪控设备可靠性及老化管理体系，并取得了显著成效。该体系大大提高了仪控设备可靠性，提升了电站的核安全水平，显著减少了停机停堆事故和发电损失，具有一定的推广价值，可以用来指导和应用于同类核电站以及常规电厂仪控设备可靠性管理。

随着仪控设备可靠性和老化管理工作的进一步开展，要求不断开发新的老化分析技术，尤其是针对DCS、PLC等数字化板件的老化检测技术。另外，随着老化管理数据库的逐步建立，以及老化数据的不断积累，仪控设备可靠性和老化管理工作将逐步侧重于对设备老化趋势的预期以及寿命评估。