控制棒驱动机构专用电机驱动器可靠性鉴定试验与评估

肖丽丽，靳峰雷，夏 凡，王明政，杨孔雳，谷继品，吴宣东，赵跃东，张 浩

控制棒驱动机构专用电机驱动器可靠性鉴定试验与评估

肖丽丽1，靳峰雷1，夏 凡1，王明政1，杨孔雳1，谷继品1，吴宣东2，赵跃东2，张 浩2

（1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2. 卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司，河南 南阳 473000）

控制棒驱动机构专用电机驱动器是重要驱动控制设备，可靠性指标较高。在分析其失效机理后，根据阿伦尼斯模型，提出了单应力水平加速寿命试验方案，并与提前评定方案相结合，给出了评估方法。针对某控制棒驱动机构专用电机驱动器进行了可靠性鉴定试验，并对试验数据进行可靠性评估，评估结果远超过指标要求。该试验方案和评估方法可用于指导一般核电产品。

控制棒驱动机构；驱动器；加速寿命试验；提前评定；评估

控制棒驱动机构（Control Rod Drive Mechanism，CRDM）是核反应堆中重要的机械设备，是反应堆控制和保护系统的一部分[1]。通过对控制棒位置的调控实现反应堆启动、安全停堆、功率调节和反应堆保护功能[2]。控制棒驱动机构专用电机控制系统是控制棒驱动系统的重要驱动控制设备。为保障核反应堆的安全、可靠运行，需对控制系统的可靠性进行评估。

CRDM 专用电机控制系统可靠性指标较高。控制系统由配电单元、连接电缆、输出滤波单元、专用电机驱动器组成。其中，配电单元、连接电缆、输出滤波单元是成熟产品，无需进行可靠性试验；专用电机驱动器是新研制产品，目前还没有相关的可靠性数据。本文以电机驱动器为研究对象，在保证其失效机理不变的基础下，加大老化应力水平，采用加速寿命试验方法，在较短的时间内完成关于电机驱动器的可靠性指标评估。

1 背景介绍

2　失效机理

通过对电机驱动器进行故障机理分析，对其寿命影响最大的应力为温度。运行时温度升高（即热老化影响）对电机驱动器的老化起主要作用。高温能够加速电机驱动器内部化学反应或分子链断裂，促使驱动器提前失效。高温加速应力水平不得大于产品的结构材料、制造工艺所能承受的极限应力，以免带进新的失效机理。

采用温度应力作为主要加速应力的热老化模型为阿伦尼斯（Arrhenius）模型[5]：

其中：

3 加速因子

考虑到电机驱动器中各部件的最高承受温度，并通过进行温度极限摸底试验，确定最高温度应力水平取60 ℃，故加速因子为

4 试验方案

除21号方案外，管理者提前评定统计方案的最长试验时间及最大拒收故障数均超过了原方案，实际上是不合理的，既然是提前评定，那么最长试验时间一定要小于原定时试验方案，否则就无法称为提前评定了。

针对14号方案，选取前4个提前评定方案，连同14号方案，如表1所示。

表1　试验方案

注意到，这里的拒收失效数是由14号方案确定的，始终为6，在试验中，只要出现6个责任故障数，即可提前做出拒收判定，结束试验。

5 数据评估

（b） MTBF的区间估计值：

充灌程序采用自下至上的充灌方法，模袋在充灌进混凝土后，模袋布会出现膨胀拉紧，此时需调整上口边固定槽钢的拉紧葫芦，做好张力放松工作，以防模袋灌注不饱满。整块袋布灌注结束后，取出固定钢管，清洗泵车及管道。

6 实例分析

通过加速因子换算成实际工况下的MTBF的置信下限：

即在实际工况下，MTBF真值大于或等于83 905.866 h的概率为80%。

此时，生产方风险和使用方风险分别为：

7　延伸讨论

尽管可靠性保证试验在短时间内验证很大的MTBF值的试验机理尚未完全解决，但它已在船舶、通信、航空等领域得到应用[8-10]。在试验样本量少、试验时间有限的情况下，能否用可靠性保证试验替代鉴定试验，一直没定论。但从本例可以看出，无故障提前接收方案与可靠性保证试验可能有一定相关性。

可靠性鉴定试验是抽样试验，统计的是累计试验时间，参加试验的样本量越多，平均每台试验时间就越短，可能存在以多样本、短时间试验来验证MTBF值；可靠性保证试验是全数试验，所有样本都要求在观测时间内出现同样的无失效间隔，才算通过，属于全样本、短时间试验。两种试验各有利弊。在条件允许的情况下，建议两种试验都做，能更充分反映产品的可靠性指标。通过不断积累两种试验数据，建立可靠性保证试验与鉴定试验的关系。鉴于很多核电产品都是小样本、高可靠性，当鉴定试验无法进行时，可先用保证试验来替代，然后再通过实际运行数据来补充鉴定试验时间，并检验可靠性指标是否满足要求。

8 结论

（1）本文给出了控制棒驱动机构专用电机驱动器的可靠性鉴定试验方案和评估方法，并按照确定的试验方法完成了驱动器的可靠性鉴定试验；

（2）可靠性鉴定试验结果表明：在实际工况下，MTBF真值大于或等于83 905.866 h的概率为80%，超过可靠性指标要求；

（3）随着科学技术的发展，对核电产品可靠性要求越来越高，该方案和评估方法可用于一般核电产品，对工程中产品的可靠性试验方案设计与评估具有一定的指导意义。

［1］ 李朝君，宋维，石兴伟，等．FMEA法评估反应堆控制棒驱动机构可靠性［J］．核电子学与探测技术，2017，37（4）：369-372.

［2］ 万谊，于天达，余志伟，等．“华龙一号”控制棒驱动机构设计研究［J］．中国核电，2017，（4）：583-592.

［3］ 可靠性鉴定和验收试验：GJB 899A—2009［S］．2009.

［4］ 恒定应力寿命试验和加速寿命试验方法总则：GB/T 2689.1—81［S］．

［5］ 姜同敏．可靠性与寿命试验［M］．北京：国防工业出版社，2012.

［6］ 航空部第三〇一研究所译．MIL-HDBK-781美国军用手册：工程研制、鉴定和生产可靠性试验方法、方案和环境［R］．航空部第三〇一研究所，1988.

［7］ 李金国，傅志高，刘永坚，等．高可靠性航空产品试验技术［M］．北京：国防工业出版社，2011.

［8］ 马志宏，赵书平，李静，等．MTBF保证试验技术方法分析与探讨［J］．环境技术，2010，28（03）：5-7+15.

［9］ 朱炜．可靠性保证试验方法在航天电子、机电产品可靠性验收中的探讨［J］．质量与可靠性，2005（06）：18-20+53.

［10］李光辉．MTBF保证试验工程应用研究［J］．船舶标准化与质量，2003（01）：39-42.

The Reliability Qualification Test and Evaluation of the Special Motor Driver for the Control Rod Drive Mechanism

XIAO Lili1，JIN Fenglei1，XIA Fan1，WANG Mingzheng1，YANG Kongli1，GU Jipin1，WU Xuandong2，ZHAO Yuedong2，ZHANG Hao2

（1. China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China 2. WoLong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co.，Ltd，Nanyang of Henan Prov. 473000，China）

The special motor driver of the control rod drive mechanism is an important driving and control equipment with high reliability index. After analyzing the failure mechanism, according to the Arrhenius model, a single stress level accelerated life test scheme is proposed, and the evaluation method is given combining with the early evaluation scheme. The reliability qualification test of a special motor driver of the control rod drive mechanism was carried out, and the reliability of the test data was evaluated. The evaluation results far exceed the requirements of the index. The test scheme and evaluation method can be used to guide general nuclear power products.

Control rod drive mechanism; Driver; Accelerated life test; Advance evaluation; Evaluation

N945.17

A

0258-0918（2021）06-1126-04

2020-11-04

肖丽丽（1984—），女，黑龙江黑河人，副研究员，博士，现从事核电产品可靠性设计、分析与试验等方面研究