核电厂仪控板卡更换周期起始点研究

朱桂霞，蓝 剑，胡玉莹，钱玉刚

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北武汉 430070）

0 引言

在核电厂运维阶段，电子设备根据预防性维修大纲规定的预防性替换周期进行定期更换，预防性替换周期来源于厂家、行业经验或自行计算，实际上很少厂家会提供此类数据，或者厂家提供的周期较短不符合使用寿命最大降本增效的要求。电子设备寿命由非工作状态寿命和工作状态寿命两部分组成，本文通过研究提供电子设备在工作状态和非工作状态下寿命计算方法，其中工作状态下的寿命可为预防性替换周期提供参考。而当电子元器件长期处于非工作状态时，受温度、湿度以及化学等因素的影响，随着非工作状态年限的增加，内部材料会老化，导致参数漂移，当性能参数值超出其允许的容差范围时，设备就会发生失效，丧失功能。设备失效率在不同的应力条件下差异较大，使得现场电子设备更换周期等效计算成为难题。

1 电子组件非工作状态寿命计算

1.1 非工作状态影响电子组件寿命的因素

电子组件是由元器件与PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）经过焊接加工而成。在非工作状态过程中，影响其寿命的主要因素有4 个。

（1）环境湿度。由于元器件在长期非工作状态下缺乏自热作用，受环境湿气的影响严重。当湿气含量较高时，会腐蚀元器件内部的金属结构，造成元器件失效。

（2）环境温度。高温非工作状态环境会加速元器件退化的物理、化学反应，加速材料老化，导致元器件失效率高；低温非工作状态会导致元器件材料收缩、脆化和断裂。

（3）化学应力。元器件结构中往往存在着不同物质之间化学反应产生的化学应力，尤其是当水汽渗入、温度变化会加速化学反应，化学反应的最终生成物也是污染元器件的主要推手。

（4）质量控制。元器件非工作状态可靠性还取决于其固有的质量水平，而固有质量水平通常取决于设计、制造水平。固有质量水平高，则电子组件存在的化学应力少，抗环境应力能力强。

综合上述因素，可将非工作状态失效划分为两个阶段进行控制：①电子组件在设计生产阶段，失效率由电子组件本身的元器件质量、结构设计、电子组件加工工艺等决定；②在电子组件完成生产之后，失效率由电子组件在非工作状态过程中的管理程序决定，包括电子组件非工作状态的温度、湿度、运输方式等。

对于用户来说，可以通过提升电子组件在非工作状态过程中的管理程序来降低电子组件在非工作状态过程中的失效率。

1.2 电子组件非工作状态寿命计算

根据GJB 108A 中的描述，作为电子组件的用户，可以从控制电子组件的非工作状态环境等因素着手，降低电子组件在非工作状态过程中的失效率。电子组件非工作状态寿命为电子组件非工作状态失效率的倒数。以薄膜电容为例进行非工作状态寿命计算。GJB 108A 中对于薄膜电容非工作失效率λNp及非工作状态寿命TN计算公式定义为：

式（1）中，λNb是薄膜电容非工作基本失效率（单位：10-6/h），πNE是非工作环境系数，πNQ是非工作质量系数，πCYC是设备电源通断循环系数，πNT是非工作温度系数，πNch是非工作表面贴装系数。其中，λNb、πNQ、πNch由电子组件的设计、生产阶段决定，用户无法改变。但πNE、πCYC、πNT这3 个系数可以由用户对电子组件的非工作状态过程进行管控。

（1）非工作环境系数πNE。非工作环境类别是依据电子设备非工作时的气候条件、机械条件、生物条件等特点及其相似程度对环境进行划分，形成环境类别。GJB 108A 非工作环境类别共分为19 类，其中，GF1（普通库房或通风较好的室内固定机架，受振动、冲击影响不大的设备环境）可认为是核电厂电子组件库存的环境分类，GF2（只有简陋气候防护设施的地面环境或坑道，其环境条件较恶劣，如高温、低温、温差大、高湿、霉菌、盐雾或化学气体等）可认为是核电厂电子组件在调试状态的环境分类。

非工作环境系数描述了不同环境类别的环境应力对元器件非工作失效率影响的系数。GJB 108A 规定了非工作环境系数πNE的定义，可以定量地看到，不同的环境类别对电子组件的非工作状态失效率影响差异巨大。

（2）设备电源通断循环系数πCYC。设备电源通断循环系数是指电子组件在非工作状态时，循环通电的频率度量；GJB 108A给出了设备电源通断循环系数πCYC表，从表中的数据规律可推测出，电子组件处于非工作状态时，通电频率越低越好。结合实际电子组件的非工作状态情况，电子组件在非工作状态，不通电最佳。

（3）非工作温度系数πNT。非工作温度系数主要描述了温度对非工作元器件的失效率影响。GJB 108A 给出了非工作温度系数πNT表。从表中系数变化趋势可以看出，温度越高，非工作元器件的失效率越高，因此，要结合实际电子组件的非工作状态环境，确定具备可行性的非工作状态温度，且温度越低越好。

2 电子组件工作状态寿命计算

2.1 工作状态影响电子组件寿命的因素

电子设备在工作状态增加了电应力。因此在计算工作状态寿命时，除了考虑环境温度、环境湿度、化学应力以及质量控制之外，还要重点考虑电应力的影响，包括电压应力、电流应力、元器件本身的内部电路等。

但由于电子设备在设计及制造阶段用户无法介入，因此，在工作状态的失效率控制因素与非工作状态类似。

2.2 电子组件工作状态寿命计算

根据GJB 229C 中工作失效率预计模型计算元器件工作状态失效率，电子组件工作状态寿命为电子组件工作状态失效率的倒数。以薄膜电容为例计算工作状态寿命。薄膜电容的工作失效率λP及工作状态寿命TP计算式为：

式（3）中，λb是薄膜电容工作基本失效率（单位：10-6/h），πE是工作环境系数，πQ是工作质量系数，πCV是电容量系数、πK是种类系数、πch是表面贴装系数。其中，λb、πQ、πCV、πch、πK由电路板的设计、生产阶段决定，用户无法改变。仅有工作环境系数πE可以由用户对电路板的工作环境进行管控。与非工作模式相同，最高等级为GB。

3 案例分析

以某电站A 电源中的功率板为例，进行非工作状态寿命计算。这里计算使用的贮存温度、环境类型、元器件质量等级等均为假设条件，不同的板卡、不同的贮存环境需要根据实际情况进行重新定义计算，计算过程类似。

设定非工作状态温度为25 ℃，元器件质量等级为B2，为更好的反馈现实情况，在此环境类型分别假设为GF1和GF2。

3.1 环境类型为GF1

（1）元器件信息分类统计。表1 统计了功率板中所有元器件的信息，并将元器件信息按照GJB 108A 中的元器件分类法进行分类。

表1 功率板非工作状态（GF1）元器件信息及失效率计算

（2）非工作状态失效率计算。根据GJB 108A 中关于电子组件非工作状态失效率的详细预计法预计模型，计算出功率板的总失效率λ为0.8×10-6/h。

（3）非工作状态MTBF 计算。换算为MTBF（λ取倒数）为142.7 年。

3.2 环境类型为GF2

（1）元器件信息分类统计。表2 统计了功率板中的所有元器件信息，并将元器件信息按照GJB 108A 中的元器件分类法进行分类。

表2 功率板非工作状态（GF2）元器件信息及失效率计算

（2）非工作状态失效率计算。根据GJB 108A 中关于电子组件非工作状态失效率的详细预计法预计模型，计算出功率板的总失效率λ 为1.92×10-6/h。

（3）非工作状态MTBF 计算。换算为MTBF（λ 取倒数）为59.4 年。

4 结论

每类电子设备所包含的元器件种类和数量以及构成不同，不同元器件在非工作状态下的失效率不同，故每一类仪控板卡在非工作状态下的失效率是不一样的，本文提供了电子设备非工作状态和工作状态的失效率计算方法，通过获得的非工作状态和工作状态寿命，结合电子设备预防性替换周期，可判断获得更换周期的起始点，或者对非工作状态的寿命时间进行折算给出起始点。另外，工作状态的寿命可为制订电子产品的预防性维修策略提供参考。