使用易老化元件识别法评估核电仪控设备寿命

姚力恺 YAO Li-kai；王志武 WANG Zhi-wu；涂画 TU Hua

（苏州热工研究院设备管理中心，深圳 518000）

0 引言

自大亚湾核电站1994年商运以后，国内核电站经过多年发展后，各类仪控设备的老化现象逐渐凸显，仪控设备故障率逐渐上升，严重时有导致跳机跳堆的事件发生。因此自2002年开始大亚湾核电站启动仪控设备老化管理。早期的仪控设备老化管理对在评估仪控设备预期寿命时通常采用分析整件的故障历史数据或进行加速老化试验。这两种方法前者只有在较多的老化失效已经显现时才能评估预期寿命。后者则需要较高的试验费用，难以全面普及。[1-5]本文提出通过分析识别核电仪控设备中的易老化元件，并根据易老化元件的经验反馈数据、现场设备运行温度、厂家耐久性实验数据等评估易老化元件的预期寿命，并以最短寿命元件作为设备预期寿命用于维修策略管理。

1 易老化元件

根据国内外核电行业经验反馈、仪控设备电子元器件老化机理，结合核电厂多年老化数据收集分析结果，部分元器件寿命小于其所服务的整体设备的设计寿命，导致整体设备提前老化失效。此类易老化元件主要包括电解电容、熔断器、继电器、电位器、连接器、齐纳二极管、可控硅、高发热电阻、开关、光电耦合器、DC/DC电源模块、功率发热元器件、电路板连接器、接线端子、电池等，其主要老化因素、老化机理、失效模式总结见表1。

1.1 电解电容寿命影响因素

电解电容器常见的失效原因有：漏液、爆炸、开路、击穿、电参数恶化等。其诸多失效原因多数是由于内部密封材质、电解液等物质发生化学反应导致，当反应进行到一定程度后电解电容失效。这些化学反应需要外界提供一个能量势垒使其从正常状态进入退化状态。提供此能量势垒进行反应的频数是按照一定概率发生的，即服从玻尔兹曼分布。因此其老化速率受温度影响巨大，其老化反应速率可用阿里尼乌斯方程描述，如式（1）所示，其中k为玻尔兹曼常数，Ea为激活能，R为反应速率，T为温度。

在工程实践中，绝大部分电解电容厂家会对自身产品进行加速老化试验，得出在额定温度和额定纹波电流下的电解电容寿命。对工作温度下的预期寿命，大多数厂家推荐使用10度法则计算预期寿命。10度法则如式（2）所示，其中L为工作温度下的预期寿命，L0为厂家给出的额定寿命，T0为厂家给出的额定温度，Ts为电解电容工作温度。

1.2 光电耦合器寿命影响因素

根据对某型号光电耦合器失效模式的分析，输入输出间绝缘性能降低失效占比22%；输入输出间开路失效（引线断裂、PT芯片损坏等）占比26%；光电传输特性失效占比32%；输入输出间短路失效占比20%。

其中占比最大的光电传输特性失效与时间有关，一般认为其寿命主要受等效电流和工作环境温度的影响，可通过式（3）所示的方法根据厂家给出的加速老化试验寿命数据计算正常工作状态下的寿命。其中L为正常状态的预期寿命，Lacc为加速老化试验下的寿命，Iacc为加速老化试验时光电耦合器的等效工作电流，Inorm为正常状态下光电耦合器的工作电路，Ea为激活能，K为玻尔兹曼常数，Tnorm为正常状态下光电耦合器的工作温度，Tacc为加速老化试验时的工作温度。

如图1所示，为某光电耦合器厂家给出的部分使用砷化镓LED的光电耦合器在额定工作状态下CTR（电流传输比）随时间老化的趋势。可以看到CTR在10-15年后降下降到一个较低水平。

图1 某类砷化镓光电耦合器CTR老化趋势

2 设备分级

不同重要程度的设备应采取不同的维护策略，宜使用如下所述的分级策略。

A级设备：

单一设备失效导致停堆、停机、降功率≥5%Pn、功率大幅波动，或导致失去/降级支持电站核安全的关键功能，或使人员安全、工业安全、环境安全、辐射安全等危害增加变得不可接受，或导致重大设备损坏的风险增加。该类设备对安全和发电具有关键的作用；

DCS系统单一故障导致含有跳机跳堆或甩负荷或退状态信号的服务器/控制器或通信A/B列双列失去的设备和部件。含有跳机跳堆或导致负荷瞬态或退状态信号的设备。

对A级设备可根据老化识别进一步分为A1级设备和A2级设备：

①A1级设备：含有短寿命元器件或需要定期更换的A级设备，或老化失效危险度高的A级设备，或发生故障产生的瞬态不可挽回的设备；

②A2级设备：除A1级外的所有A级设备。

B级设备：

单一设备失效虽然不直接影响核安全和发电能力，但对电站的核安全和机组发电具有重要作用。单一失效导致降功率<5%Pn、或机组停机停堆/降功率的风险增加、大修延长、核安全风险增加（技术规范未包含的设备）、或失去跳机跳堆保护冗余/安全保护冗余/重大设备保护冗余的设备。

单一设备失效不影响机组安全或可用性。但这类设备由于故障率高导致机组运行成本上升，或通过适当的维护能较好地延长设备使用寿命从而降低维修成本。

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：

①B1级设备：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；

②B2级设备：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。

对于A1级设备，应使用保守的更换周期并在条件允许时对易老化元件进行检测，在发现老化征兆时更换。对于B1级设备，可适当延长更换周期并尽量仅更换易老化元件而不是整件，以减少老化维护成本。

3 预期寿命评估方法

如图2所示，通过7个步骤完成寿命的评估。

图2 预期寿命评估流程

步骤1：评估设备老化失效影响。使用前述设备分级评估方法，将设备根据失效影响先分为A/B/C级，后续根据是否存在易老化元件再分为A1/A2/B1/B2等。

步骤2：收集经验反馈数据。主要包括该设备的故障历史、故障原因、各类易老化元件的平均老化寿命。

步骤3：易老化元件识别。通过对电路板实体或厂家提供的BOM清单，识别是否存在表1中所列易老化元件。将相关信息编列成表。

步骤4：获取识别出的易老化元件厂家手册，判断其中是否存在耐久性试验数据，通常电解电容厂家一定会给出耐久性实验数据。

步骤5：如果元件厂家给出耐久性试验数据，则测量现场实际工作温度，通过厂家耐久性试验数据和现场实际温度计算预期寿命，如使用前述的式（2）。为精准的测量电解电容实际工作温度，推荐使用感温贴纸或热成像仪测量其表面温度。

步骤6：如果元件厂家未给出耐久性试验数据，则计算被分析设备的故障率水平。若被分析设备的故障率大于行业普遍水平，则其易老化元件寿命评估使用偏保守的预期寿命；反之则使用较长的预期寿命。计算故障率时，考虑到部分设备的故障数量和使用数量较少，可通过计算故障率的置信区间与行业普遍水平比较。其中故障率的置信区间下限公式见式（4）。其中λd为故障率在置信率α下的下限，λp为故障率点估计，r为故障数量，χ2n；α为卡方校验值。

根据exida公司统计的化工、电力、航海中的仪控设备一般故障率区间见表2。[6]

表2 行业一般数据

步骤7：根据仪控设备中各元件预期寿命及是否可更换给出维修策略。若元件不易更换（如1E级涉及复杂的鉴定），则使用各元件中预期寿命最短寿命作为整件更换周期。若部分元件可单独更换，则可根据其寿命制定单独更换元件的维修策略。对于容易进行状态监测的元件则应考虑定期测量其关键状态参数，评估其老化趋势。

4 状态监测

4.1 电解电容

电解电容主要的性能指标包括静电容量、损失系数（D）、阻抗（Z）、等效串联电阻（ESR），通过这些性能指标的变化，可用于评估电容的老化状态。

市面上常见的LCR测试仪可以测量上述一种或多种性能指标。

在测试时宜将电容从原始电路板上取下进行测量，在条件受限时可以直接在原电路中进行测量，但应与全新板件使用同样测试方法得到的数据进行对比。

4.2 光电转换器

对于光电转换器类设备，直接监测内部各元件的状态是困难的。但整件的输出光功率、光敏感度、传输时的丢包率信号可以表征设备的工作状态和老化程度。联合使用OTDR和可控光衰减器可测量上述指标，当工业现场条件受限时，可仅使用光功率计测量输出光功率。对于重要功能位置的光电转换器，在输出光功率较寿期初衰减1dB至1.5dB后宜使用新备件更换。

5 结束语

通过本文所述识别易老化元件进行寿命评估的方法，可以在较低的成本下识别得出核电仪控设备的预期寿命并针对性的制定核电仪控设备可靠性和老化维修策略。若想得出更精确的结果，可以采购新元件对识别出的最短寿命元件进行加速老化试验。如此可大大减少备件成本和试验成本。通过在国内多个核电站的实践，该方法简单易行，应用效果良好。