1、核电站仪表和控制设备可靠性及老化检测技术 张允炜 李勇 福建宁德核电有限公司 中广核核电运营有限公司 摘 要： 对核电厂仪表和控制设备 (以下简称仪控设备) 的可靠性及老化管理方法、管理过程、技术要求、老化缓解措施及现场实施流程进行了研究和总结。适用于核电厂现场运行仪控设备及备件的可靠性和老化管理, 可用于仪控设备老化识别与分级、监测诊断仪控设备老化降质, 制定老化缓解计划, 指导现场实施, 并进行仪控设备老化降质和寿命评估, 提高核电厂仪控设备运行的可靠性。关键词： 可靠性; 老化管理; 老化降质; 老化评估; 老化机理; 预防维护; 作者简介：张允炜 (1974) , 男, 高级工程师,
2、主要从事核电设备维修、管理和工程改造工作。收稿日期：2017-05Reliability and Aging Testing Technology for the Plant Instrumentation and Control EquipmentZHANG Yun-wei LI Yong Ningde Nuclear Power Company; CGNPC Nuclear Power Operation Co., Ltd; Abstract： For nuclear power plant instrumentation and control equipment (hereinafte
3、r referred to as the instrument control equipment) reliability and aging management method, management process and technical requirements, aging mitigation measures and the implementation process are studied and summarized.The reliability and aging management which is applicable to instrument-contro
4、lled equipment and spare parts operating in field in the nuclear power plant can be used for aging identification and classification for the instrument-controlled equipment, monitoring and diagnosing the aging drop quality of the instrument-controlled equipment, making the aging mitigation planning,
5、 guiding the scene, and assessing the aging and life of instrument-controlled equipment.Thus it improves the operation reliability of nuclear power plant instrument-controlled equipment.Keyword： reliability; aging management; aging degradation; aging assessment; aging mechanism; preventive maintenan
6、ce; Received： 2017-050 引言核电站控制设备可靠性及老化检测技术是中广核自主研发的针对核安全级控制设备, 集检测、诊断、筛选、烤机及再鉴定的一体化技术及研发平台。该平台通过对核电站核级控制设备老化机理研究, 自主完成设备可靠性及老化检测、元器件老化识别、设备失效根本原因分析等多种技术方法和手段, 对核级控制设备出现的参数漂移、性能不稳定、裕度下降等问题进行综合分析, 开发出具有自主知识产权的核电站核级控制设备可靠性及老化在线检测方法, 建立了可靠性和老化检测标准, 开发完成可靠性和老化检测诊断系统1-2。可靠性及老化检测技术实现核级控制设备的仿真模拟、在线烤机、功能验证、故
7、障诊断、故障先兆探测、老化分析与缓解、备件的可靠性检测和验收, 建设完成系列仪控设备翻新维修、国产化及替代设备可靠性验证、电子元器件检测筛选等多个子平台, 实现核电站电路板、电源、继电器、熔断器等多种控制设备的全寿期可靠性管理, 从根本上提高了核级控制设备可靠性, 减少因老化问题导致的设备失效核安全降级事件, 降低设备失效导致的跳机跳堆风险, 有效解决和消除了控制设备可靠性降低及老化问题对核电站安全经济运行造成的重大威胁, 全面持续提高在运及在建核电站安全性和经济性, 以及核电机组的安全生产水平与能力因子3-4。1 检测技术创新控制设备可靠性及老化检测技术与平台, 在国内核电站首次使用可靠性及
8、老化检测技术对核级控制设备开展诊断检测, 自主开发完成核级控制设备的可靠性和老化管理方法及技术, 制定可靠性及老化管理与实施的技术标准和维修策略;实现在线设备可靠性及老化检测, 预防设备故障和老化失效, 实施仪控重要设备零缺陷预防;实现备件检测合格验收和库存备件老化管理;对失效仪控设备进行根本原因分析, 反馈改进维修策略;建立仪控设备翻新维修技术和标准, 诊断设备早期偏差或故障, 制定核级设备维修后再鉴定技术及标准;实施国产化及替代设备性能、功能、运用可靠性验证;实现对设备翻新和老化更换的电子元器件进行检测, 筛选合格可靠的电子元器件。主要创新点包括:建立核级电路板 MID 电路板在线诊断检测
9、装置, 在不拆除电路板元器件的情况下, 在线检测诊断元器件性能参数及偏差, 提前识别出现衰退老化的设备, 在板件故障征兆前及时更换偏差的元器件。建立核级或通用电路板烤机检测标准和平台, 对电路板性能及可靠性进行烤机检测, 排除初期失效的电路板。建立继电器和熔断器检测标准和平台, 可检测筛选合格产品, 淘汰性能参数不合格或偏差大的设备, 提高控制及系统运行可靠性。建立电源检测标准和平台, 实施电源功能检测烤机验证, 解决电源老化和寿命保养问题。2 可靠性及老化管理仪控设备老化管理方法是对核电厂仪控设备实施老化管理, 并准确评估仪控设备老化状态, 确保核电厂仪控设备可靠性不会降低。通过识别与安全相
10、关的仪控设备老化相关参数 (例如参数漂移、响应性能变差) , 验证仪控设备的性能, 建立获取数据的措施和方法。定期采集、分析仪控设备的性能数据, 与验收准则进行比较。老化管理的基本方法应包含但不限于以下内容:1) 老化认知, 了解老化是有效监测和减缓老化效应的基础。了解仪控设备的老化降质, 应确定和理解其老化机理及效应, 根据现场老化管理和实施经验, 制定并不断完善老化管理技术规范;2) 老化监测, 应研究并采用合适的监测方法对安全重要仪控设备进行监测。监测功能参数和状态指标, 跟踪仪控设备的老化退化趋势;老化监测获取的数据用于对设备的老化评估, 或用于评估采取的老化缓解措施是否合适;3) 缓
11、解老化效应, 实施必要的缓解措施来消除老化效应的影响, 制定具体的仪控设备老化管理方法, 确立“老化控制”计划, 制定维修和更换策略。在仪控设备正常运行或维修过程中采取合适的措施预防潜在的性能退化, 纠正不可接受的老化降质。此外, 根据核电厂仪控设备的安全要求和机组可用率要求, 对核电厂仪控设备进行分级管理, 制定不同的老化管理策略。3 机理认知3.1 老化效应了解仪控设备的老化机理和由此产生的老化效应的方法是研究构成仪控设备的具体材料在其受到环境和运行应力影响下的反应。高温以及温度循环是电子元器件和电子设备老化的主要原因。元器件的失效率普遍使用浴盆曲线表示, 如图 1 所示, 用该图说明设备
12、使用寿命的三个阶段:1) 早期失效阶段;2) 正常使用阶段;3) 寿期末阶段 (耗损) 。图 1 电子元器件失效率浴盆特性曲线 下载原图如图 1, 电子元器件在寿命早期失效阶段, 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, 这将导致设备出现早期失效, 因此核电厂的重要仪控设备的备件需要进行烤机和检测。3.2 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”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
13、或直流增益增大会加速这些元器件老化。许多物理应力会导致元器件老化, 内部或运行应力, 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。设备从正常状态向劣化状态变化过程中, 中间存在某些能量壁垒。若以热等形式提供能量, 使之超越该能量壁垒, 将会加速劣化的变化过程。例如, 材质的变质主要是化学变化, 温度升高时一般会促进化学反应。故高温时, 材质的故障频度增加, 寿命减短。湿度因素对仪表控制设备的影响主要有在低湿度下设备或环境中易产生静电, 影响或损坏电路;在高湿度下设备表面会产生水分子薄膜, 同时会向内部扩散, 可能
14、导致物质阻抗、介电常数或机械性质发生变化;在温湿度急剧变化时, 会产生结露现象, 其后果与设备被水浸入类似。导致失效的外部原因经常与操作、储存、模块或部件的处理等有关。这些因素有:1) 电过应力 (EOS:Electrical overstress) ;2) 静电放电 (ESD:Electrostatic discharge) ;3) 操作;4) 过载 (机械, 热, 化学) ;5) 应用不当 (错误的设备、电路设计等) 。3.3 老化识别方法及规范核电厂有数量庞大、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。应使用
15、一个系统的办法把资源集中到那些对电厂的安全运行有负面影响并易老化降质的仪控设备上, 同时还应包括不具备安全功能, 但其失效会影响其他执行预定安全功能的仪控设备。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。根据核电厂仪控设备的安全要求和机组可用率要求, 对核电厂仪控设备进行分级管理, 制定不
16、同的老化管理策略。3.4 短寿命元器件和易老化仪控设备识别根据国内外经验反馈及电子元器件老化分析研究, 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。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:电解电容、熔断器、继电器、电位器、连接器、齐纳二极管、晶闸管、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。根据对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, 易老化仪控设备主要有:电源、电磁阀、变压器、变送器、温度探头、开关量一次元件、中
17、子通量探测器、电路板、散热风扇、键盘、鼠标、显示器等。4 检测和评估为进行有效的老化管理和实施, 根据老化认知建立仪控设备老化检测方法、技术和规范, 以对老化管理实施的有效性进行评价, 并根据反馈不断提高老化认知, 完善老化检测方法并改进老化缓解措施, 以此评估和控制设备老化状态。4.1 仪控设备检测根据核电厂设备管理流程和现场对设备可靠运行的要求, 对仪控设备的检测分类如下: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用到现场仪控设备合格;3) 现场仪控设备定
18、期检测:对在线使用的仪控设备按给定周期进行检测, 用于判断仪控设备状态;4) 老化状态检测:根据仪控设备定期检测结果, 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;5) 仪控设备失效分析:对失效仪控设备按照本规范进行检测和根本原因分析。4.2 状态评估在老化管理提供的信息基础上评估仪控设备的实际老化状态, 状态评估应在以下基础上进行:1) 相关老化管理总结报告;2) 老化管理数据库;3) 老化检测数据报告;4) 运行、维护和设计技术数据, 包括具体仪控设备验收准则;5) 检查和状态评估结果, 包括最新的检查和评估;6) 状态评估
19、的结果应形成适当的报告文档;7) 仪控设备当前的性能和状态, 包括评估与老化相关的故障或老化迹象明显的材料降质;8) 在可行的情况下预测仪控设备的性能、老化降质趋势和使用寿命。5 结论该平台作为国内核电站首家全面使用诊断检测技术的技术研发平台, 打破国外技术垄断, 迅速提高了我国核电行业核级控制设备可靠性及老化管理水平, 填补了国内核电站仪控设备可靠性及老化检测技术空白。通过与法国、美国、韩国同类核电站对标比较, 该平台功能及相关技术处于领先国际先进水平。参考文献1陈凯.符合核安全级的核电站仪表端子箱研制J.仪表技术, 2012 (6) :13-15. 2任泓.提高仪表供电系统可靠性设计方法的探讨J.当代化工, 2009, 38 (1) :72-74. 3聂卫, 许琳燕, 陈璞洁, 等.秦山第二核电厂过程仪表系统老化分析及维护策略J.核动力工程, 2015, 36 (Z1) :103-106. 4牛祝年, 李洪才.GB/T 15474 1995 核电厂仪表和控制系统及其供电设备安全分级S.北京:中国标准出版社, 1995.
