核電廠儀控設(shè)備的可靠性及老化管理研究與實踐

王國云，猶代倫，馬 蜀，李 勇，楊鐵成

(1.大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東 深圳 518124；2.中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 518124；3.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

大亞灣核電站兩臺機組于1994年投入商運。其儀控設(shè)備采用20世紀70年代的模擬和繼電器技術(shù)，大量使用了模擬板件，只有少部分系統(tǒng)使用了數(shù)字化技術(shù)。電站運行10年左右，陸續(xù)出現(xiàn)了一些老化相關(guān)的儀控設(shè)備缺陷，如電容失效、保險燒毀、接觸不良等，對機組的安全運行造成威脅。另外，隨著電站的運行時間延長以及儀控設(shè)備產(chǎn)品更新?lián)Q代，某些儀控設(shè)備的板件類備件非常昂貴，有的甚至已經(jīng)停產(chǎn)。因此，大亞灣核電站從2002年啟動儀控設(shè)備老化管理，于2003年開始實施[1]。

1 儀控設(shè)備老化機理研究

1.1 老化機理

儀控設(shè)備壽命與其內(nèi)部所有元器件老化降質(zhì)有關(guān)，最短壽命的元器件通常決定儀控設(shè)備的壽命。元器件“老化”的實質(zhì)是材料或設(shè)備的特性隨時間發(fā)生變化。大多數(shù)情況下，一個電子元器件的壽命受限于絕緣材料老化，這是由于介電強度退化。此外，電子元器件的參數(shù)隨時間發(fā)生變化，如漏電流或直流增益增大會導致這些元器件老化。許多物理應力會導致元器件老化，如電流、電壓或電阻發(fā)熱是電子元件的固有現(xiàn)象。外部應力，如環(huán)境溫度、輻射、振動、沖擊，或其他機械和化學應力都會加速元器件的老化。高溫以及溫度循環(huán)也是電子元器件和電子設(shè)備老化的主要原因。但并不是所有失效都與老化相關(guān)，也會有其他原因，如器件制造質(zhì)量或設(shè)計缺陷[2-4]。

限于篇幅，本文僅簡要分析兩種典型儀控設(shè)備的老化失效機理作為參考。

①電解電容。

電解電容的主要老化機理是電解液通過端蓋的密封泄漏，這是一個與橡膠密封有關(guān)的特殊問題，如果橡膠性能嚴重降質(zhì)，會形成電解液泄漏通道。當溫度為20 ℃時，一個典型的電解電容的老化過程可能需要10年(根據(jù)制造的工藝和材料品質(zhì)，壽命有所不同)，高溫則可加快這個老化過程。溫度(環(huán)境)、電壓和紋波是導致電解電容故障的誘導因素，會加速電解液蒸發(fā)。電解液的流失增大了等效串連電阻，減小了電容容量，最后電容會因開路或短路而失效[3-7]。

②中子通量探測器。

堆芯外探測器一般根據(jù)電離原理運行，堆芯內(nèi)探測器通常由含有鍍鈾電極的裂變室構(gòu)成。中子通量探測器的使用壽命要一般小于反應堆的壽命，探測器屬于耗損部件，需要定期更換，老化機理主要與探測器的類型有關(guān)。制造工藝也對老化機理有著重要的影響，如制造缺陷造成電離室的密封和絕緣退化，導致泄漏和中子通量測量異常。計數(shù)器對氣體質(zhì)量特別敏感，若氣體中存在雜質(zhì)或濕度，會改變傳感器的特性。雜質(zhì)有可能是傳感器制造期間進入的，濕度可能是測量室泄漏引起的。電離室探測器的退化主要與敏感涂層(例如硼)的退化有關(guān)。敏感涂層屬于耗損部件。通常這類傳感器作為源量程探測器可能具有5～8年的運行壽命,作為中間量程或功率量程探測器可能有10～20年的運行壽命[6]。

1.2 短壽命元器件和短壽命設(shè)備識別

根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗反饋及電子元器件老化機理的分析研究，結(jié)合核電廠多年老化數(shù)據(jù)收集分析，部分元器件壽命短于其所服務的整體設(shè)備設(shè)計壽命，導致整體設(shè)備提前老化失效。

根據(jù)元器件的老化效應和老化機理的認知，以及設(shè)備現(xiàn)場使用經(jīng)驗，短壽命元器件主要有熔斷器、電解電容、光電耦合器、高發(fā)熱電阻、可控硅、電位器、DC/DC電源模塊、齊納二極管、功率發(fā)熱元器件、繼電器、開關(guān)、連接器、接線端子、存儲介質(zhì)、電池等。

根據(jù)儀控設(shè)備的老化效應和老化機理的認知，以及設(shè)備現(xiàn)場使用經(jīng)驗，短壽命設(shè)備主要有電源、電磁閥、變壓器、變送器、溫度探頭、開關(guān)量一次元件、核測量一次元件、電纜、散熱風扇、鍵盤、鼠標、顯示器等[4]。

2 儀控設(shè)備可靠性及老化管理方法

2.1 可靠性及老化管理目標與組織機構(gòu)

可靠性及老化管理的目標是識別重要儀控設(shè)備的老化對核電廠安全和可用率造成的任何潛在的影響，并采取適當?shù)男袆印?/p>

可靠性及老化管理工作涉及范圍較廣，解決復雜的老化問題不僅是儀表控制部門的事，還需要核電廠多個專業(yè)的相互支持和合作。根據(jù)核電廠設(shè)備的老化情況，應建立核電廠老化管理組織機構(gòu)，并明確各自的主要責任和相互之間的關(guān)系。其中，老化管理項目組的作用非常重要，是整個可靠性及老化管理的核心。它負責協(xié)調(diào)各相關(guān)部門，指導核電廠儀控設(shè)備的老化識別及分級，牽頭制定老化管理策略、方法、標準，指導專業(yè)部門制定老化處理計劃和現(xiàn)場實施[2]。

2.2 建立儀控設(shè)備分級管理原則

核電廠有數(shù)量龐大、類型各異的儀控設(shè)備。這些儀控設(shè)備對老化降質(zhì)的敏感程度有很大差異，評估并量化每一個儀控設(shè)備的降質(zhì)程度既不可行，也沒必要。對此，應使用一個系統(tǒng)的辦法，把資源集中到那些對電廠的安全運行有重大影響并易老化降質(zhì)的儀控設(shè)備上。

老化管理應使用基于安全的方法來甄別篩選儀控設(shè)備，具體過程如下。

①列出所有系統(tǒng)和設(shè)備，并識別出安全重要儀控設(shè)備及影響機組可用率的設(shè)備。

②在上述基礎(chǔ)上分析直接或間接導致降低或喪失安全功能或影響機組可用率的部件，并識別出部件內(nèi)部安全重要元件。

③從安全重要元件列表中識別出老化降質(zhì)可能導致部件故障的元器件，并識別出容易老化降質(zhì)的短壽命元器件。

根據(jù)大亞灣核電站儀控設(shè)備的核安全和機組可用率要求，以及設(shè)備是否使用短壽命元器件，將儀控設(shè)備分為A、B、C三個級別進行管理。對三個級別的儀控設(shè)備采取不同的老化緩解策略，以盡可能取得老化風險控制和成本控制的最佳效益。

大亞灣核電基地儀控設(shè)備分級情況如下。

A級設(shè)備：影響重要核安全功能的設(shè)備或單一故障導致停機停堆或需要停機停堆處理的設(shè)備。根據(jù)老化識別，對A級設(shè)備可進一步分為A1級設(shè)備和A2級設(shè)備。其中，A1級設(shè)備是指含有短壽命元器件的A級設(shè)備或老化失效危險度高的A級設(shè)備，A2級設(shè)備是指除A1級外的所有A級設(shè)備。

B級設(shè)備：此類設(shè)備本身沒有安全級別的要求和鑒定要求，但它的失效可能引起安全相關(guān)設(shè)備功能水平的降低。該類設(shè)備的故障或瞬態(tài)，可能導致電廠的能力因子、可用率的降低。對B級設(shè)備，可根據(jù)老化識別進一步分為B1級設(shè)備和B2級設(shè)備。其中，B1級設(shè)備是指含有短壽命元器件的B級設(shè)備或老化失效危險度高的B級設(shè)備，B2級設(shè)備是指除B1級外的所有B級設(shè)備。

C級設(shè)備：除A級和B級以外的其他設(shè)備。C級設(shè)備不納入老化管理范圍[2]。

2.3 建立全生命周期可靠性及老化管理策略

根據(jù)前面老化機理的分析，儀控設(shè)備使用壽命一般有三個階段：初期失效階段、正常使用(偶然失效)階段、老化(耗損)失效階段。儀控設(shè)備使用壽命三個階段如圖1所示。針對不同的階段，需要采取不同的策略進行可靠性和老化管理，降低設(shè)備失效概率。

圖1 儀控設(shè)備使用壽命三個階段

①初期失效階段。

電子元器件在壽命初期失效率一般會比較高，失效的最大可能是最初的生產(chǎn)缺陷及組裝和試驗階段引入的損害。雖然生產(chǎn)廠家一般會做出廠檢測，對一部分失效產(chǎn)品進行剔除，但遠遠達不到核電站對可靠性的要求。因此，這個階段核電廠儀控設(shè)備可靠性管理的重點是建立拷機及元器件篩選平臺。對分級為A或B類的重要備件進行烤機檢測，以篩選存在初期失效的儀控設(shè)備。大亞灣核電基地已經(jīng)分別建立了針對繼電器、熔斷器、電源、核級板件、中子探測器等設(shè)備的可靠性及老化檢測平臺，并編寫了對應的檢測方法(程序)和標準。

②偶然失效階段。

這個階段儀控設(shè)備失效率一般會比較低，但重要設(shè)備(分級為A級)的失效仍然是致命的，很可能導致重要核安全設(shè)備的不可用或停機停堆等瞬態(tài)事故。因此，這個階段儀控設(shè)備可靠性及老化管理的重點是：進行重要系統(tǒng)及設(shè)備參數(shù)檢測，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常并采取措施；利用設(shè)備可靠性及老化檢測平臺對偶然失效的設(shè)備深入研究，爭取發(fā)現(xiàn)可能的共模故障，提前采取措施；對設(shè)備分級為A1級的設(shè)備進行雙冗余改造，降低設(shè)備故障的危險度。

③老化(耗損)失效階段。

這個階段儀控設(shè)備失效率一般會大幅提高，因此儀控設(shè)備可靠性及老化管理的重點是避免設(shè)備進入這個階段。采用的方法是：更換識別出來的儀控設(shè)備的易老化元器件(如電解電容、光耦、DC/DC模塊等)；對于設(shè)備分級為A1級的設(shè)備，盡量采用整件更換的方式，以提高可靠性；對停產(chǎn)的備件進行反向設(shè)計，以維持整體系統(tǒng)改造前的正常運行；對系統(tǒng)進行整體改造[9]。

2.4 可靠性及老化檢測技術(shù)

前文提到的儀控設(shè)備全生命周期都需要老化檢測，因此本部分重點討論老化檢測技術(shù)。

根據(jù)核電廠設(shè)備管理流程和現(xiàn)場對設(shè)備可靠運行的要求，對儀控設(shè)備的老化檢測分類如下[5]。

①備件驗收檢測：對新到的儀控設(shè)備備件進行無損和有損檢測(抽樣)，確定備件是否合格。

②烤機篩選檢測：對即將使用到現(xiàn)場的儀控設(shè)備備件進行無損檢測，通過關(guān)鍵參數(shù)測試確保現(xiàn)場使用的儀控設(shè)備合格。

③老化狀態(tài)檢測：對在線運行多年的儀控設(shè)備進行無損和有損檢測，全面分析儀控設(shè)備的老化狀態(tài)，評估現(xiàn)場儀控設(shè)備現(xiàn)場使用的可靠性。

④儀控設(shè)備失效分析：對失效儀控設(shè)備檢測和根本原因分析[8-9]。

2.5 老化緩解

老化緩解過程包括制定實施計劃、備件準備、現(xiàn)場實施等活動。

①制定實施計劃：老化緩解的首要步驟是按照儀控設(shè)備分級管理原則和老化識別的元器件和設(shè)備，結(jié)合現(xiàn)場具體的設(shè)備老化狀態(tài)和老化熱點，確定老化處理的優(yōu)先順序，制定老化處理的計劃清單，以便提前準備備件、人力資源、工具、大修窗口等。

②備件和元器件、材料準備：根據(jù)老化處理計劃提出備件和電子元器件采購清單，確保老化實施的備件要求。對采購電子元器件，使用專用設(shè)備進行檢測篩選。對整體更換的新備件，更換前按照規(guī)范要求進行可靠性烤機，以篩查存在初期失效的不良備件。

③現(xiàn)場實施：根據(jù)識別出的短壽命元器件和短壽命設(shè)備，按照老化管理大綱和老化管理數(shù)據(jù)庫的要求進行現(xiàn)場更換，對停產(chǎn)或淘汰儀控設(shè)備進行替代或改造。

3 結(jié)束語

大亞灣核電基地從2002年開始啟動儀控設(shè)備可靠性及老化管理，經(jīng)過逐漸探索和總結(jié)，已經(jīng)建立了一整套適應核電廠的儀控設(shè)備可靠性及老化管理體系，并取得了顯著成效。該體系大大提高了儀控設(shè)備可靠性，提升了電站的核安全水平，顯著減少了停機停堆事故和發(fā)電損失，具有一定的推廣價值，可以用來指導和應用于同類核電站以及常規(guī)電廠儀控設(shè)備可靠性管理。

隨著儀控設(shè)備可靠性和老化管理工作的進一步開展，要求不斷開發(fā)新的老化分析技術(shù)，尤其是針對DCS、PLC等數(shù)字化板件的老化檢測技術(shù)。另外，隨著老化管理數(shù)據(jù)庫的逐步建立，以及老化數(shù)據(jù)的不斷積累，儀控設(shè)備可靠性和老化管理工作將逐步側(cè)重于對設(shè)備老化趨勢的預期以及壽命評估。