控制棒驅動機構專用電機驅動器可靠性鑒定試驗與評估

肖麗麗，靳峰雷，夏 凡，王明政，楊孔靂，谷繼品，吳宣東，趙躍東，張 浩

控制棒驅動機構專用電機驅動器可靠性鑒定試驗與評估

肖麗麗1，靳峰雷1，夏 凡1，王明政1，楊孔靂1，谷繼品1，吳宣東2，趙躍東2，張 浩2

（1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2. 臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南 南陽 473000）

控制棒驅動機構專用電機驅動器是重要驅動控制設備，可靠性指標較高。在分析其失效機理后，根據(jù)阿倫尼斯模型，提出了單應力水平加速壽命試驗方案，并與提前評定方案相結合，給出了評估方法。針對某控制棒驅動機構專用電機驅動器進行了可靠性鑒定試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行可靠性評估，評估結果遠超過指標要求。該試驗方案和評估方法可用于指導一般核電產(chǎn)品。

控制棒驅動機構；驅動器；加速壽命試驗；提前評定；評估

控制棒驅動機構（Control Rod Drive Mechanism，CRDM）是核反應堆中重要的機械設備，是反應堆控制和保護系統(tǒng)的一部分[1]。通過對控制棒位置的調控實現(xiàn)反應堆啟動、安全停堆、功率調節(jié)和反應堆保護功能[2]?？刂瓢趄寗訖C構專用電機控制系統(tǒng)是控制棒驅動系統(tǒng)的重要驅動控制設備。為保障核反應堆的安全、可靠運行，需對控制系統(tǒng)的可靠性進行評估。

CRDM 專用電機控制系統(tǒng)可靠性指標較高。控制系統(tǒng)由配電單元、連接電纜、輸出濾波單元、專用電機驅動器組成。其中，配電單元、連接電纜、輸出濾波單元是成熟產(chǎn)品，無需進行可靠性試驗；專用電機驅動器是新研制產(chǎn)品，目前還沒有相關的可靠性數(shù)據(jù)。本文以電機驅動器為研究對象，在保證其失效機理不變的基礎下，加大老化應力水平，采用加速壽命試驗方法，在較短的時間內完成關于電機驅動器的可靠性指標評估。

1 背景介紹

2　失效機理

通過對電機驅動器進行故障機理分析，對其壽命影響最大的應力為溫度。運行時溫度升高（即熱老化影響）對電機驅動器的老化起主要作用。高溫能夠加速電機驅動器內部化學反應或分子鏈斷裂，促使驅動器提前失效。高溫加速應力水平不得大于產(chǎn)品的結構材料、制造工藝所能承受的極限應力，以免帶進新的失效機理。

采用溫度應力作為主要加速應力的熱老化模型為阿倫尼斯（Arrhenius）模型[5]：

其中：

3 加速因子

考慮到電機驅動器中各部件的最高承受溫度，并通過進行溫度極限摸底試驗，確定最高溫度應力水平取60 ℃，故加速因子為

4 試驗方案

除21號方案外，管理者提前評定統(tǒng)計方案的最長試驗時間及最大拒收故障數(shù)均超過了原方案，實際上是不合理的，既然是提前評定，那么最長試驗時間一定要小于原定時試驗方案，否則就無法稱為提前評定了。

針對14號方案，選取前4個提前評定方案，連同14號方案，如表1所示。

表1　試驗方案

注意到，這里的拒收失效數(shù)是由14號方案確定的，始終為6，在試驗中，只要出現(xiàn)6個責任故障數(shù)，即可提前做出拒收判定，結束試驗。

5 數(shù)據(jù)評估

（b） MTBF的區(qū)間估計值：

充灌程序采用自下至上的充灌方法，模袋在充灌進混凝土后，模袋布會出現(xiàn)膨脹拉緊，此時需調整上口邊固定槽鋼的拉緊葫蘆，做好張力放松工作，以防模袋灌注不飽滿。整塊袋布灌注結束后，取出固定鋼管，清洗泵車及管道。

6 實例分析

通過加速因子換算成實際工況下的MTBF的置信下限：

即在實際工況下，MTBF真值大于或等于83 905.866 h的概率為80%。

此時，生產(chǎn)方風險和使用方風險分別為：

7　延伸討論

盡管可靠性保證試驗在短時間內驗證很大的MTBF值的試驗機理尚未完全解決，但它已在船舶、通信、航空等領域得到應用[8-10]。在試驗樣本量少、試驗時間有限的情況下，能否用可靠性保證試驗替代鑒定試驗，一直沒定論。但從本例可以看出，無故障提前接收方案與可靠性保證試驗可能有一定相關性。

可靠性鑒定試驗是抽樣試驗，統(tǒng)計的是累計試驗時間，參加試驗的樣本量越多，平均每臺試驗時間就越短，可能存在以多樣本、短時間試驗來驗證MTBF值；可靠性保證試驗是全數(shù)試驗，所有樣本都要求在觀測時間內出現(xiàn)同樣的無失效間隔，才算通過，屬于全樣本、短時間試驗。兩種試驗各有利弊。在條件允許的情況下，建議兩種試驗都做，能更充分反映產(chǎn)品的可靠性指標。通過不斷積累兩種試驗數(shù)據(jù)，建立可靠性保證試驗與鑒定試驗的關系。鑒于很多核電產(chǎn)品都是小樣本、高可靠性，當鑒定試驗無法進行時，可先用保證試驗來替代，然后再通過實際運行數(shù)據(jù)來補充鑒定試驗時間，并檢驗可靠性指標是否滿足要求。

8 結論

（1）本文給出了控制棒驅動機構專用電機驅動器的可靠性鑒定試驗方案和評估方法，并按照確定的試驗方法完成了驅動器的可靠性鑒定試驗；

（2）可靠性鑒定試驗結果表明：在實際工況下，MTBF真值大于或等于83 905.866 h的概率為80%，超過可靠性指標要求；

（3）隨著科學技術的發(fā)展，對核電產(chǎn)品可靠性要求越來越高，該方案和評估方法可用于一般核電產(chǎn)品，對工程中產(chǎn)品的可靠性試驗方案設計與評估具有一定的指導意義。

［1］ 李朝君，宋維，石興偉，等．FMEA法評估反應堆控制棒驅動機構可靠性［J］．核電子學與探測技術，2017，37（4）：369-372.

［2］ 萬誼，于天達，余志偉，等．“華龍一號”控制棒驅動機構設計研究［J］．中國核電，2017，（4）：583-592.

［3］ 可靠性鑒定和驗收試驗：GJB 899A—2009［S］．2009.

［4］ 恒定應力壽命試驗和加速壽命試驗方法總則：GB/T 2689.1—81［S］．

［5］ 姜同敏．可靠性與壽命試驗［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2012.

［6］ 航空部第三〇一研究所譯．MIL-HDBK-781美國軍用手冊：工程研制、鑒定和生產(chǎn)可靠性試驗方法、方案和環(huán)境［R］．航空部第三〇一研究所，1988.

［7］ 李金國，傅志高，劉永堅，等．高可靠性航空產(chǎn)品試驗技術［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2011.

［8］ 馬志宏，趙書平，李靜，等．MTBF保證試驗技術方法分析與探討［J］．環(huán)境技術，2010，28（03）：5-7+15.

［9］ 朱煒．可靠性保證試驗方法在航天電子、機電產(chǎn)品可靠性驗收中的探討［J］．質量與可靠性，2005（06）：18-20+53.

［10］李光輝．MTBF保證試驗工程應用研究［J］．船舶標準化與質量，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

肖麗麗（1984—），女，黑龍江黑河人，副研究員，博士，現(xiàn)從事核電產(chǎn)品可靠性設計、分析與試驗等方面研究