核電廠儀控板卡更換周期起始點(diǎn)研究

朱桂霞，藍(lán) 劍，胡玉瑩，錢玉剛

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430070）

0 引言

在核電廠運(yùn)維階段，電子設(shè)備根據(jù)預(yù)防性維修大綱規(guī)定的預(yù)防性替換周期進(jìn)行定期更換，預(yù)防性替換周期來源于廠家、行業(yè)經(jīng)驗(yàn)或自行計(jì)算，實(shí)際上很少廠家會提供此類數(shù)據(jù)，或者廠家提供的周期較短不符合使用壽命最大降本增效的要求。電子設(shè)備壽命由非工作狀態(tài)壽命和工作狀態(tài)壽命兩部分組成，本文通過研究提供電子設(shè)備在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下壽命計(jì)算方法，其中工作狀態(tài)下的壽命可為預(yù)防性替換周期提供參考。而當(dāng)電子元器件長期處于非工作狀態(tài)時(shí)，受溫度、濕度以及化學(xué)等因素的影響，隨著非工作狀態(tài)年限的增加，內(nèi)部材料會老化，導(dǎo)致參數(shù)漂移，當(dāng)性能參數(shù)值超出其允許的容差范圍時(shí)，設(shè)備就會發(fā)生失效，喪失功能。設(shè)備失效率在不同的應(yīng)力條件下差異較大，使得現(xiàn)場電子設(shè)備更換周期等效計(jì)算成為難題。

1 電子組件非工作狀態(tài)壽命計(jì)算

1.1 非工作狀態(tài)影響電子組件壽命的因素

電子組件是由元器件與PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）經(jīng)過焊接加工而成。在非工作狀態(tài)過程中，影響其壽命的主要因素有4 個(gè)。

（1）環(huán)境濕度。由于元器件在長期非工作狀態(tài)下缺乏自熱作用，受環(huán)境濕氣的影響嚴(yán)重。當(dāng)濕氣含量較高時(shí)，會腐蝕元器件內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)，造成元器件失效。

（2）環(huán)境溫度。高溫非工作狀態(tài)環(huán)境會加速元器件退化的物理、化學(xué)反應(yīng)，加速材料老化，導(dǎo)致元器件失效率高；低溫非工作狀態(tài)會導(dǎo)致元器件材料收縮、脆化和斷裂。

（3）化學(xué)應(yīng)力。元器件結(jié)構(gòu)中往往存在著不同物質(zhì)之間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)應(yīng)力，尤其是當(dāng)水汽滲入、溫度變化會加速化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)的最終生成物也是污染元器件的主要推手。

（4）質(zhì)量控制。元器件非工作狀態(tài)可靠性還取決于其固有的質(zhì)量水平，而固有質(zhì)量水平通常取決于設(shè)計(jì)、制造水平。固有質(zhì)量水平高，則電子組件存在的化學(xué)應(yīng)力少，抗環(huán)境應(yīng)力能力強(qiáng)。

綜合上述因素，可將非工作狀態(tài)失效劃分為兩個(gè)階段進(jìn)行控制：①電子組件在設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段，失效率由電子組件本身的元器件質(zhì)量、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子組件加工工藝等決定；②在電子組件完成生產(chǎn)之后，失效率由電子組件在非工作狀態(tài)過程中的管理程序決定，包括電子組件非工作狀態(tài)的溫度、濕度、運(yùn)輸方式等。

對于用戶來說，可以通過提升電子組件在非工作狀態(tài)過程中的管理程序來降低電子組件在非工作狀態(tài)過程中的失效率。

1.2 電子組件非工作狀態(tài)壽命計(jì)算

根據(jù)GJB 108A 中的描述，作為電子組件的用戶，可以從控制電子組件的非工作狀態(tài)環(huán)境等因素著手，降低電子組件在非工作狀態(tài)過程中的失效率。電子組件非工作狀態(tài)壽命為電子組件非工作狀態(tài)失效率的倒數(shù)。以薄膜電容為例進(jìn)行非工作狀態(tài)壽命計(jì)算。GJB 108A 中對于薄膜電容非工作失效率λNp及非工作狀態(tài)壽命TN計(jì)算公式定義為：

式（1）中，λNb是薄膜電容非工作基本失效率（單位：10-6/h），πNE是非工作環(huán)境系數(shù)，πNQ是非工作質(zhì)量系數(shù)，πCYC是設(shè)備電源通斷循環(huán)系數(shù)，πNT是非工作溫度系數(shù)，πNch是非工作表面貼裝系數(shù)。其中，λNb、πNQ、πNch由電子組件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)階段決定，用戶無法改變。但πNE、πCYC、πNT這3 個(gè)系數(shù)可以由用戶對電子組件的非工作狀態(tài)過程進(jìn)行管控。

（1）非工作環(huán)境系數(shù)πNE。非工作環(huán)境類別是依據(jù)電子設(shè)備非工作時(shí)的氣候條件、機(jī)械條件、生物條件等特點(diǎn)及其相似程度對環(huán)境進(jìn)行劃分，形成環(huán)境類別。GJB 108A 非工作環(huán)境類別共分為19 類，其中，GF1（普通庫房或通風(fēng)較好的室內(nèi)固定機(jī)架，受振動、沖擊影響不大的設(shè)備環(huán)境）可認(rèn)為是核電廠電子組件庫存的環(huán)境分類，GF2（只有簡陋?dú)夂蚍雷o(hù)設(shè)施的地面環(huán)境或坑道，其環(huán)境條件較惡劣，如高溫、低溫、溫差大、高濕、霉菌、鹽霧或化學(xué)氣體等）可認(rèn)為是核電廠電子組件在調(diào)試狀態(tài)的環(huán)境分類。

非工作環(huán)境系數(shù)描述了不同環(huán)境類別的環(huán)境應(yīng)力對元器件非工作失效率影響的系數(shù)。GJB 108A 規(guī)定了非工作環(huán)境系數(shù)πNE的定義，可以定量地看到，不同的環(huán)境類別對電子組件的非工作狀態(tài)失效率影響差異巨大。

（2）設(shè)備電源通斷循環(huán)系數(shù)πCYC。設(shè)備電源通斷循環(huán)系數(shù)是指電子組件在非工作狀態(tài)時(shí)，循環(huán)通電的頻率度量；GJB 108A給出了設(shè)備電源通斷循環(huán)系數(shù)πCYC表，從表中的數(shù)據(jù)規(guī)律可推測出，電子組件處于非工作狀態(tài)時(shí)，通電頻率越低越好。結(jié)合實(shí)際電子組件的非工作狀態(tài)情況，電子組件在非工作狀態(tài)，不通電最佳。

（3）非工作溫度系數(shù)πNT。非工作溫度系數(shù)主要描述了溫度對非工作元器件的失效率影響。GJB 108A 給出了非工作溫度系數(shù)πNT表。從表中系數(shù)變化趨勢可以看出，溫度越高，非工作元器件的失效率越高，因此，要結(jié)合實(shí)際電子組件的非工作狀態(tài)環(huán)境，確定具備可行性的非工作狀態(tài)溫度，且溫度越低越好。

2 電子組件工作狀態(tài)壽命計(jì)算

2.1 工作狀態(tài)影響電子組件壽命的因素

電子設(shè)備在工作狀態(tài)增加了電應(yīng)力。因此在計(jì)算工作狀態(tài)壽命時(shí)，除了考慮環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、化學(xué)應(yīng)力以及質(zhì)量控制之外，還要重點(diǎn)考慮電應(yīng)力的影響，包括電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力、元器件本身的內(nèi)部電路等。

但由于電子設(shè)備在設(shè)計(jì)及制造階段用戶無法介入，因此，在工作狀態(tài)的失效率控制因素與非工作狀態(tài)類似。

2.2 電子組件工作狀態(tài)壽命計(jì)算

根據(jù)GJB 229C 中工作失效率預(yù)計(jì)模型計(jì)算元器件工作狀態(tài)失效率，電子組件工作狀態(tài)壽命為電子組件工作狀態(tài)失效率的倒數(shù)。以薄膜電容為例計(jì)算工作狀態(tài)壽命。薄膜電容的工作失效率λP及工作狀態(tài)壽命TP計(jì)算式為：

式（3）中，λb是薄膜電容工作基本失效率（單位：10-6/h），πE是工作環(huán)境系數(shù)，πQ是工作質(zhì)量系數(shù)，πCV是電容量系數(shù)、πK是種類系數(shù)、πch是表面貼裝系數(shù)。其中，λb、πQ、πCV、πch、πK由電路板的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)階段決定，用戶無法改變。僅有工作環(huán)境系數(shù)πE可以由用戶對電路板的工作環(huán)境進(jìn)行管控。與非工作模式相同，最高等級為GB。

3 案例分析

以某電站A 電源中的功率板為例，進(jìn)行非工作狀態(tài)壽命計(jì)算。這里計(jì)算使用的貯存溫度、環(huán)境類型、元器件質(zhì)量等級等均為假設(shè)條件，不同的板卡、不同的貯存環(huán)境需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行重新定義計(jì)算，計(jì)算過程類似。

設(shè)定非工作狀態(tài)溫度為25 ℃，元器件質(zhì)量等級為B2，為更好的反饋現(xiàn)實(shí)情況，在此環(huán)境類型分別假設(shè)為GF1和GF2。

3.1 環(huán)境類型為GF1

（1）元器件信息分類統(tǒng)計(jì)。表1 統(tǒng)計(jì)了功率板中所有元器件的信息，并將元器件信息按照GJB 108A 中的元器件分類法進(jìn)行分類。

表1 功率板非工作狀態(tài)（GF1）元器件信息及失效率計(jì)算

（2）非工作狀態(tài)失效率計(jì)算。根據(jù)GJB 108A 中關(guān)于電子組件非工作狀態(tài)失效率的詳細(xì)預(yù)計(jì)法預(yù)計(jì)模型，計(jì)算出功率板的總失效率λ為0.8×10-6/h。

（3）非工作狀態(tài)MTBF 計(jì)算。換算為MTBF（λ取倒數(shù)）為142.7 年。

3.2 環(huán)境類型為GF2

（1）元器件信息分類統(tǒng)計(jì)。表2 統(tǒng)計(jì)了功率板中的所有元器件信息，并將元器件信息按照GJB 108A 中的元器件分類法進(jìn)行分類。

表2 功率板非工作狀態(tài)（GF2）元器件信息及失效率計(jì)算

（2）非工作狀態(tài)失效率計(jì)算。根據(jù)GJB 108A 中關(guān)于電子組件非工作狀態(tài)失效率的詳細(xì)預(yù)計(jì)法預(yù)計(jì)模型，計(jì)算出功率板的總失效率λ 為1.92×10-6/h。

（3）非工作狀態(tài)MTBF 計(jì)算。換算為MTBF（λ 取倒數(shù)）為59.4 年。

4 結(jié)論

每類電子設(shè)備所包含的元器件種類和數(shù)量以及構(gòu)成不同，不同元器件在非工作狀態(tài)下的失效率不同，故每一類儀控板卡在非工作狀態(tài)下的失效率是不一樣的，本文提供了電子設(shè)備非工作狀態(tài)和工作狀態(tài)的失效率計(jì)算方法，通過獲得的非工作狀態(tài)和工作狀態(tài)壽命，結(jié)合電子設(shè)備預(yù)防性替換周期，可判斷獲得更換周期的起始點(diǎn)，或者對非工作狀態(tài)的壽命時(shí)間進(jìn)行折算給出起始點(diǎn)。另外，工作狀態(tài)的壽命可為制訂電子產(chǎn)品的預(yù)防性維修策略提供參考。