核电站仪表和控制设备可靠性及老化检测技术 安未

核电站仪表和控制设备可靠性及老化检测技术安未

发表时间：2019-09-17T10:08:52.857Z 来源：《电力设备》2019年第7期作者：安未[导读] 摘要：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。

（辽宁红沿河核电有限公司辽宁 116319）

摘要：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。本文对核电站仪表和控制设备可靠性及老化检测技术进行分析。

关键词：核电站仪表；控制设备；可靠性；老化检测技术 1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。 2机理认知

2.1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

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。

2.2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：Electricaloverstress）；

2）静电放电（ESD：Electrostaticdischarge）；

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）。

2.3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，制定不同的老化管理策略。

2.4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、中子通量探测器、电路板、散热风扇、键盘、鼠标、显示器等。

3检测和评估

3.1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。

3.2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。

4结语

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］唐静，李淼，张建，等．基于ZigBee网络的经济林无线信息监控系统设计［J］．仪表技术，2011（3）：22－30．［2］曹慧茹，张晓军，陈放．基于双频无线传感器网络汇聚节点设计［J］．仪表技术与传感器，2014（3）：55－57．