摘要：近几年，我国经济建设发展迅速，核电厂也有很大发展。本文针对某核电站运行10年左右陆续出现的一些与模拟仪表老化相关的设备失效问题，开展一系列的仪控设备可靠性及老化管理研究和实践，并建立系统化的管理体系。通过可靠性及老化检测、老化缓解等技术，对核电厂仪控设备进行有效的可靠性管理。实践表明，该仪控设备可靠性及老化管理体系取得了显著成效，大大提高了仪控设备可靠性，提升了电站的核安全水平，显著减少了停机停堆事故和发电损失，具有一定的推广价值，可以用来指导和应用于同类核电站以及常规电厂仪控设备可靠性管理。
关键词：核电厂；仪核电厂；仪控设备；可靠性；老化管理
引言
目前业界对仪控设备老化管理的认识有一定的片面性。仪控系统特别是保护和安全系统对核电站安全可靠运行所起的作用无可替代，仪控设备老化对核电站运行经济性同样有重要影响。
1仪控设备老化机理研究
1.1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”的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导致这些元器件老化。许多物理应力会导致元器件老化，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。高温以及温度循环也是电子元器件和电子设备老化的主要原因。但并不是所有失效都与老化相关，也会有其他原因，如器件制造质量或设计缺陷。
①电解电容:电解电容的主要老化机理是电解液通过端盖的密封泄漏，这是一个与橡胶密封有关的特殊问题，如果橡胶性能严重降质，会形成电解液泄漏通道。当温度为20℃时，一个典型的电解电容的老化过程可能需要10年(根据制造的工艺和材料品质，寿命有所不同)，高温则可加快这个老化过程。温度(环境)、电压和纹波是导致电解电容故障的诱导因素，会加速电解液蒸发。电解液的流失增大了等效串连电阻，减小了电容容量，最后电容会因开路或短路而失效。
②中子通量探测器:堆芯外探测器一般根据电离原理运行，堆芯内探测器通常由含有镀铀电极的裂变室构成。中子通量探测器的使用寿命要一般小于反应堆的寿命，探测器属于耗损部件，需要定期更换，老化机理主要与探测器的类型有关。制造工艺也对老化机理有着重要的影响，如制造缺陷造成电离室的密封和绝缘退化，导致泄漏和中子通量测量异常。计数器对气体质量特别敏感，若气体中存在杂质或湿度，会改变传感器的特性。杂质有可能是传感器制造期间进入的，湿度可能是测量室泄漏引起的。电离室探测器的退化主要与敏感涂层(例如硼)的退化有关。敏感涂层属于耗损部件。通常这类传感器作为源量程探测器可能具有5～8年的运行寿命，作为中间量程或功率量程探测器可能有10～20年的运行寿命。
1.2短寿命元器件和短寿命设备识别
根据国内外经验反馈及电子元器件老化机理的分析研究，结合核电厂多年老化数据收集分析，部分元器件寿命短于其所服务的整体设备设计寿命，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熔断器、电解电容、光电耦合器、高发热电阻、可控硅、电位器、DC/DC电源模块、齐纳二极管、功率发热元器件、继电器、开关、连接器、接线端子、存储介质、电池等。
根据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，短寿命设备主要有电源、电磁阀、变压器、变送器、温度探头、开关量一次元件、核测量一次元件、电缆、散热风扇、键盘、鼠标、显示器等。
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2仪控设备可靠性及老化管理方法
2.1可靠性及老化检测技术
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现场使用的仪控设备合格。
③老化状态检测: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。
④仪控设备失效分析:对失效仪控设备检测和根本原因分析。
2.2可靠性及老化管理目标与组织机构
可靠性及老化管理工作涉及范围较广，解决复杂的老化问题不仅是仪表控制部门的事，还需要核电厂多个专业的相互支持和合作。根据核电厂设备的老化情况，应建立核电厂老化管理组织机构，并明确各自的主要责任和相互之间的关系。其中，老化管理项目组的作用非常重要，是整个可靠性及老化管理的核心。它负责协调各相关部门，指导核电厂仪控设备的老化识别及分级，牵头制定老化管理策略、方法、标准，指导专业部门制定老化处理计划和现场实施。
2.3老化缓解
①制定实施计划:老化缓解的首要步骤是按照仪控设备分级管理原则和老化识别的元器件和设备，结合现场具体的设备老化状态和老化热点，确定老化处理的优先顺序，制定老化处理的计划清单，以便提前准备备件、人力资源、工具、大修窗口等。
②备件和元器件、材料准备:根据老化处理计划提出备件和电子元器件采购清单，确保老化实施的备件要求。对采购电子元器件，使用专用设备进行检测筛选。对整体更换的新备件，更换前按照规范要求进行可靠性烤机，以筛查存在初期失效的不良备件。
③现场实施:根据识别出的短寿命元器件和短寿命设备，按照老化管理大纲和老化管理数据库的要求进行现场更换，对停产或淘汰仪控设备进行替代或改造。
2.4建立全生命周期可靠性及老化管理策略
①初期失效阶段:电子元器件在寿命初期失效率一般会比较高，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。虽然生产厂家一般会做出厂检测，对一部分失效产品进行剔除，但远远达不到核电站对可靠性的要求。因此，这个阶段核电厂仪控设备可靠性管理的重点是建立拷机及元器件筛选平台。对分级为A或B类的重要备件进行烤机检测，以筛选存在初期失效的仪控设备。某核电基地已经分别建立了针对继电器、熔断器、电源、核级板件、中子探测器等设备的可靠性及老化检测平台，并编写了对应的检测方法(程序)和标准。
②偶然失效阶段:这个阶段仪控设备失效率一般会比较低，但重要设备(分级为A级)的失效仍然是致命的，很可能导致重要核安全设备的不可用或停机停堆等瞬态事故。因此，这个阶段仪控设备可靠性及老化管理的重点是:进行重要系统及设备参数检测，及时发现设备异常并采取措施;利用设备可靠性及老化检测平台对偶然失效的设备深入研究，争取发现可能的共模故障，提前采取措施;对设备分级为A1级的设备进行双冗余改造，降低设备故障的危险度。
③老化(耗损)失效阶段:这个阶段仪控设备失效率一般会大幅提高，因此仪控设备可靠性及老化管理的重点是避免设备进入这个阶段。采用的方法是:更换识别出来的仪控设备的易老化元器件(如电解电容、光耦、DC/DC模块等);对于设备分级为A1级的设备，尽量采用整件更换的方式，以提高可靠性;对停产的备件进行反向设计，以维持整体系统改造前的正常运行;对系统进行整体改造。
结语
核电站仪控设备老化引起仪表精度降低通道响应时间增加，直接导致运行裕量降低，使核电站运行风险增加安全性减小，必须进行仪控设备有效的老化管理，以消除老化效应导致的不利影响，提高我国核电站运行的安全性、可用性和经济性，保证我国核电行业的快速发展。
参考文献
[1]杨锴，陈智.1E级堆芯探测器组件类设备EMC鉴定研究[J].自动化仪表，2017，38(4):96-97.
[2]王健，邱建文，曾泽嵘.核电站电源可靠性检测系统设计[J].自动化仪表，2018，39(5):92.
论文作者:袁贺飞
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/24
标签：设备论文; 核电厂论文; 备件论文; 元器件论文; 寿命论文; 探测器论文; 性及论文; 《电力设备》2019年第5期论文;