海南核电有限公司 海南省 572733
摘要：核电厂仪控设备直接影响着核电厂的整体运行。对核电厂仪表和控制设备（以下简称仪控设备）的可靠性及老化管理方法、管理过程、技术要求、老化缓解措施及现场实施流程进行了研究和总结。适用于核电厂现场运行仪控设备及备件的可靠性和老化管理，可用于仪控设备老化识别与分级、监测诊断仪控设备老化降质，制定老化缓解计划，指导现场实施，并进行仪控设备老化降质和寿命评估，提高核电厂仪控设备运行的可靠性。
关键词：核电厂；仪控设备；可靠性；老化管理
引言
核电站设备类型众多，数量庞大，综合考虑设备对机组核安全、发电能力的影响以及设备本身的价值、设备检修要求等方面，将设备进行分级管理，制定合理全面有效的预防性维修策略是确保核电站安全、稳定、经济发电的重要保障。
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。限于篇幅，本文仅简要分析两种典型仪控设备的老化失效机理作为参考。
（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。
2检测技术创新
控制设备可靠性及老化检测技术与平台，在国内核电站首次使用可靠性及老化检测技术对核级控制设备开展诊断检测，自主开发完成核级控制设备的可靠性和老化管理方法及技术，制定可靠性及老化管理与实施的技术标准和维修策略；实现在线设备可靠性及老化检测，预防设备故障和老化失效，实施仪控重要设备零缺陷预防；实现备件检测合格验收和库存备件老化管理；对失效仪控设备进行根本原因分析，反馈改进维修策略；建立仪控设备翻新维修技术和标准，诊断设备早期偏差或故障，制定核级设备维修后再鉴定技术及标准；实施国产化及替代设备性能、功能、运用可靠性验证；实现对设备翻新和老化更换的电子元器件进行检测，筛选合格可靠的电子元器件。主要创新点包括：
建立核级电路板MID电路板在线诊断检测装置，在不拆除电路板元器件的情况下，在线检测诊断元器件性能参数及偏差，提前识别出现衰退老化的设备，在板件故障征兆前及时更换偏差的元器件。
建立核级或通用电路板烤机检测标准和平台，对电路板性能及可靠性进行烤机检测，排除初期失效的电路板。
建立继电器和熔断器检测标准和平台，可检测筛选合格产品，淘汰性能参数不合格或偏差大的设备，提高控制及系统运行可靠性。
建立电源检测标准和平台，实施电源功能检测烤机验证，解决电源老化和寿命保养问题。
3仪控设备老化管理
3.1目标
仪控设备老化管理的目标是通过一系列技术和管理手段，及时地检测并减缓对核电站安全、经济运行起重要作用的仪控设备的老化过程。从管理角度看，核电站仪控设备老化管理包括建立相应组织机构、明确责任划分以及人力资源培训等。
3.2过程
核电站仪控设备老化管理的过程与老化管理的目标是一致的，即通过技术手段检测并减缓安全重要仪控设备的老化过程。基于此目标，可将仪控设备老化管理过程划分为３个阶段：
（1）选择需要进行老化评价的安全重要仪控设备。
（2）了解所选设备主要的老化机理，确定或开发对老化进行试验、检测及减缓的实用有效方法。
（3）利用有效的监督、试验、维护和运行措施，对老化过程进行控制。
老化管理所涵盖设备的选取可采用ＦＭＥＡ分析，也可运用ＰＳＡ概率分析。此外，美国核管会（ＮＲＣ）还提出了基于风险指引的评价方法。
3.3建立全生命周期可靠性及老化管理策略
根据前面老化机理的分析，仪控设备使用寿命一般有三个阶段：初期失效阶段、正常使用（偶然失效）阶段、老化（耗损）失效阶段。针对不同的阶段，需要采取不同的策略进行可靠性和老化管理，降低设备失效概率。
（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。大亚湾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管理不仅仅是技术问题，还涉及到核安全监管部门对先进老化管理技术的评审、运行维护人员培训、老化管理大纲的组织协调落实等问题。从技术和管理上对核电站仪控设备老化管理进行全面研究，有助于建立完善的仪控设备老化管理体系，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。
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