核电厂仪表和控制设备可靠性预计

　　电子产品可靠性预计是在产品定型过程中，通过电子元器件的可靠性参数预计值，经过分析计算，对产品能达到的可靠性水平进行预测的过程。可靠性预计在于评定产品设计的合理性，发现薄弱环节，通过元器件的可靠性参数选择与分配，进一步制定研制计划，并为产品的运行、维修、后勤保障方案提供依据。
　　
　　随着核电厂仪控设备国产化工作的开展，国产化仪控设备逐步应用到核电厂中，随之也带来这样一个问题:如何定量评估这些板件及仪控设备的可靠性。
　　
　　在核电厂电仪设备元器件的性能、可靠性要求已明确的情况下，采用应力法进行可靠性预计的步骤如下:
　　
　　（1）根据元器件种类、型号规格、电应力和环境条件确定各个元器件的应用失效率:
　　
　　λp=λb（πE.πQ.πA.πS2.πC.πR）。
　　
　　（2）按各个单元的元器件种类和数量，分别求出应用失效率。
　　
　　（3）将各个单元的可靠性预计值代入串联模型，求出产品设计的可靠性预计值。
　　
　　（4）对可靠性预计值进行分析比较，若能满足指标要求，则产品设计的可靠性预计至此结束;若不能满足指标要求，则要改变选用的元器件，或进一步降额，或通过其他提高可靠性的设计措施，降低环境应力，以至更改设计的可靠性结构等，再重复上述的预计步骤，直到满足设计要求为止。
　　
　　本文通过对广东核电厂典型仪控板件的可靠性预计与分析，总结核电厂仪控设备在进行可靠性设计时必须遵循的导则，建立仪控设备国产化过程中的可靠性管理要求和规则，为我国核工业电子产品的国产化并进入市场提供有效的帮助。
　　
　　一、核电厂仪控设备电子元器件的基本失效率分析
　　
　　从大亚湾核电厂进行K3鉴定试验的仪控板件中选择了3种板件（FE7C.l2加法器，FE7C2l函数发生器及FE7F12阀值继电器）做示范。表1列出了核电厂仪控系统板件的元器件分类汇总和失效率。
　　
　　除微电路外，大多数元器件的工作失效率λp。模型都为基本失效率λb与πE、πQ等一系列π系数连乘的形式。我国国家军用标准《电子设备可靠性预计手册》（GJB/Z299b—1998）和美国军用标准《电子设备可靠性预计手册》（MIL-HDBK-217F）提供了λb与温度T、电应力比S的关系模型，并以"T-S"表和曲线图的形式给出了不同应力下的λb值，以及有关的π系数值应预先分析元器件工作环境温度T和电应力比（负荷率）S，以便用"T-S"表或曲线图查得λb值。根据设备工作环境类别和元器件质量等级等，查出相应的π系数值，进而计算元器件λp。
　　
　　半导体集成电路的基本失效率与电路的复杂程度有关，电路中含晶体管数量越多，失效率越高，且取决于集成电路的复杂度失效率系数。　　
　　二、核电厂仪控设备的电子元器件质量等级的确定
　　
　　元器件的质量直接影响其失效率。不同质量等级对元器件失效率的影响程度以质量系数πQ来表示，因此它的正确选取非常关键。由于不同的元器件在生产过程中，质量控制的标准不同，因而质量等级也不同。
　　
　　为保证核电厂的安全运行，核电厂仪控设备的元器件必须有较高的质量等级，一般要求为*。表2列出了元件的质量等级和质量系数。
　　
　　在使用质量等级表时应注意如下几点:　　
　　（1）对已列入《军用电子元器件质量认证合格产品目录》的产品，若累积质量维持试验结果，表明其可靠性水平比鉴定试验时提高了一个数量级，则其π值可在原来的质量等级中适当减小。
　　
　　（2）按电子产品质量分级标准进行试验后被评定为优等品的国标产品，其πQ一般可减至原πQ值的1/2。
　　
　　（3）经严格质量控制程序与用户针对性的二次筛选及筛选淘汰率控制的产品，可在原来的质量等级中适当减小πQ。
　　
　　（4）低档产品是指没有*执行一定的生产标准，或无明确的质量控制要求，或采用有机材料封装的产品。
　　
　　三、国产核电厂仪控设备板件的可靠性预计
　　
　　3.1仪控电子设备板件的可靠性预计程序
　　
　　为了描述核电厂仪控设备的可靠性预计过程，现以其中重要的正电源单元电路为例，叙述有关板件的可靠性预计程序的技术要求，并得到正电源电路的可靠性预计结果。
　　
　　以正电源电路为例说明仪控电子设备板件的可靠性预计程序为:
　　
　　1）将各个板件，按照其功能的相对独立性划分为若干单元，并进行统一编号;
　　
　　2）分别给出每个单元的电路图和元器件清单，清单中注明元件的类型、质量等级、封装形式、降额因子等影响其失效率的信息;
　　
　　3）根据清单提供的信息，使用相应的手册查得每个元件应用失效率公式中的各个参数，然后计算出元件的应用失效率;
　　
　　4）将单元中的所有元件的失效率叠加，即可得到相应单元的总失效率;
　　
　　5）对板件中所有单元的失效率求和，即可得到板件的总失效率;
　　
　　6）应用板件的总失效率，利用指数失效模型，求取其他的可靠性指标，完成板件可靠性的预计过程。
　　
　　功能单元举例:正电源电路见图1，正电源电路元器件清单见表3。正电源电路应力法可靠性预计的结果见表4。　　
　　正电源单元的失效率
　　
　　下面就2个元器件为例，给出直观的说明：　　
　　（1）图1中电容器C14是国产器件，失效率查国军标《GJB/Z299B-1998》。
　　
　　ECRG-100V-1μ-J电容器属于纸和薄膜电容器，其各参数确定如下：
　　
　　1）基本失效率λb:由于器件的工作环境温度为25℃，《GJB/Z299B—1998》中只有额定温度为65℃、85℃、100℃基本失效率表5.1.6.1-8（《GJB/Z299B—1998》中的表号，下同），得λb=0.01700×10-6/h;
　　
　　2）环境系数πE；该电容的工作环境为良好地面，故由表5.1.6-1，查得πE=1.00000；
　　
　　3）质量系数πQ：该电容的质量等级为“七专”，由表5.1.6.1-2，得πQ=0.50000；
　　
　　4）电容量系数πcv:该电容器的电容量为1μF，由表5.1.6.1-3，得πcv=1.90000;
　　
　　5）种类系数πk：该电容属于聚丙烯电容，由表5.1.6.1-4，得πk=1.00000；
　　
　　计算得λp=λππEπQπcvπk=0.3230×10-6/h。
　　
　　（2）图1中二极管D21N4005为美国产品，则由美标《MIL-HDBK-217F》，根据其中所列的表格，分别得到：
　　
　　1）基本失效率λπ=0.00380（通用二极管）；
　　
　　2）温度系数πT=32.00000（节温为175℃）；
　　
　　3）电应力系数πs=0.05400；
　　
　　4）质量系数πQ=2.40000；
　　
　　5）环境系数πE=1.00000；
　　
　　6）结构系数πC=1.00000；
　　
　　计算得：λP=λbπQπEπTπSπS=0.01576×10-6/h。
　　
　　3.2国产K3板件的可靠性框图与板件失效率预计结果比较
　　
　　3种板件的可靠性框图如下所示：
　　
　　FE7C12加法器由9个功能电路组成：①正电源电路：②负电源电路；③校准电路；④输入电路1；⑤输入电路2；⑥输入电路3；⑦输出电路；⑧偏置电路；⑧扩展输入电路。
　　
　　（2）FE7C21函数发生器由10个功能电路组成：①正电源电路；②负电源电路；③输入电路；④改变点1；⑤改变点2；⑥改变点3；⑦改变点4；⑧改变点5；⑨输出加法器；⑩电压电流变换电路。
　　
　　（3）FE7F12阀值继电器由3个功能电路组成：①电源电路：②迟滞比较器电路1；③迟滞比较器电路2。
　　
　　国产K3析件失效率预计结果见表5。　　
　　四、可靠性参数
　　
　　通过应力分析法，对3种板件完成了可靠性预计。利用串统模型预计得到了板件的失效率、平均寿命（MTTF）、年可靠度等可靠性参数。其结果见表6。
　　
　　五、结论
　　
　　可靠性预计过程是对电子设备从设计、元件采购、使用方面进行综合的分析过程。它的重要价值在于提供了仪控设备板件可靠性的相对度量，可作为设计决策的依据。通过预计能够找出系统的薄弱环节，例如正电源电路单元的失效率为0.2465206×10-6/h,占整个板件失效率的24%,其主要原因在于二极管环节比较薄弱,πT（温度系数）较大,因而导致可靠性偏低;通过可靠性预计的结果,在板件生产过程中,采用结温系数较小的型号,则可提高板件整体的可靠性指标。
　　
　　可见，可靠性预计对产品的设计、生产以至于元件的采购提出了指导性意见，有助于全面提高设备的可靠性水平。因而可靠性预计对开发新产品及设备国产化是*的。
　　
　　可靠性预计工作中，足够的数据来源是非常关键的。通过建立可靠性数据采集系统，对国产化板优缺点的试验及运行数据进行记录、收集，为核电厂电子设备新产品开发中的可靠性分析提供准确、充分的数据，以提升国产电子设备的可靠性水平。