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核电厂控制设备可靠性及老化检测应用

编辑:中广核核电运营有限企业   发布时间:2016-03-23

       控制设备对核电站的安全稳定运行具有重要作用,随着核电站运行时间的增加,控制设备出现参数漂移、性能不稳定、裕度下降等老化现象日益严重,对核电厂的安全经济运行造成极大威胁,维持或提高设备可靠性是保证核安全的有效途径。
       根据美国核电运营研究所(INPO)提交的两份关于继电器、电路板及电源相关事故分析报告,2006年1月到2010年12月期间,因继电器问题导致的MSPI(缓解系统的性能指标)故障有29起(约一半涉及应急柴油发电机)、造成250万MWe-H的发电损失以及引起23次紧急停堆;因电路板件老化/淘汰品和单点失效(SPV )引发的反应堆跳堆事件更多达40余起。反思INPO相关核电站对电路板件采取的策略措施,仅在控制设备发生故障后才进行实施,而不是预先处理、或限制其后果,对控制设备性能趋势分析不足,对控制设备的老化管理和预防性维修(PM )不充分,导致情形进一步恶化;没有开展针对控制设备的老化及可靠性检测、Burn in(烤机)筛选,是控制设备引发的反应堆事故率高的重要原因。
       以上情况表明,控制设备老化降质会对核电厂造成很大影响和危害,因此核电厂亟需解决该问题。
       实施针对控制设备,尤其是核安全级控制设备的可靠性检测、老化诊断,确立单点失效设备(即CCM关键敏感设备),进行全寿期可靠性管理,分析老化和失效控制设备的根本原因,对于全新、翻新以及重新设计的控制设备,建立Burn in(烤机)流程,迫切需要建立与之相适应的研发技术平台,建立相应技术标准,实现检测、诊断、筛选、烤机及再鉴定,进一步提高和保证控制设备的高可靠性,着实提高核电的安全性和经济性。
       一、目的及意义
       该项目的目的是研究核电厂控制设备可靠性及老化在线检测方法;建立核级控制设备可靠性和老化检测标准;研发可靠性和老化检测诊断系统;实现核级控制设备的仿真模拟、在线烤机、功能验证、故障诊断、故障先兆探测、老化分析与缓解、备件的可靠性检测和验收;降低核电厂控制设备失效引起事故,确保核电厂控制设备可靠运行,提高核电厂安全性和经济性,借此推动和提高核电厂关键敏感控制设备可靠性及老化检测技术在国内的应用水平。
       编写反应堆控制设备老化检测和诊断的标准,完成在线检测、烤机检测、筛选符合可靠性要求的设备、筛选检测电子元器件保障元器件的可靠性、诊断检测失效的控制设备进行失效根本原因分析、研究核级控制设备老化机理、定期老化状态评估及延寿老化评估,实施全面的老化管理和可靠性管理。
       为全面深入开展控制设备可靠性及老化管理,迅速提高全行业的核级控制设备可靠性及老化管理水平,打破国外的技术垄断,为国产仿制设备提供必要的技术支撑,维持并提高我国在运核电站的安全性,非常有必要针对核安全级设备建立集检测、诊断、筛选、烤机及再鉴定等工作的一体化技术研发平台,从根本上提高控制设备可靠性、减少因老化问题导致的设备失效核安全降级事件、降低设备失效导致的跳机跳堆风险、全面持续提高在运及在建核电站安全性和经济性,以及核电机组的安全生产水平与能力因子。
       二、项目内容
       1.项目研究内容。
       核电厂控制设备包括反应堆棒控电源系统、应急柴油机保护系统、核级控制电源等系统的控制设备及部件,如:实行机构、一次控制设备、二次控制板件、数字板件、核级电源、核级继电器和熔断器等,主要研究内容是针对这些设备开发诊断检测技术,配套研发可靠性检测及老化管理的技术平台,建立反应堆可靠性检测和老化判定标准,检测设备各个元器件在线状态下特性参数,判别元器件及电路板是否符合可靠性标准。
       根据大亚湾核电站十多年核级控制设备老化处理经验,结合反应堆最新检测技术和方法,控制设备在不同的老化阶段,老化研究内容有所不同,在控制设备老化初期失效阶段,主要是研究备件可靠性检测及烤机技术,对备件进行入库检测,备件使用前进行检测烤机,
       筛选符合可靠性要求的备件;在老化随机失效阶段,研究运行设备偏差及故障检测技术,诊断检测偏差、故障的设备,进行失效根本原因分析,制定合适的维修策略;在老化失效阶段,研究设备可靠性及老化检测、鉴定技术,研究控制设备老化机理,识别老化元器件,在线检测设备及元器件特性参数,判别设备及元器件性能,定期检测评做设备老化状态,制定可靠性及老化管理策略,实施核级设备诊断检测及功能验证。
       2.项目技术方案。
       (1)重要控制设备老化机理及识别方法研究。
       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控制设备的寿命。元器件“老化”实质是材料或设备的特性随时间发生变化,应研究各类电子元器件的老化效应和机理,引导老化缓解方法。
       核电厂有数量庞大、类型各异的控制设备,这些设备对老化降质的敏感程度有很大差异。评估并量化何一个设备的降质程度既不可行,也没必要。应研究一个系统的办法把资源集中到那些对反应堆的安全运行有负面影响并易老化降质的设备上,同时还应包括不具备安全功能,但其失效会影响其它实行预定安全功能的设备。
       (2)重要控制设备老化管理大纲及老化管理数据库研究。研究老化管理大纲是为保证在反应堆在役期内,将所选定的系统、设备和部件的老化降质控制在可接受的限值之内,确保维持所要求的安全水平和可靠性,并力求达到尽可能高的性能水平。需研究老化管理大纲需包含的内容、建立方法和后续的维护手段。对识别出的老化设备和老化元器件,应建立针对性的老化管理大纲,制定有效的老化管理策略和措施,及时发现井缓解老化效应对控制设备的不利影响。
       老化管理数据库是老化管理大纲的基础,并用于控制老化管理及实施过程。老化设备管理主要是建立老化设备信息的基本库,及设备相关监测参数数据库,依据所收集的老化信息,针对设备老化过程采取老化预防和处理措施,记录老化缓解结果,以便全面跟踪设备的生命周期,为重要控制设备的维修和运行提供可靠的设备老化信息。
       (3)重要控制设备老化诊断监测技术研究。研究在线测试技术,实现在不拆卸元器件的情况下对元器件性能及电路板整体性能进行全面的分析和监测。研究反应堆控制设备在线测试方法,研究电子元器件老化分析方法及元器件老化测试方法,开发针对反应堆控制设备的测试程序,设计、开发反应堆电路板件测试工装、夹具,建立包括由实施方法、程序、标准等组成的板件诊断维修体系。
       (4)核级电源老化诊断监测技术研究。研究核级电源检测技术,包括检测方法、标准和配套的检测装置。按照反应堆设备分级管理确定检测标准及可靠性处理维修策略,开发反应堆核级电源检测和烤机系统,用于诊断和验证重要电源的性能、参数,发现早期故障的征兆,对电源进行失效分析,制定相应提高可靠性的维修策略。以电源检测拷机系统为平台实施反应堆重要电源的烤机、老化处理后或新电源备件的功能验证、国产化或替代电源的验收,整体提高电源可靠性。编写反应堆核级电源老化检测标准,建立老化管理、老化检测及寿命评估系统,建立电源检测诊断烤机、失效分析实验室。
       (5)核级继电器老化诊断监测技术研究。研究核级继电器的特性参数、通用要求、检测项目、检测方法和判断标准,研发检测平台装置。研究核级继电器老化诊断方法标准和诊断技术。
       (6)熔断器老化诊断监测技术研究。研究熔断器的特性参数、通用要求、检测项目、检测方法和判断标准,研发检测平台装置。研究熔断器老化诊断方法标准和诊断技术。
       (7)控制设备老化缓解方法与实施技术研究。研究老化缓解方法,实施必要的缓解措施来消除老化效应的影响,制定具体的设备老化管理方法,确立“老化控制”计划,制定维修和更换策略。
       研究缓解设备老化降质的实施方法(包括老化元器件更换、备件更换、检查诊断、替代改造);研究改善设备老化降质的运行条件及环境方法,在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。在设备替代和改造过程中,研究在材料和设计方面应考虑的因素,以便控制或减少老化降质风险。
       (8)控制设备老化评估研究。为进行有效的老化管理和实施,根据老化认知建立设备老化检测方法、技术和规范,以对老化管理实施的有效性进行评价,并根据反馈不断提高老化认知,完善老化检测方法并改进老化缓解措施,以此评估和控制设备老化状态。研究老化评估的方法、模型、老化评估过程和评估的标准。
       三、项目实现功能
       核电厂控制设备可靠性及老化检测项目通过对标国外核电厂控制设备可靠性管理及国内相关研究部门和同行,汲取先进的技术,建设功能、性能、技术更全面更优异的核电站控制设备可靠性及老化检测平台。该项目借鉴了国内外成熟先进的检测技术和标准,并采纳了美国INPO反馈的经验和思路,研发核电站控制设备可靠性及老化检测的技术平台,建立用于核电站的可靠性检测标准和技术规范,实现核电站控制设备/板件的老化诊断/测试管理,提高核电站运行设备和备件的可靠性检测维修水平,从而提升机组安全运行业绩。
       使用开发的控制设备可靠性及老化检测技术平台,能够实现对控制设备老化监测评估,诊断控制设备元器件参数偏差或性能衰退老化趋势,在板件出现故障前能及时更换偏差的元器件,实施有效设备可靠性管理,解决控制设备老化和寿命管理问题;控制设备烤机检测系统解决板件装入在线系统前可靠性问题,实现了核级控制设备维修及再鉴定,并可以验证国产化及替代设备的可靠性;开展了失效分析,提出相应维修策略改进建议。
       1.控制设备可靠性及老化检测项目实现以下功能:控制设备可靠性管理,定期检测核电站在线运行的设备,判别是否出现偏差或衰退、设备可靠性是否符合标准要求,并做相应的维修处理。定期检测核电站在线运行的设备,判别是否出现偏差或衰退;控制设备可靠性超过标准要求时,对其进行维修处理;控制设备元器件及设备整体参数性能检测;设备更换元器件维修后再鉴定。
       2.全面老化诊断、老化评估管理。老化衰退诊断(参数、特性变化);老化检测及老化状态评估;老化处理后再鉴定。
       3.备件管理:检测、筛选备件,淘汰早期故障的备件;备件批次鉴定;备件品质筛选。
       4.三级维修:电路板的故障检查;故障电路板的维修。
       5.失效原因分析:故障原因查找;失效原因分析;制定维修策略方法。
       6.国产化设备可靠性烤机验证:国产化设备功能的对比验证;国产化设备的烤机试验。
       四、项目成果及应用情况
       1.取得的主要成果——硬件平台建设:
       (1)研发建成以下控制设备可靠性及老化检测平台。核电站MID电路板在线诊断检测系统。MID检测系统,可在不拆下电子元器件情况下,无损精确检测电路板上元器件特征参数,判断电子元器件性能及老化趋势。
       (2)安全级电路板烤机系统。电路板功能验证及整体性能检测烤机,可用于新备件烤机筛选、翻新维修后板件验证及失效分析。
       (3)通用模拟板件烤机系统。具备电路板功能验证和整体性能检测及烤机能力,适用于任何类型的模拟板件烤机。
       (4)核电站继电器可靠性检测系统。能够检测电磁继电器10多种电性能参数,及继电器整体性能测试和功能验证,确保继电器备件可靠性。能够判断继电器性能是否满足厂家技术规范,进行老化趋势跟踪及分析。可用于新备件验收、备件更换前烤机筛选、运行设备老化评估和失效分析。
       (5)核电站熔断器可靠性检测系统。检测熔断器性能参数及老化特性,如:冷态电阻、电压降、时间电流特性、温升曲线、耐久/冲击试验等,对熔断器进行检测烤机,筛选合格/优质熔断器。可用于新备件验收、备件更换前烤机筛选、运行设备老化评估和失效分析。
       (6)核电站电源可靠性检测系统。能够检测电源各种电性能参数,及电源体性能测试和功能验证。能够判断电源性能是否满足厂家技术规范,进行老化趋势跟踪及分析。可用于新备件验收、备件更换前烤机筛选、运行设备老化评估和失效分析。
       (7)电子元器件可靠性检测系统。建立电子元器件检测系统,进行分立电子元器件及集成电路等混合信号器件的检测和筛选,分析失效或降级的元器件。
       2.标准编写。
       负责编写以下国家标准和能源行业标准:GB/T 29038-2012核电厂安全重要仪表及控制系统老化管理要求;核电站仪表和控制设备可靠性及老化检测标准(能源2011H020);核电站仪表和控制设备可靠性及老化检测标准-1(电磁继电器);核电站仪表和控制设备可靠性及老化检测标准-2(熔断器);核电站仪表和控制设备可靠性及老化检测标准-3(电源);核电站仪表和控制设备可靠性及老化检测标准-4(电路板); 核电站仪表和控制设备老化管理及实施标准(能源2011H021)。
       3.专利申请。
       已完成11项专利申请,其中发明专利6项,实用新型专利5项:核电站电路板件检测方法(发明)201110418236.3;核电站贝雷板件可靠性检测系统和方法(发明)201110418034.9;核电站电源检测系统和方法(发明)201110417986.9;核电站小型熔断器检测方法(发明)201110417049.3;核电站继电器的检测方法(发明)201110417969.5;核电站通用模拟量板件检测系统和方法(发明)201110417173.X;用于核电站贝雷板件可靠性检测装置(实用新型)201120522918.4;核电站电源可靠性检测装置(实用新型)201120522852.9;用于核电站小型熔断器可靠性的检测装置(实用新型)201120521932.2;核电站继电器检测装置(实用新型)201120521978.4;用于核电站通用模拟量板件的检测装置(实用新型)201120522061.6。5项实用新型专利已获得授权证书。
       总之,通过控制设备可靠性及老化检测项目的实施,设备故障率逐步降低,大亚湾核电基地6台机组CCM(关键敏感)设备故障总数从2006年的33起下降至2013年1起(统计至2013年7月份),2008年7月后没有发生控制设备故障引发的跳机跳堆事件。通过对控制设备进行可靠性检测及老化检测和处理,切实提高了设备运行的可靠性,同时积累了丰富的设备老化管理经验。
       五、应用前景
       核电厂控制设备可靠性及老化检测项目具有广阔应用前景:所有开发的检测平台、技术及标准可用于中广核集团多基地,并可逐步推广到国内其它核电厂;MID板件诊断检测平台通过开发,可应用到二代加和三代核电站的数字化板件以及DCS相应板件的检测诊断;核电厂控制设备可靠性及老化检测行业标准适用于国内核电厂仪控设备可靠性及老化管理。

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