井下甚寬頻帶地震儀可靠性測(cè)試研究進(jìn)展＊

陳 潔 羅敏哲 李 麗 趙圣麟 龐錦標(biāo)

1) 珠海市泰德企業(yè)有限公司，廣東珠海 519082

2) 中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

進(jìn)入21世紀(jì)以后，與產(chǎn)品可靠性相關(guān)的產(chǎn)品維修性、測(cè)試性和綜合保障技術(shù)也越來越受到重視并得到發(fā)展。出現(xiàn)了以可靠性為核心的維修理論（RCM），可分別對(duì)產(chǎn)品電器系統(tǒng)和非電系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和檢測(cè)的BIT及HAMP系統(tǒng)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和提高營(yíng)運(yùn)效益為目標(biāo)的產(chǎn)品健康監(jiān)控技術(shù)等。隨著可靠性技術(shù)的發(fā)展和推廣，近年來在地震儀研制中也開始應(yīng)用可靠性設(shè)計(jì)理論。在井下甚寬頻帶地震儀研發(fā)中，搭建高溫高壓試驗(yàn)和測(cè)試環(huán)境、大傾角試驗(yàn)和測(cè)試環(huán)境，進(jìn)行了系統(tǒng)的高溫下儀器可靠性測(cè)試，提高了儀器的環(huán)境適應(yīng)性。

地震儀是一個(gè)結(jié)構(gòu)龐大、內(nèi)部機(jī)理比較復(fù)雜的子系統(tǒng)。一臺(tái)井下地震儀其內(nèi)部電子元件數(shù)多達(dá)3萬(wàn)個(gè)以上，各類連接點(diǎn)、插接件的連接點(diǎn)及焊接點(diǎn)數(shù)多達(dá)10萬(wàn)個(gè)[1]。在這樣復(fù)雜的系統(tǒng)中，每個(gè)元件的故障都可能會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的故障。因而，這就要求儀器的設(shè)計(jì)者對(duì)系統(tǒng)所應(yīng)使用的元器件、原材料和加工工藝提出嚴(yán)格的要求，同時(shí)還應(yīng)合理地考慮系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)，只有這樣才能研制生產(chǎn)出可靠性好的儀器來。井下地震儀的可靠性是指儀器隨著時(shí)間的變化保持自身工作能力的性能。這是一種綜合性能，從概念上講，包括了儀器無故障性和儀器耐久性這兩種情況。儀器的無故障性是指儀器在某一段時(shí)間內(nèi)（或某一段實(shí)際工作時(shí)間內(nèi)）連續(xù)不斷地保持其工作能力的性能；儀器的耐久性是指儀器在達(dá)到極限狀態(tài)之前保持其工作能力的性能，即在整個(gè)使用期間和規(guī)定的維護(hù)保養(yǎng)及修理制度條件下，儀器保持工作能力的性能[1]。

1 可靠性測(cè)試平臺(tái)搭建

可靠性試驗(yàn)是通過施加典型環(huán)境應(yīng)力和工作載荷的方式，用于剔除產(chǎn)品早期缺陷、增長(zhǎng)或測(cè)試產(chǎn)品可靠性水平、檢驗(yàn)產(chǎn)品可靠性指標(biāo)、評(píng)估產(chǎn)品壽命指標(biāo)的一種有效手段[2]。井下地震儀可靠性測(cè)試采取實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和外場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方式。為此，建設(shè)場(chǎng)外試驗(yàn)觀測(cè)井1口（圖1），地下比測(cè)實(shí)驗(yàn)室1間（圖2—3），高溫高壓試驗(yàn)平臺(tái)1個(gè)（圖4）。

圖2 地下比測(cè)實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Illustration graph of underground comparison chamber

1.1 試驗(yàn)觀測(cè)井

試驗(yàn)觀測(cè)淺井2016年下半年開始建設(shè)，當(dāng)年12月完工。

觀測(cè)井實(shí)際鉆孔開孔直徑為Φ171 mm，終孔為Φ150 mm，終孔深度為110.25 m，最大傾斜度為1.8°，建設(shè)地點(diǎn)為珠海泰德公司（圖1）。

圖1 試驗(yàn)觀測(cè)井Fig. 1 Experiment and observation borehole

1.2 地下比測(cè)實(shí)驗(yàn)室

地下比測(cè)實(shí)驗(yàn)室建于2017年，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。建成后的地下比測(cè)實(shí)驗(yàn)室如圖3。

圖3 地下比測(cè)室完工照Fig. 3 Completion status of underground comparison chamber

1.3 高溫高壓試驗(yàn)平臺(tái)

高溫高壓試驗(yàn)平臺(tái)由高壓艙（圖4）、高壓罐（圖5）、高低溫試驗(yàn)箱（圖6）和鹽霧試驗(yàn)平臺(tái)（圖7）等構(gòu)成。

圖4 高溫高壓試驗(yàn)平臺(tái)Fig. 4 High temperature/pressure experiment platform

圖5 高壓罐結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5 Illustration graph of high pressure vessel

圖6 高低溫（-40℃—150℃） 與老化試驗(yàn)箱Fig. 6 High/low tempreture （-40℃—150℃） and aging test cabinet

圖7 鹽霧試驗(yàn)平臺(tái)Fig. 7 Saline fog environments experiment platform

2 可靠性和環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

2.1 模擬環(huán)境驗(yàn)證

根據(jù)井下環(huán)境特點(diǎn)，依據(jù)GB/T2423系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)施流程見圖8，模擬環(huán)境驗(yàn)證選取項(xiàng)目有高壓（圖9）、溫度循環(huán)、沖擊、振動(dòng)、濕熱、鹽霧測(cè)試等。

圖8 環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)流程Fig. 8 Process graph of environmental adaptability verification test

圖9 井下甚寬頻帶地震儀耐壓測(cè)試Fig. 9 Pressure test of downhole very broadband seismograph

2.2 野外試驗(yàn)驗(yàn)證

2019年12月，項(xiàng)目組在湖南省益陽(yáng)市赫山會(huì)龍山基準(zhǔn)站觀測(cè)井內(nèi)，部署了井下甚寬頻帶地震儀，進(jìn)行平均失效間隔時(shí)間測(cè)試。測(cè)試時(shí)間為2020年1月1日—12月31日，累計(jì)連續(xù)時(shí)間9 312小時(shí)。此期間地震儀工作正常，無故障間斷，并清晰記錄了同時(shí)段的大多數(shù)地震。測(cè)試數(shù)據(jù)以天為單位存儲(chǔ)，共366個(gè)文件（圖10）。

圖10 數(shù)據(jù)文件總數(shù)及起始文件Fig. 10 Number of data files and the starter file

從測(cè)試過程及數(shù)據(jù)文件可得出，總工作時(shí)長(zhǎng)為9 312小時(shí)，期間無故障，因此，MTBF=9 312＞5 000小時(shí)，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

測(cè)試期間記錄到四川成都地震（圖11）、蒙古地震（圖12）等地震的波形，震相清晰、完整。

圖11 成都市青白江區(qū)M5.1地震波形Fig. 11 M5.1 seismic waveform in Qingbaijiang District，Chengdu

圖12 蒙古M5.9地震波形Fig. 12 M5.9 seismic waveform in Mongolian