核電站安全殼監(jiān)檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及探討

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(中廣核檢測技術(shù)有限公司蘇州分公司，蘇州 215021)

核電站安全殼監(jiān)檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及探討

華雄飛，張松，梅義俊

(中廣核檢測技術(shù)有限公司蘇州分公司，蘇州215021)

介紹了核電站安全殼監(jiān)檢測技術(shù)的現(xiàn)狀，同時對國內(nèi)外的安全殼檢測技術(shù)進(jìn)行充分對比，探討了安全殼監(jiān)檢測系統(tǒng)的搭建，對安全殼檢查的關(guān)鍵指標(biāo)和檢查方法做了探索與可行性分析，對安全殼檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定提出了建議和展望，為建立完整的核電站安全殼檢測及自動化監(jiān)測系統(tǒng)提供支撐。

安全殼;檢測技術(shù);監(jiān)測系統(tǒng);發(fā)展現(xiàn)狀

安全殼是核電廠反應(yīng)堆主廠房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，包容了反應(yīng)堆壓力容器、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主管道、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器、主泵以及部分輔助系統(tǒng)和專設(shè)安全設(shè)施系統(tǒng)。核電站安全殼結(jié)構(gòu)是核反應(yīng)堆的保護(hù)結(jié)構(gòu)，是繼核燃料包殼、一回路壓力邊界之后的最后一道安全屏障。在核電站的運(yùn)行過程中，安全殼的健康狀況會在內(nèi)、外荷載，以及環(huán)境侵蝕的作用下逐步降低,如預(yù)應(yīng)力松弛、混凝土老化等會使得安全殼的抗力下降。有效、準(zhǔn)確、快速地監(jiān)測、檢測、評估安全殼的健康狀態(tài)，及時地對安全殼進(jìn)行維護(hù)處理，是核電廠的重要工作[1]。核電站安全殼分為單層和雙層，目前我國核電廠主流安全殼為帶有密封鋼襯里的圓筒形預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼[2]。由于我國安全殼形式彼此間存在差異，檢測方法多樣，標(biāo)準(zhǔn)也未作統(tǒng)一要求，故和國外相比，檢測技術(shù)更復(fù)雜、技術(shù)指標(biāo)要求更高。

1 安全殼檢測技術(shù)和對比

針對國內(nèi)外核電站安全殼檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及其自身的特點(diǎn)，安全殼檢查包括一系列的結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測項(xiàng)目，主要有：鋼襯脫空檢測、混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測、預(yù)應(yīng)力孔道注漿密實(shí)度檢測、有效預(yù)應(yīng)力檢測、整體性試驗(yàn)、老化檢測等重要方面。

1.1脫空檢測

脫空，是指在結(jié)構(gòu)中或者結(jié)構(gòu)面間產(chǎn)生了空隙。由于空隙的產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的傳遞被隔斷，結(jié)構(gòu)的整體性能被削弱，從而產(chǎn)生安全隱患。安全殼主要表現(xiàn)為鋼襯里和混凝土主體結(jié)構(gòu)的脫空。安全殼脫空檢測主要有以下幾種可行的方法。

(1) 振動法

混凝土結(jié)構(gòu)表面受到錘擊時，表面會發(fā)生振動。該振動還會壓縮/拉伸空氣形成聲波，此時可用傳感器直接拾取結(jié)構(gòu)表面的振動信號。通常，在產(chǎn)生脫空的部位，振動特性會發(fā)生以下變化：彎曲剛度顯著降低，卓越周期增長；彈性波能量的逸散變緩，振動的持續(xù)時間變長。脫空振動時參數(shù)變化示意如圖1所示。

圖1 脫空振動時參數(shù)變化示意

根據(jù)脫空的面積、厚度等參數(shù)，其卓越頻率fk可按下式估算。

式中：h為脫空厚度；D為脫空區(qū)域的等效直徑；E為混凝土彈性模量；ρ為混凝土密度；μ為混凝土黏度系數(shù)；Rk為各模態(tài)的特征值。

由式(1)可知，不同的激振錘會誘發(fā)不同的模態(tài)，其卓越頻率也會發(fā)生很大的變化。一般來說，小激振錘可以誘發(fā)高階模態(tài)，而大的激振錘則相反。對于深的脫空， 應(yīng)當(dāng)采用較大的激振錘。這就是振動法的工作原理，該方法簡單易操作，應(yīng)用于安全殼脫空檢測具有很好的效果。

(2) 彈性波計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)

對于可以對測的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，CT 也是一個可行的方法，但對于核電站安全殼檢測，對混凝土及鋼襯里使用計(jì)算機(jī)斷層掃描是很難實(shí)現(xiàn)的。沿鋼管的徑向布置測線時，盡管鋼管的波速快于混凝土中的波速(約20%)，但直線徑路的距離較沿鋼管傳播的距離約短1/3，因此沿徑線傳播的彈性波最先到達(dá)。另一方面，當(dāng)經(jīng)過脫空時，其傳播時間顯然要增加，這種方法原理簡單，可行性強(qiáng)，實(shí)施難度小，是一種應(yīng)用于安全殼脫空檢測的好方法。其檢測原理示意如圖2所示。

圖2 鋼管混凝土脫空CT檢測原理示意

1.2混凝土質(zhì)量檢測

在安全殼檢測中，混凝土質(zhì)量是非常重要的，直接影響到安全殼的使用壽命。由于各種原因(如干燥收縮、溫度應(yīng)力、外荷載、基礎(chǔ)變形等)，裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的缺陷或損傷現(xiàn)象。由于裂縫的成因、狀態(tài)、發(fā)展以及在結(jié)構(gòu)中的位置等的不同，對結(jié)構(gòu)的危害性也有很大的區(qū)別。嚴(yán)重的裂縫可能危害結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，對結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行產(chǎn)生很大影響。此外，根據(jù)大量的觀測資料，在混凝土結(jié)構(gòu)物中出現(xiàn)的裂縫，大多數(shù)在竣工后1～2 a內(nèi)已產(chǎn)生。如果這些裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài)，其對結(jié)構(gòu)的影響要小得多。

(1) 彈性模量法

評價混凝土質(zhì)量的指標(biāo)有很多，但最重要的指標(biāo)是其軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量。其中，軸心抗壓強(qiáng)度一般采用立方體標(biāo)準(zhǔn)試件測得，測試方法較為簡單，目前的應(yīng)用最為廣泛。但對于實(shí)體結(jié)構(gòu)，難以直接測試其強(qiáng)度。

混凝土的彈性模量決定了結(jié)構(gòu)的變形特性，而且其與強(qiáng)度、耐久性均有密切的關(guān)系。特別是其可通過無損檢測的方法測得，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

在被測混凝土結(jié)構(gòu)的壁厚既知的前提下，利用彈性波的重復(fù)反射，可測出彈性波在被測混凝土試件中的傳播時間和波速，從而計(jì)算出混凝土的彈性模量，進(jìn)而推算混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)。該方法也稱“沖擊回波法”，具有測試效率高、測試結(jié)果客觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，可優(yōu)先采用。各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 混凝土結(jié)構(gòu)彈性模量測試方法比較

(2) 沖擊回波法

與振動法測試相似，沿測試對象表面連續(xù)激發(fā)彈性波信號，信號在遇到空洞、脫空面等疏松介質(zhì)時會產(chǎn)生反射。通過抽取該反射信號并進(jìn)行相應(yīng)處理，即可識別結(jié)構(gòu)缺陷的有無及深度位置。當(dāng)激發(fā)的彈性波遇到缺陷時，如果界面完全脫開，則反射率可按下式表示。

式中：z1為結(jié)構(gòu)中的機(jī)械阻抗；z2為脫空面的機(jī)械阻抗。

當(dāng)脫空缺陷的兩面不接觸，且脫空面積較大時，z1/z2≈0 。因此，有R≈1，即激發(fā)的信號完全反射。 圖3為沖擊回波法測試方法與結(jié)果示例。

圖3 沖擊回波測試方法和結(jié)果示例

1.3預(yù)應(yīng)力狀態(tài)檢測

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在運(yùn)行的過程中，不可避免地會出現(xiàn)各種老化、劣化現(xiàn)象(如混凝土強(qiáng)度降低，預(yù)應(yīng)力損失等)。同時，在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的制作中，預(yù)應(yīng)力張力的損失也時有發(fā)生，嚴(yán)重時甚至造成坍塌等惡性事故。因此，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)檢測具有重要意義。一般可以用預(yù)應(yīng)力注漿密度和有效預(yù)應(yīng)力兩個指標(biāo)進(jìn)行評價。

(1) 預(yù)應(yīng)力注漿密度檢測

一般預(yù)應(yīng)力注漿密度檢測是通過彈性波的透過、反射等特性，對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的灌漿密實(shí)度進(jìn)行定性檢測和定位檢測的。

定性檢測是通過露在兩端表面的錨頭/鋼絞線，在一端激發(fā)信號，另一端接收信號進(jìn)行的。其通過分析在傳播過程中信號的能量、頻率、波速等參數(shù)的變化，對整個鋼絞線的灌漿密實(shí)度加以分析，從而定性地判斷該灌漿質(zhì)量的優(yōu)劣。定性測試方法包括全長衰減法(FLEA)、全長波速法(FLPV)、傳遞函數(shù)法(PFTF)、波形特征對比法。各方法優(yōu)缺點(diǎn)比較如表2所示。

表2 灌漿密實(shí)度定性測試方法比較

定位檢測是基于沖擊回波法(IE 法)，通過側(cè)壁或者頂(底)面激振、接受的方式，對灌漿缺陷的位置、規(guī)模等進(jìn)行定位測試的技術(shù)。其測試方法主要有改進(jìn)型IE法、等效波速法(IEEV)、共振偏移法(IERS)。這3種方法均采用同一數(shù)據(jù)和同一頻譜分析，僅在云圖判讀上有所不同。一般而言，IE法是基礎(chǔ)，各種狀況均適用；IEEV法適合于壁厚較小，底部反射明顯的情況；而IERS法則相反，適合于壁厚較大，底部反射不明顯的情況。IEEV法測試精度高，但相對速度較慢；測試精度與壁厚/孔徑比有關(guān)，壁厚/孔徑比越小，測試精度越高；當(dāng)邊界條件復(fù)雜(拐角處)或測試面有斜角時，測試精度會受較大的影響。上述方法都是預(yù)應(yīng)力混凝土檢測的重要手段，應(yīng)用于安全殼預(yù)應(yīng)力的檢測具有良好的實(shí)踐基礎(chǔ)和理論支持。

(2) 有效預(yù)應(yīng)力的檢測

反拉法應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力檢查時，是對具有自由端及拉拔條件的錨下預(yù)應(yīng)力最為可靠的檢測方法。測試時，對露在安全殼混凝土外的鋼絞線進(jìn)行整體或者單根張拉，同時測試張拉力和鋼絞線伸長量，也可以對錨頭本身進(jìn)行拉拔。在拉拔力小于原有有效預(yù)應(yīng)力時，夾片對鋼絞線有緊固作用，能夠自由伸長的鋼絞線為露出的自由長度；在拉拔力超過原有有效預(yù)應(yīng)力時，錨頭與夾片脫開，能夠自由伸長的鋼絞線除了露出的自由長度以外，一部分位于錨下的鋼絞線也參與張拉。此時，自由伸長的鋼絞線長度就會有較明顯的增加。另一方面，夾片本身也會隨著鋼絞線的伸長而產(chǎn)生向外的位移。因此，通過測量拉拔力-鋼絞線或者夾片的位移關(guān)系，即可推算錨下的有效預(yù)應(yīng)力。反拉檢測時，通過測試反拉過程中索體的荷載-位移變化特征，可分析判斷錨下的預(yù)應(yīng)力，反拉荷載-位移曲線如圖4所示。通常采用拐點(diǎn)法來判斷錨下預(yù)應(yīng)力初值。

圖4 反拉荷載-位移曲線

采用等效質(zhì)量法進(jìn)行埋入式預(yù)應(yīng)力測試時，是通過對錨頭激振并測試錨頭的振動響應(yīng)，來推算埋入式錨索/桿的張力的。其利用激振錘(力錘)敲擊錨頭，并通過粘貼在錨頭上的傳感器拾取錨頭的振動響應(yīng)，從而能夠快速、簡單地測試錨索(桿)的現(xiàn)有張力。

錨索的張力T與其第N階橫向自振頻率fN的關(guān)系可按下式表示。

式中：M為振動體系的質(zhì)量；L為錨索自由部分的長度(計(jì)算長度，略短于實(shí)際長度)；ρ為錨索的線密度，即單位長度的質(zhì)量；EI為錨索的抗彎剛度，E為彈性模量；I為截面慣性矩。

等效質(zhì)量法適用于已進(jìn)行注漿但錨頭露出的情況下的錨下有效預(yù)應(yīng)力檢測，該方法相對反拉法精度偏低。

2 核電站安全殼監(jiān)測系統(tǒng)

2.1監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

監(jiān)測核電站安全殼結(jié)構(gòu)的完整性是整個電站服役過程中的重要保障，雖然設(shè)計(jì)時都經(jīng)過充分的理論計(jì)算和分析，但由于材料使用、施工工藝、施工質(zhì)量和維修養(yǎng)護(hù)等因素，安全殼結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力都可能低于設(shè)計(jì)預(yù)期；安全殼筒體和穹頂結(jié)構(gòu)為保證不開裂都采用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)，預(yù)應(yīng)力水平的高低直接決定了安全殼事故下的安全裕度；理論上在服役晚期，由于預(yù)應(yīng)力水平的持續(xù)降低、安全殼結(jié)構(gòu)的老化、使用維護(hù)不當(dāng)?shù)仍颍踩珰ご穗A段的結(jié)構(gòu)安全性能最低，如何保證此期間的安全殼仍能滿足完整性要求，甚至在延長使用壽命的情況下滿足完整性要求，都需要監(jiān)測系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)從而進(jìn)行評價[3]。

由于監(jiān)測項(xiàng)目眾多，項(xiàng)目實(shí)施難度大，最終搭建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以目前針對核電站安全殼的整體監(jiān)測系統(tǒng)處于一個單指標(biāo)，自動化水平低，數(shù)據(jù)不精確的現(xiàn)狀。很多重要數(shù)據(jù)都需要人工測量，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確以及監(jiān)測人員工作強(qiáng)度大的問題尤為突出。

國外核電發(fā)展較早，無論是核電運(yùn)營還是監(jiān)測,以及安全評估技術(shù)上均具有先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，并且已經(jīng)制訂了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。尤其是在核電站耐久性評估和老化管理方面進(jìn)行了較早的研究并取得了突出的成績，而國內(nèi)在這方面的研究還很欠缺。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)引入我國已有近20 a的歷史，在許多特大型結(jié)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)上都嘗試性地安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：監(jiān)測項(xiàng)目眾多，一般有溫度、振動、變形、應(yīng)變(以及推算的應(yīng)力),以及環(huán)境變量，如風(fēng)速、雨量等參量，特別地還有拉索張力、鋼筋銹蝕等參量；采用實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸，可遠(yuǎn)程監(jiān)測。

然而，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，這些監(jiān)測技術(shù)存在的主要問題有：

(1) 成本高昂。

(2) 系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性差：由于追求大而全，監(jiān)測系統(tǒng)往往過于復(fù)雜。一個典型的監(jiān)測系統(tǒng)常包括數(shù)十個子系統(tǒng)，使用數(shù)十種甚至上百種傳感器。面面俱到的同時，不僅增加了系統(tǒng)成本，而且還嚴(yán)重地降低了系統(tǒng)的可靠性。

(3) 缺乏標(biāo)定手段、耐久性差：由于種種原因，傳感器不僅壽命較短，而且在使用過程中會出現(xiàn)漂移等問題，嚴(yán)重影響了監(jiān)測系統(tǒng)的耐久性。特別是缺乏對監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)定手段，使得這一問題一直得不到有效解決。

因此，傳統(tǒng)的結(jié)果健康監(jiān)測技術(shù)盡管具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中難以得到普及和推廣。

2.2安全殼監(jiān)測系統(tǒng)

通過對安全殼中傳播的沖擊彈性波波速進(jìn)行連續(xù)、精確地監(jiān)測，根據(jù)推算的混凝土彈性模量變化狀況來監(jiān)測混凝土老化以及預(yù)應(yīng)力損失、鋼筋銹蝕等影響結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的主要參數(shù)，從而達(dá)到對安全殼健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的目的。

基于彈性模量的安全殼監(jiān)測系統(tǒng)主要由信號激振及測試系統(tǒng)、彈模分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成，其工作流程如圖5所示，傳感器及激振裝置安裝示意如圖6所示。

圖5 彈性模量的安全殼監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

圖6 傳感器及激振裝置安裝示意

典型的監(jiān)測系統(tǒng)主要由激振及傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)4部分組成。并且具有針對性強(qiáng)、成本大幅降低,系統(tǒng)簡單、可靠性好，分辨力高等優(yōu)點(diǎn)。這是一種普遍的監(jiān)測系統(tǒng)方式，具備了監(jiān)測系統(tǒng)所必須的基本部分，未來監(jiān)測系統(tǒng)的搭建基本符合這種檢測模型的方式，并在監(jiān)測的數(shù)據(jù)量和種類上有所突破，實(shí)現(xiàn)了更高的自動化水平。

3 結(jié)語

目前，核電站安全殼監(jiān)檢測項(xiàng)目已經(jīng)基本確定，我國的安全殼檢測項(xiàng)目和國際上基本保持一致。但是由于我國核電較發(fā)達(dá)國家起步較晚，相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)還不成熟，甚至有些標(biāo)準(zhǔn)還處于參考國際標(biāo)準(zhǔn)的階段，沒有形成自己的標(biāo)準(zhǔn)，許多方面都亟待突破。

各科研單位都在加緊制定安全殼檢測的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，在參考國外標(biāo)準(zhǔn)的同時應(yīng)該充分了解我國核電的發(fā)展現(xiàn)狀，起到充分的指導(dǎo)和參考作用。標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮到檢測和監(jiān)測的各方面，做到較高的覆蓋性，對多種檢測方法起到規(guī)范作用。

安全殼狀態(tài)監(jiān)檢測技術(shù)已引起越來越多的重視。目前對安全殼裂縫的篩選、裂縫演變的評價技術(shù)，鋼襯里空鼓變形評價技術(shù)，安全殼結(jié)構(gòu)整體性能評價技術(shù)，時限老化分析(TLAA)、預(yù)應(yīng)力下降、鋼襯里和貫穿件疲勞等項(xiàng)目的研究越來越多，相信不久之后會取得重大突破，這些項(xiàng)目的技術(shù)突破將對安全殼整體性能評價產(chǎn)生重要意義。

[1] 林誠格，劉志弢，趙瑞昌.壓水堆失水事故最佳估算方法研究[J].北京核安全，2010(1):1-12.

[2] 丁紅麗，徐秉業(yè)，范欽珊.安全殼鋼襯的初始后屈服曲分析[J].工程力學(xué),1996,13(2):43-49.

[3] 張際斌，林松濤.核電站安全殼結(jié)構(gòu)檢測評估技術(shù)綜述[J] .工業(yè)建筑，2014, 44(Z1):1007-1010.

DevelopmentStatusandDiscussionofMonitoringTechnologyfortheSafetyShellinNuclearPowerStation

HUAXiongfei,ZHANGSong,MEIYijun

(CGNPCInspectionTechnologyCo.,Ltd.,Suzhou215021,China)

This paper introduces the status of nuclear power plant containment detection technology. At the same time, the domestic and foreign security shell detection technology is fully compared. The key indicators and inspection methods of the containment inspection are explored and analyzed feasibly, and the development of the safety shell detection standards are proposed and prospected, which provides a strong support for the establishment of a complete nuclear power safety shell detection and automation monitoring system.

containment; detection technology; monitoring system; development status

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0028-05

2017-06-25

華雄飛(1985-)，男，碩士，工程師,主要從事核電站役前、在役無損檢測工作

華雄飛，huaxiongfei2006@163.com

10.11973/wsjc201710007