2017遠(yuǎn)東論文精選：核電站安全殼監(jiān)檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及探討

核電站資料圖

安全殼是核電廠反應(yīng)堆主廠房的圍護結(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)行維護處理，是核電廠的重要工作。

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。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。

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，安全殼檢查包括一系列的結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測項目，主要有：鋼襯脫空檢測、混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測、結(jié)構(gòu)強度檢測、預(yù)應(yīng)力孔道注漿密實度檢測、有效預(yù)應(yīng)力檢測、整體性試驗、老化檢測等重要方面。

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)變化示意如下圖所示。

脫空振動時參數(shù)變化示意

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。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）彈性波計算機斷層掃描(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算機斷層掃描是很難實現(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，實施難度小，是一種應(yīng)用于安全殼脫空檢測的好方法。其檢測原理示意如下圖所示：

鋼管混凝土脫空CT檢測原理示意

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)在竣工后一兩年內(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)是其軸心抗壓強度和彈性模量。其中，軸心抗壓強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。但對于實體結(jié)構(gòu)，難以直接測試其強度。

混凝土的彈性模量決定了結(jié)構(gòu)的變形特性，而且其與強度、耐久性均有密切的關(guān)系。特別是其可通過無損檢測方法測得，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，從而計算出混凝土的彈性模量，進(jìn)而推算混凝土的強度指標(biāo)。該方法也被稱為“沖擊回波法”，具有測試效率高、測試結(jié)果客觀性強的特點，可優(yōu)先采用。各種方法的優(yōu)缺點如下：

l  沖擊回波法：

優(yōu)點：測試效率高、精度好要求

缺點：壁厚既知、面積較大

條件滿足時優(yōu)先選用

l  單面?zhèn)鞑シ?/div>

優(yōu)點：在壁厚未知時也可測試，受表面狀態(tài)影響較小

缺點：測試效率低，精度稍差

在壁厚較薄，且表面面積小時選用

l  雙面透過法

優(yōu)點：測試范圍廣、精度高要求

缺點：雙面作業(yè)、且測試面間距不少于0.5m

條件滿足時優(yōu)先選用

l  表面波法

優(yōu)點：測試效率高、精度較好

缺點：要求厚度一般在0.5m以上，且表面面積大

在大壩、隧道襯砌中常用

（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。下圖為沖擊回波法測試方法與結(jié)果示例。

沖擊回波測試方法和結(jié)果示例

3 預(yù)應(yīng)力狀態(tài)檢測

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在運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：

l  全長衰減法(FLEA)

優(yōu)點：測試原理明確，對灌漿缺陷較為敏感

缺點：測試結(jié)果離散性較大，影響因素多

l  全長波速法(FLPV)

優(yōu)點：測試結(jié)果較為穩(wěn)定，適合測試大范圍缺陷

缺點：測試原理不嚴(yán)密，對缺陷較為鈍感

l  傳遞函數(shù)法(PFTF)

優(yōu)點：能夠測試錨頭附近的灌漿缺陷，解析方便

缺點：測試范圍較小

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)。

這三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，通常采用拐點法來判斷錨下預(yù)應(yīng)力初值。

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。

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。

核電站安全殼監(jiān)測系統(tǒng)

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)計時都經(jīng)過充分的理論計算和分析，但由于材料使用、施工工藝、施工質(zhì)量和維修養(yǎng)護等因素，安全殼結(jié)構(gòu)的實際承載能力都可能低于設(shè)計預(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。

由于監(jiān)測項目眾多，項目實施難度大，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)測人員工作強度大的問題尤為突出。

國外核電發(fā)展較早，無論是核電運營還是監(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，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年的歷史，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：監(jiān)測項目眾多，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；采用實時數(shù)據(jù)傳輸，可遠(yuǎn)程監(jiān)測。

然而，在實際的工程應(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，但在實際應(yīng)用中難以得到普及和推廣。

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，其工作流程和傳感器及激振裝置安裝示意如下圖所示。

彈性模量的安全殼監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

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、成本大幅降低，系統(tǒng)簡單、可靠性好，分辨力高等優(yōu)點。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，實現(xiàn)了更高的自動化水平。

結(jié)語

目前，核電站安全殼監(jiān)檢測項目已經(jīng)基本確定，我國的安全殼檢測項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目的研究越來越多，相信不久之后會取得重大突破，這些項目的技術(shù)突破將對安全殼整體性能評價產(chǎn)生重要意義。

本文作者：華雄飛，碩士，工程師，在中廣核檢測技術(shù)有限公司蘇州分公司主要從事核電站役前、在役無損檢測工作。

來源：《無損檢測》2017年第39卷第10期“2017遠(yuǎn)東無損檢測新技術(shù)論壇論文精選”