2017遠(yuǎn)東論文精選：核電站安全殼監(jiān)檢測(cè)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(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(guò)程中，安全殼的健康狀況會(huì)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(huì)使得安全殼的抗力下降。有效、準(zhǔn)確、快速地監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、評(píng)估安全殼的健康狀態(tài)，及時(shí)地對(duì)安全殼進(jìn)行維護(hù)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(guó)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(guó)安全殼形式彼此間存在差異，檢測(cè)方法多樣，標(biāo)準(zhǔn)也未作統(tǒng)一要求，故和國(guó)外相比，檢測(cè)技術(shù)更復(fù)雜、技術(shù)指標(biāo)要求更高。

安全殼檢測(cè)技術(shù)和對(duì)比

針對(duì)國(guó)內(nèi)外核電站安全殼檢測(cè)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(cè)項(xiàng)目，主要有：鋼襯脫空檢測(cè)、混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)、預(yù)應(yīng)力孔道注漿密實(shí)度檢測(cè)、有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)、整體性試驗(yàn)、老化檢測(cè)等重要方面。

1 脫空檢測(cè)

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(cè)主要有以下幾種可行的方法：

（1）振動(dòng)法

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

脫空振動(dòng)時(shí)參數(shù)變化示意

不同的激振錘會(huì)誘發(fā)不同的模態(tài)，其卓越頻率也會(huì)發(fā)生很大的變化。一般來(lái)說(shuō)，小激振錘可以誘發(fā)高階模態(tài)，而大的激振錘則相反。對(duì)于深的脫空，應(yīng)當(dāng)采用較大的激振錘。該方法簡(jiǎn)單易操作，應(yīng)用于安全殼脫空檢測(cè)具有很好的效果。

（2）彈性波計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)

對(duì)于可以對(duì)測(cè)的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，CT也是一個(gè)可行的方法，但對(duì)于核電站安全殼檢測(cè)，對(duì)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(cè)線時(shí)，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(guò)脫空時(shí)，其傳播時(shí)間顯然要增加，這種方法原理簡(jiǎn)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(cè)的好方法。其檢測(cè)原理示意如下圖所示：

鋼管混凝土脫空CT檢測(cè)原理示意

2 混凝土質(zhì)量檢測(cè)

在安全殼檢測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)結(jié)構(gòu)的影響要小得多。

（1）彈性模量法

評(píng)價(jià)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(cè)得，測(cè)試方法較為簡(jiǎn)單，目前的應(yīng)用最為廣泛。但對(duì)于實(shí)體結(jié)構(gòu)，難以直接測(cè)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(guò)無(wú)損檢測(cè)方法測(cè)得，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

在被測(cè)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(cè)出彈性波在被測(cè)混凝土試件中的傳播時(shí)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)。該方法也被稱為“沖擊回波法”，具有測(cè)試效率高、測(cè)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)如下：

l  沖擊回波法：

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)試效率高、精度好要求

缺點(diǎn)：壁厚既知、面積較大

條件滿足時(shí)優(yōu)先選用

l  單面?zhèn)鞑シ?/div>

優(yōu)點(diǎn)：在壁厚未知時(shí)也可測(cè)試，受表面狀態(tài)影響較小

缺點(diǎn)：測(cè)試效率低，精度稍差

在壁厚較薄，且表面面積小時(shí)選用

l  雙面透過(guò)法

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)試范圍廣、精度高要求

缺點(diǎn)：雙面作業(yè)、且測(cè)試面間距不少于0.5m

條件滿足時(shí)優(yōu)先選用

l  表面波法

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)試效率高、精度較好

缺點(diǎn)：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(dòng)法測(cè)試相似，沿測(cè)試對(duì)象表面連續(xù)激發(fā)彈性波信號(hào)，信號(hào)在遇到空洞、脫空面等疏松介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射。通過(guò)抽取該反射信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)處理，即可識(shí)別結(jié)構(gòu)缺陷的有無(wú)及深度位置。下圖為沖擊回波法測(cè)試方法與結(jié)果示例。

沖擊回波測(cè)試方法和結(jié)果示例

3 預(yù)應(yīng)力狀態(tài)檢測(cè)

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在運(yùn)行的過(guò)程中不可避免地會(huì)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(shí)，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(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)甚至造成坍塌等惡性事故。因此，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)檢測(cè)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(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1）預(yù)應(yīng)力注漿密度檢測(cè)

一般預(yù)應(yīng)力注漿密度檢測(cè)是通過(guò)彈性波的透過(guò)、反射等特性，對(duì)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(cè)和定位檢測(cè)的。

定性檢測(cè)是通過(guò)露在兩端表面的錨頭/鋼絞線，在一端激發(fā)信號(hào)，另一端接收信號(hào)進(jìn)行的。其通過(guò)分析在傳播過(guò)程中信號(hào)的能量、頻率、波速等參數(shù)的變化，對(duì)整個(gè)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(cè)試方法包括：

l  全長(zhǎng)衰減法(FLEA)

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)試原理明確，對(duì)灌漿缺陷較為敏感

缺點(diǎn)：測(cè)試結(jié)果離散性較大，影響因素多

l  全長(zhǎng)波速法(FLPV)

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)試結(jié)果較為穩(wěn)定，適合測(cè)試大范圍缺陷

缺點(diǎn)：測(cè)試原理不嚴(yán)密，對(duì)缺陷較為鈍感

l  傳遞函數(shù)法(PFTF)

優(yōu)點(diǎn)：能夠測(cè)試錨頭附近的灌漿缺陷，解析方便

缺點(diǎn)：測(cè)試范圍較小

定位檢測(cè)是基于沖擊回波法（IE法），通過(guò)側(cè)壁或者頂(底)面激振、接受的方式，對(duì)灌漿缺陷的位置、規(guī)模等進(jìn)行定位測(cè)試的技術(shù)。其測(cè)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(cè)試精度高，但相對(duì)速度較慢；測(cè)試精度與壁厚/孔徑比有關(guān)，壁厚/孔徑比越小，測(cè)試精度越高；當(dāng)邊界條件復(fù)雜（拐角處）或測(cè)試面有斜角時(shí)，測(cè)試精度會(huì)受較大的影響。上述方法都是預(yù)應(yīng)力混凝土檢測(cè)的重要手段，應(yīng)用于安全殼預(yù)應(yīng)力的檢測(cè)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(cè)

反拉法應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力檢查時(shí)，是對(duì)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(cè)方法。測(cè)試時(shí)，對(duì)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(shí)測(cè)試張拉力和鋼絞線伸長(zhǎng)量，也可以對(duì)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(shí)，夾片對(duì)鋼絞線有緊固作用，能夠自由伸長(zhǎng)的鋼絞線為露出的自由長(zhǎng)度；在拉拔力超過(guò)原有有效預(yù)應(yīng)力時(shí)，錨頭與夾片脫開，能夠自由伸長(zhǎng)的鋼絞線除了露出的自由長(zhǎng)度以外，一部分位于錨下的鋼絞線也參與張拉。此時(shí)，自由伸長(zhǎng)的鋼絞線長(zhǎng)度就會(huì)有較明顯的增加。另一方面，夾片本身也會(huì)隨著鋼絞線的伸長(zhǎng)而產(chǎn)生向外的位移。因此，通過(guò)測(cè)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(cè)時(shí)，通過(guò)測(cè)試反拉過(guò)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(diǎn)法來(lái)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(cè)試時(shí)，是通過(guò)對(duì)錨頭激振并測(cè)試錨頭的振動(dòng)響應(yīng)，來(lái)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(guò)粘貼在錨頭上的傳感器拾取錨頭的振動(dòng)響應(yīng)，從而能夠快速、簡(jiǎn)單地測(cè)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(cè)，該方法相對(duì)反拉法精度偏低。

核電站安全殼監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

監(jiān)測(cè)核電站安全殼結(jié)構(gòu)的完整性是整個(gè)電站服役過(guò)程中的重要保障，雖然設(shè)計(jì)時(shí)都經(jīng)過(guò)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(zhǎng)使用壽命的情況下滿足完整性要求，都需要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)從而進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由于監(jiān)測(cè)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(duì)核電站安全殼的整體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于一個(gè)單指標(biāo)，自動(dòng)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(cè)量，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確以及監(jiān)測(cè)人員工作強(qiáng)度大的問(wèn)題尤為突出。

國(guó)外核電發(fā)展較早，無(wú)論是核電運(yùn)營(yíng)還是監(jiān)測(cè)，以及安全評(píng)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(píng)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(jī)，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究還很欠缺。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)引入我國(guó)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(cè)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：監(jiān)測(cè)項(xiàng)目眾多，一般有溫度、振動(dòng)、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(shí)數(shù)據(jù)傳輸，可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

然而，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，這些監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的主要問(wèn)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(cè)系統(tǒng)往往過(guò)于復(fù)雜。一個(gè)典型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常包括數(shù)十個(gè)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(shí)，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(guò)程中會(huì)出現(xiàn)漂移等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的耐久性。特別是缺乏對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定手段，使得這一問(wèn)題一直得不到有效解決。

因此，傳統(tǒng)的結(jié)果健康監(jiān)測(cè)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 安全殼監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)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(cè)，根據(jù)推算的混凝土彈性模量變化狀況來(lái)監(jiān)測(cè)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(duì)安全殼健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的。

基于彈性模量的安全殼監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)激振及測(cè)試系統(tǒng)、彈模分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)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(cè)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(cè)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(duì)性強(qiáng)、成本大幅降低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠性好，分辨力高等優(yōu)點(diǎn)。這是一種普遍的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方式，具備了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所必須的基本部分，未來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建基本符合這種檢測(cè)模型的方式，并在監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)量和種類上有所突破，實(shí)現(xiàn)了更高的自動(dòng)化水平。

結(jié)語(yǔ)

目前，核電站安全殼監(jiān)檢測(cè)項(xiàng)目已經(jīng)基本確定，我國(guó)的安全殼檢測(cè)項(xiàng)目和國(guó)際上基本保持一致。但是由于我國(guó)核電較發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中，在參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)應(yīng)該充分了解我國(guó)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(cè)和監(jiān)測(cè)的各方面，做到較高的覆蓋性，對(duì)多種檢測(cè)方法起到規(guī)范作用。

安全殼狀態(tài)監(jiān)檢測(cè)技術(shù)已引起越來(lái)越多的重視。目前對(duì)安全殼裂縫的篩選、裂縫演變的評(píng)價(jià)技術(shù)，鋼襯里空鼓變形評(píng)價(jià)技術(shù)，安全殼結(jié)構(gòu)整體性能評(píng)價(jià)技術(shù)，時(shí)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(lái)越多，相信不久之后會(huì)取得重大突破，這些項(xiàng)目的技術(shù)突破將對(duì)安全殼整體性能評(píng)價(jià)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(cè)技術(shù)有限公司蘇州分公司主要從事核電站役前、在役無(wú)損檢測(cè)工作。

來(lái)源：《無(wú)損檢測(cè)》2017年第39卷第10期“2017遠(yuǎn)東無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)論壇論文精選”