核電廠安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)改造及應(yīng)用

錢 源

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 工程管理處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

秦二廠3#、4#機(jī)組安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)包括安全殼變位（水平和垂直）監(jiān)測、混凝土應(yīng)變監(jiān)測、灌油鋼束預(yù)應(yīng)力監(jiān)測、混凝土溫度監(jiān)測4個(gè)子系統(tǒng)，主要用于安全殼結(jié)構(gòu)狀態(tài)日常監(jiān)測及安全殼整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)期間數(shù)據(jù)測讀，已投入使用10余年，部分設(shè)備老化嚴(yán)重，故障較多，部分測讀數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，影響安全殼整體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及日常安全殼結(jié)構(gòu)定期數(shù)據(jù)監(jiān)測；安全殼水平和垂直方向位移的測量工作需要人工跑點(diǎn)，通過光學(xué)讀數(shù)顯微鏡和游標(biāo)卡尺進(jìn)行人工測讀，測量誤差大，完成一次測讀工作時(shí)間較長，存在人因失誤風(fēng)險(xiǎn)；混凝土應(yīng)變、溫度及灌油鋼束預(yù)應(yīng)力監(jiān)測需現(xiàn)場對測讀箱供電，再逐一抄錄數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)人為失誤，并且改造前的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控，無法隨時(shí)迅速對安全殼整體結(jié)構(gòu)性能開展全面分析[1]。因此，安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的改造對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

1 安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 安全殼變位監(jiān)測系統(tǒng)

安全殼變位監(jiān)測系統(tǒng)包括水平和垂直方向變位監(jiān)測，每臺機(jī)組安全殼變位監(jiān)測系統(tǒng)均有4組，分布在安全殼四周，通過鉛垂線系統(tǒng)測量，其中水平方向變位測量是通過讀數(shù)盤讀取鉛垂線和基準(zhǔn)塊的位置，記錄二者差值，變位值即為兩次讀數(shù)的變化量；垂直方向變位測量通過讀取測量設(shè)備上的位置來確定[2]。

1.2 安全殼混凝土應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)

混凝土應(yīng)變監(jiān)測是通過埋設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的振弦式應(yīng)變計(jì)對安全殼穹頂、基礎(chǔ)底板、筒體、設(shè)備閘門等區(qū)域進(jìn)行測量，3#機(jī)組測量點(diǎn)位共計(jì)52處，4#機(jī)組40處，當(dāng)測量點(diǎn)應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)變計(jì)通過前后端座將應(yīng)力變化傳遞給振弦，振弦改變振動頻率從而轉(zhuǎn)化成電信號輸出。

1.3 安全殼灌油鋼束預(yù)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

秦二廠3#、4#機(jī)組均為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼束沿筒體和穹頂布置在6處測量點(diǎn)位垂直方向，通過鋼束端處安裝的鋼束力傳感器監(jiān)測安全殼預(yù)應(yīng)力鋼束的張力變化。

1.4 安全殼溫度監(jiān)測系統(tǒng)

安全殼溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括振弦溫度系統(tǒng)、鉑電阻溫度系統(tǒng)、熱電偶溫度系統(tǒng)，其中振弦溫度系統(tǒng)通過振弦應(yīng)變計(jì)上的溫度傳感器對所在點(diǎn)位進(jìn)行溫度監(jiān)測，鉑電阻溫度系統(tǒng)通過埋設(shè)在安全殼筒體貼近鋼內(nèi)襯的PT-100的鉑電阻，對不同標(biāo)高的安全殼筒體溫度進(jìn)行測量，熱電偶溫度測量系統(tǒng)通過埋設(shè)在安全殼基礎(chǔ)底板中心位置沿底板厚度方向的熱電偶對安全殼底板混凝土溫度進(jìn)行測量[3]。

2 安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)改造

2.1 安全殼變位（水平方向）監(jiān)測系統(tǒng)改造

原秦二廠3#、4#機(jī)組安全殼變位（水平方向）監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)均需人工通過光學(xué)顯微鏡讀取，本次改造在保留原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對每個(gè)機(jī)組現(xiàn)有的水平方向變位測量系統(tǒng)增加水平位移測量傳感器（CCD讀數(shù)裝置），加裝CCD傳感器示意圖如圖1。

圖1 4#機(jī)組加裝CCD探測器示意圖Fig.1 Schematic diagram of CCD detector installed in 4# unit

在平行光源的照射下，鉛垂線在水平位移測量傳感器光敏面形成暗區(qū)。當(dāng)安全殼發(fā)生水平方向位移時(shí)，會帶動鉛垂線產(chǎn)生位移，從而導(dǎo)致暗區(qū)變化，光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出[4]。該裝置可實(shí)現(xiàn)鉛垂線的水平雙向位移自動測量，并能實(shí)現(xiàn)自動采集功能，其最大測量位移可達(dá)45mm，測量精度達(dá)0.1mm，滿足系統(tǒng)測量要求。

2.2 安全殼變位（垂直方向）監(jiān)測系統(tǒng)改造

原秦二廠3#、4#機(jī)組安全殼變位（垂直方向）監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)為深度游標(biāo)卡尺人工讀測。本次改造采用DCLVDT精密位移傳感器代替游標(biāo)卡尺，對每個(gè)機(jī)組現(xiàn)有的垂直方向變位測量系統(tǒng)增加DCLVDT精密位移傳感器[5]，加裝DCLVDT傳感器示意圖如圖2。

圖2 4#機(jī)組加裝DCLVDT傳感器示意圖Fig.2 Schematic diagram of adding DCLVDT sensor to 4# unit

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，通電后初級線圈產(chǎn)生激勵(lì)信號，次級線圈產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)信號。當(dāng)鐵芯在鉛垂線的拉動下產(chǎn)生位移時(shí)，次級線圈輸出信號幅值發(fā)生改變，從而形成電信號輸出[2]，DCLVDT傳感器工作原理圖如圖3。該裝置可實(shí)現(xiàn)垂直位移自動測量，并能實(shí)現(xiàn)自動采集功能，其測量精度為±0.5%F.S，測量位移范圍達(dá)25mm，靈敏度為0.01mm，滿足系統(tǒng)測量要求。

圖3 DCLVDT傳感器安裝示意圖Fig.3 Schematic diagram of DCLVDT sensor installation

2.3 安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)自動化采集改造

完成安全殼變位監(jiān)測系統(tǒng)改造后，對整個(gè)安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行自動化采集改造。自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場信號測量傳感器、就地監(jiān)測子單元（CEM）、監(jiān)測主單元（MCU）及監(jiān)測計(jì)算機(jī)構(gòu)成，通過通訊線將監(jiān)測子單元（CEM）與監(jiān)測主單元MCU連接起來，再進(jìn)入監(jiān)測計(jì)算機(jī)，組成1個(gè)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，完成整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和處理[6]。

混凝土應(yīng)變監(jiān)測、灌油鋼束預(yù)應(yīng)力監(jiān)測、混凝土溫度監(jiān)測3個(gè)子系統(tǒng)的現(xiàn)場信號測量傳感器予以保留，通過就地監(jiān)測子單元（CEM）替換原有的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中現(xiàn)有傳感器及改造后的水平、豎向變位監(jiān)測數(shù)據(jù)全部接入就近布置的CEM機(jī)柜（分別在W031、K017、K217、W071、K057、W272房間），通過通信電纜將各CEM采集到的數(shù)據(jù)傳輸至L747房間的監(jiān)測主單元（MCU），3#、4#機(jī)組各自對應(yīng)1臺MCU。最終，兩臺MCU將數(shù)據(jù)全部傳輸至1臺監(jiān)測計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動測量，組成安全殼結(jié)構(gòu)性能自動監(jiān)測系統(tǒng)，其系統(tǒng)示意圖如圖4。

圖4 自動監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of automatic monitoring system

2.4 安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)改造難點(diǎn)及解決方案

2.4.1 設(shè)備固定安裝避免影響安全殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

本次安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)改造新增大量電纜橋架、就地集線箱、就地電源箱、新增傳感器壁掛安裝、支架固定等工作，由于施工位置的特殊性，大部分電纜橋架和設(shè)備安裝于安全殼基礎(chǔ)筏板表面，施工鉆孔過程可能對安全殼混凝土內(nèi)鋼筋造成破壞，影響安全殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。

為此，首先在選擇設(shè)備固定方式時(shí)優(yōu)先選用化學(xué)錨栓固定，化學(xué)錨栓是通過化學(xué)粘接劑將螺桿固定在鉆孔中，無膨脹擠壓應(yīng)力，同時(shí)化學(xué)錨栓具有在潮濕環(huán)境下長期負(fù)荷穩(wěn)定和具有良好抗震性能的特點(diǎn)，較膨脹螺栓對混凝土更為有利[7]。其次，在開孔前采用鋼筋掃描儀進(jìn)行探測，可實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和內(nèi)部預(yù)埋物的無損結(jié)構(gòu)探測，可準(zhǔn)確避開混凝土內(nèi)部鋼筋，避免影響安全殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，整個(gè)改造施工中未發(fā)生鉆孔破壞鋼筋問題。

2.4.2 環(huán)境較差區(qū)域監(jiān)測設(shè)備保護(hù)

由于安全殼筒體與貼鄰廠房間存在混凝土伸縮縫，尤其是位于W廠房的變位監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)場環(huán)境潮濕，存在雨水滴落至設(shè)備的可能。由于安全殼變位監(jiān)測系統(tǒng)改造增加的CCD傳感器和DCLVDT傳感器均為高靈敏度電氣設(shè)備，潮濕的房間環(huán)境對設(shè)備內(nèi)部電氣元器件絕緣層材料性能有極大影響，在通電狀態(tài)下可能發(fā)生短路故障，引發(fā)電氣消防安全隱患，同時(shí)潮濕環(huán)境還會加速設(shè)備老化，影響測量靈敏度及準(zhǔn)確性。

為確保安全殼變位監(jiān)測系統(tǒng)改造增加的CCD傳感器和DCLVDT傳感器不受雨水和潮濕環(huán)境的影響，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，對W廠房內(nèi)每組變位監(jiān)測裝置外圍加裝1個(gè)監(jiān)測保護(hù)小室，小室墻體材料主要由有機(jī)玻璃、支撐柱、板材等構(gòu)成，對設(shè)備起到較好的保護(hù)作用。

2.5 安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)改造驗(yàn)收

本次安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)改造的自動監(jiān)測設(shè)備精度不低于改造前系統(tǒng)，因此對于水平方向變位監(jiān)測系統(tǒng)、混凝土應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、灌油鋼束預(yù)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)及混凝土溫度監(jiān)測系統(tǒng)，由于以上監(jiān)測系統(tǒng)均保留了原讀數(shù)裝置，故采用新舊設(shè)備讀數(shù)對比的方式進(jìn)行驗(yàn)收。對于垂直方向變位系統(tǒng)監(jiān)測，由于改造增加DCLVDT傳感器必須拆除原讀數(shù)裝置[8]，故采用標(biāo)準(zhǔn)位移發(fā)生器和外部讀數(shù)儀表測量，與自動監(jiān)測系統(tǒng)讀數(shù)進(jìn)行比對安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)改造驗(yàn)收數(shù)據(jù)分析。

以4#機(jī)組安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)改造為例，通過對4#機(jī)組安全殼變位（水平、垂直）監(jiān)測系統(tǒng)、混凝土應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、灌油鋼束預(yù)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、安全殼溫度監(jiān)測系統(tǒng)改造前后采集數(shù)據(jù)分析對比，各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化量差值均在要求的范圍內(nèi)，且均遠(yuǎn)低于限值，滿足改造要求。

系統(tǒng)改造后投入運(yùn)行至今已近一年，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，每季度對設(shè)備測量精度進(jìn)行校驗(yàn)均滿足要求。

3 安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)改造后的良好應(yīng)用

首先，安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)改造實(shí)現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的自動化讀取采集，提高了數(shù)據(jù)讀測穩(wěn)定性，確保了安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，同時(shí)節(jié)省了數(shù)據(jù)讀測的人力及時(shí)間成本。安全殼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，包括日常筒身變位讀數(shù)測讀、混凝土局部應(yīng)變及鋼束力數(shù)據(jù)測讀、反應(yīng)堆安全殼結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)等。對于混凝土應(yīng)變及鋼束力數(shù)據(jù)讀測，每臺機(jī)組共80余處點(diǎn)位，安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)改造前數(shù)據(jù)均需人工跑點(diǎn)，且需現(xiàn)場對讀測箱供電再進(jìn)行人工讀測記錄，筒身變位系統(tǒng)讀數(shù)也需攜帶光學(xué)顯微鏡等讀測工具進(jìn)行跑點(diǎn)并進(jìn)行人工讀測記錄，耗費(fèi)大量人力及時(shí)間，而改造后系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)均為系統(tǒng)自動采集，大量節(jié)省了試驗(yàn)人員投入及時(shí)間成本，同時(shí)獲得的數(shù)據(jù)可靠，不存在因人因失誤而重復(fù)、錯(cuò)誤讀取記錄數(shù)據(jù)。

其次，安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)改造實(shí)現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集存儲、比對分析功能，對安全殼結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)及核電機(jī)組老化管理、延壽評估提供豐富數(shù)據(jù)。對于安全殼結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)，安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)改造后可實(shí)現(xiàn)打壓試驗(yàn)前、至最高壓力、完全卸壓全過程數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并可形成趨勢曲線，為安全殼結(jié)構(gòu)性能全面分析提供更具體準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；同時(shí)改造后可實(shí)現(xiàn)長周期多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比及隨時(shí)調(diào)取，并可對存在異常數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，后續(xù)綜合其他因素進(jìn)行分析時(shí)可反復(fù)迅速查看；安全殼作為核電廠防止核泄漏以及外部荷載沖擊的第三道安全屏障，長期受潮濕、降雨等環(huán)境因素影響必然導(dǎo)致安全殼老化[9]，安全殼發(fā)生形變，混凝土因溫度導(dǎo)致裂縫，灌油鋼束老化腐蝕導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失等均會嚴(yán)重影響安全殼壽命和安全，改造后系統(tǒng)可將采集數(shù)據(jù)形成曲線，分析歷史采集數(shù)據(jù)變化趨勢。基于這些歷史數(shù)據(jù)，可綜合分析外界因素對安全殼結(jié)構(gòu)性能的影響，同時(shí)安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測作為安全殼老化檢查中一項(xiàng)重要部分，本次改造后系統(tǒng)為核電機(jī)組老化管理、延壽評估等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)

通過對安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的自動化改造，解決原設(shè)備老化失效、原安全殼變位監(jiān)測系統(tǒng)需人工跑點(diǎn)讀數(shù)的問題，實(shí)現(xiàn)安全殼變位監(jiān)測系統(tǒng)、混凝土應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、灌油鋼束預(yù)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、混凝土溫度監(jiān)測系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)自動迅速采集、傳輸、存儲處理，經(jīng)驗(yàn)收數(shù)據(jù)采集分析對比，改造后系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確穩(wěn)定，改造后實(shí)現(xiàn)安全殼結(jié)構(gòu)持續(xù)監(jiān)測，積累大量日?；A(chǔ)數(shù)據(jù)，有利于對安全殼整體結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行全面分析，為M310堆型安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的改造工作提供了極大的參考和借鑒意義[10]。