核電站安全殼穹頂裂縫遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計研究

付振中

摘 ?要：壓水堆核電站安全殼的定期打壓試驗，需對混凝土外壁的表面裂縫進行監(jiān)測，以評估混凝土的工作情況和安全殼結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。傳統(tǒng)的試驗方法采用的是人工手動測量方式，工作量大且效率低，在測量數(shù)據(jù)的完整性、可靠性等方面也存在局限性，針對此情況該文設(shè)計研發(fā)了一套由位移傳感器、單片機和無線傳輸器等組成的數(shù)據(jù)動態(tài)測量采集傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)能通過程序控制遠程自動完成裂縫寬度測量、數(shù)據(jù)存儲和實時監(jiān)測等工作，能夠提高工作效率并降低作業(yè)風險性，在試驗數(shù)據(jù)的完整性和可靠性等方面有明顯提高。

關(guān)鍵詞：安全殼;穹頂;裂縫測量;動態(tài)監(jiān)測;無線傳輸

中圖分類號：TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 項目背景

在核電站建筑中，反應(yīng)堆廠房（簡稱安全殼）作為核安全邊界，能夠防止極端事故情況下放射性物質(zhì)向外界擴散，承擔著保護公共安全的重要作用。根據(jù)核安全要求，安全殼須定期進行整體打壓試驗，以驗證其強度方面承受設(shè)計基準事故的能力。具體的試驗方法是將安全殼邊界上的所有密封通道全部關(guān)閉，通過空壓機向殼內(nèi)充入空氣增加其內(nèi)部壓力，分析安全殼在承壓過程中結(jié)構(gòu)變形是否符合設(shè)計的理論預期。

打壓試驗的一項重要工作是對安全殼預應(yīng)力混凝土的外觀進行檢查，檢查其是否存在表面裂縫，并在重點關(guān)注的裂縫上安裝可以測量裂縫寬度的位移傳感器，以監(jiān)測裂縫寬度隨壓力增減的變化情況，傳統(tǒng)的試驗中最廣泛的做法都是通過試驗人員去到每個傳感器安裝位置，逐一手動采集測量數(shù)據(jù)，再拷貝到電腦上進行分析。

2 需要解決的問題

在監(jiān)測安全殼穹頂?shù)牧芽p時，通往穹頂唯一的通道是固定在安全殼外壁上高達幾十米高的鋼爬梯，每次打壓試驗期間，試驗人員需要多次來回攀爬豎梯，工作量很大而且工業(yè)安全風險很高，尤其遇上極端天氣時更加困難甚至無法作業(yè)。因此，有必要研發(fā)更先進的試驗裝置和方法，解決傳統(tǒng)做法所存在的問題，其局限性主要在體現(xiàn)以下幾個方面。

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測的實時性

現(xiàn)場手動采集數(shù)據(jù)，因為人員上下穹頂?shù)墓ぷ髁亢艽蟛⑶倚枰ㄙM的時間很長，只能在試驗過程中選擇幾個固定時間點去采集數(shù)據(jù)，這樣就無法獲得所監(jiān)測裂縫的實時數(shù)據(jù)，有可能錯過一些突然發(fā)生的重要變化，給試驗的分析判斷帶來了一定的影響。

2.2 數(shù)據(jù)存儲的可靠性

根據(jù)具體的檢查情況，有時穹頂需要監(jiān)測的裂縫數(shù)量較多，如果某個傳感器在工作過程中發(fā)生故障，沒有完成測量或者存儲數(shù)據(jù)，必須要等下一次采集數(shù)據(jù)時才會被發(fā)現(xiàn)，那么之前所丟失的數(shù)據(jù)就無法找回。

2.3 人員工作量與安全風險大

現(xiàn)場手動采集每次都要攀爬幾十米的鋼爬梯，工作量很大、耗費時間長且工業(yè)安全風險很高，尤其遇上大風雨雪雷暴等極端天氣時，數(shù)據(jù)采集工作更加困難甚至根本無法進行，影響整體試驗的順利進行。

因此基于現(xiàn)有技術(shù)方法的局限性，迫切需要研發(fā)更先進的設(shè)備和技術(shù)方法，來完成裂縫監(jiān)測的工作任務(wù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計的總體思路

通過廣泛的調(diào)研分析和論證，安全殼試驗項目組提出了一種全新的遠程裂縫動態(tài)監(jiān)測方案，該方案總體思路是，在穹頂所需要監(jiān)測的裂縫上安裝高精度的位移傳感器，并利用集成微控制器自動采集傳感器的測量數(shù)據(jù)，在穹頂組建局域網(wǎng)收集所有傳感器的數(shù)據(jù)，再將匯總的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測中心。

該裂縫監(jiān)測系統(tǒng)主要包括3個部分：數(shù)據(jù)測量節(jié)點、中繼傳輸模塊和地面數(shù)據(jù)監(jiān)測終端。

3.1 數(shù)據(jù)測量節(jié)點

在每條目標裂縫上安裝一個測量模塊，測量模塊內(nèi)安裝了一個高精度LVDT位移傳感器，此外還集成了微控制器、存儲器和無線傳輸器，模塊中的位移傳感器、存儲器和無線傳輸器分別與微控制器連接，并接受來自微控制器的工作指令，通過微控制器控制整個測量模塊的運行。位移傳感器采集的測量數(shù)據(jù)實時輸入微控制器后，通過無線傳輸器將該節(jié)點的測量數(shù)據(jù)傳送出去。另外，為防止無線傳輸失敗導致數(shù)據(jù)丟失，微控制器同時也將數(shù)據(jù)保存在模塊的本地存儲器中。

3.2 中繼傳輸模塊

中繼傳輸模塊的作用是收集穹頂所有測量節(jié)點的數(shù)據(jù)，匯總后發(fā)送到地面。中繼模塊包括微控制器、數(shù)據(jù)接收器、接收天線、數(shù)據(jù)發(fā)送器和發(fā)射天線，各個部件分別與微控制器連接，并接受來自微控制器的工作指令，通過微控制器來控制整個中繼模塊的運行。

中繼模塊的接收天線接收所有測量節(jié)點發(fā)送過來的測量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)接收器解調(diào)測量數(shù)據(jù)并輸入微控制器，微控制器將數(shù)據(jù)解碼后輸出到數(shù)據(jù)發(fā)送器，數(shù)據(jù)發(fā)送器將解碼后的數(shù)據(jù)進行調(diào)制并發(fā)送到發(fā)射天線，最后通過發(fā)射天線將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面的數(shù)據(jù)監(jiān)測終端。裂縫遠程監(jiān)測系統(tǒng)的模塊及構(gòu)成如圖1如示。

3.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測中心

數(shù)據(jù)監(jiān)測中心包括無線傳輸器、接收天線和計算機終端設(shè)備，無線傳輸器和終端設(shè)備通過有線數(shù)據(jù)電纜連接，對收到的測量數(shù)據(jù)進行實時存儲和監(jiān)測，在終端設(shè)備中安裝專用軟件，根據(jù)試驗需要對所獲取的數(shù)據(jù)進行分類排序和處理分析，作為試驗評價和決策的依據(jù)。

4 技術(shù)難點與實現(xiàn)方案

由于安全殼穹頂?shù)那蛐谓Y(jié)構(gòu)不利于無線電信號的定向傳播，對于高頻電磁波而言，就相當于是一個凸面鏡，電磁波信號幾乎都被發(fā)散到了高空，無法到達地面的數(shù)據(jù)監(jiān)測中心。并且，由于安全原因以及供電的問題，安全殼區(qū)域的無線通信裝置所使用的發(fā)射功率必須是微功率，一般不允許超過20 dBm，所使用的頻率也只能是ISM頻段的頻率，這也給無線信號的傳輸增加了困難。項目組調(diào)研發(fā)現(xiàn)，之前也有相關(guān)組織進行過類似的無線傳輸實驗和嘗試，均未找到滿意的實現(xiàn)方案。

為了解決無線信號較弱且容易向空中發(fā)散的問題，該方案將中繼傳輸模塊的接收天線與主機分開布置，接收天線安裝在安全殼穹頂中心最高點的護欄上，而中繼模塊的主機與發(fā)送天線則固定在女兒墻的外側(cè)，中繼模塊的接收天線與主機之間采用有線高頻傳輸電纜連接。

通過這樣的布置，位于中心最高點的接收天線就可以接收所有無線測量節(jié)點發(fā)送出來的數(shù)據(jù)，并通過有線高頻電纜將數(shù)據(jù)從穹頂中心傳輸至女兒墻的主機傳輸器，并通過發(fā)送天線向地面的監(jiān)測中心發(fā)送數(shù)據(jù)信號。位于地面的數(shù)據(jù)監(jiān)測中心也需要選擇恰當?shù)墓ぷ魑恢茫笃渑c安全殼女兒墻上中繼模塊的發(fā)送天線可以通視，在該位置安裝數(shù)據(jù)監(jiān)測中心的天線來接收穹頂?shù)臄?shù)據(jù)信號，最后通過有線高頻數(shù)據(jù)電纜將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心的終端設(shè)備。裂縫遠程監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)和現(xiàn)場布置如圖2所示。

系統(tǒng)配件的具體選擇：位移傳感器采用LVDT差動變壓器式位移傳感器，量程5 mm，分辨率0.001 mm ， 線性度0.2%，LVDT表示的是線性可變差動變壓器，屬于直線位移傳感器;微控制器選擇的是超低功耗、高可靠性的MCU芯片Si8051;有線電纜采用50 Ω的高頻數(shù)據(jù)傳輸電纜，要求在433 MHz頻率上，100 m范圍內(nèi)的信號衰減不超過15 dB;無線傳輸模塊選用的是Si4432，最大發(fā)射功率20 dBm，工作在433 MHz的ISM頻段，接收靈敏度-120 dBm;中繼傳輸模塊和數(shù)據(jù)測量節(jié)點，均在本地配置鋰聚合物電池供電，經(jīng)計算與實測，容量12 Wh的電池，在每分鐘測量一次的頻度下，可以連續(xù)工作2個月，完全滿足試驗的持續(xù)時間要求。

5 結(jié)語

針對安全殼穹頂?shù)奶厥猸h(huán)境，為了實現(xiàn)高效可靠的數(shù)據(jù)自動傳輸，該項目研發(fā)的裂縫遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在測量節(jié)點、中繼模塊和監(jiān)測終端3個部分靈活采用有線與無線相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方式，通過2種傳輸方式互相配合，有效地解決了穹頂?shù)臄?shù)據(jù)收集以及從穹頂?shù)降孛娴臄?shù)據(jù)傳送問題。從而成功實現(xiàn)裂縫數(shù)自動測量、收集傳輸和遠程監(jiān)測，在地面工作點即可以隨時雞窩裂縫的變化情況，不僅能夠節(jié)約人工，降低現(xiàn)場作業(yè)風險，極大地提升了安全殼打壓試驗的實施效率，同時，在試驗數(shù)據(jù)的實時性、完整性和可靠性等方面亦有明顯提高。

參考文獻

[1 ] 核工業(yè)標準化研究所.NB/T 20097—2012，壓水堆核電廠混凝土安全殼功能設(shè)計要求[S]. 北京：原子能出版社，2012.

[2]張濤.核電站渡槽伸縮縫監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].武漢：測繪地理信息，2017（2）：98-100.

[3]王蘇昇.某核電站閘門口應(yīng)力分析及裂縫監(jiān)測技術(shù)研究[J].北京：工業(yè)建筑，2013（S1）：327-329.

[4]徐亞明.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)變形監(jiān)測研究綜述[J].武漢：測繪地理信息，2016（5）：1-7.

[5]核工業(yè)標準化研究所.NB/T20017—2010，壓水堆核電廠結(jié)構(gòu)整體性試驗[S].北京：原子能出版社，2010.

[6]高鵬.無線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實踐[M].北京：人民郵電出版社，2016.