卡拉奇核電站“華龍一號”預應力摩擦試驗

李博祥 中國核工業華興建設有限公司

1 工程概述

“華龍一號”（即ACP1000）核反應堆廠房為雙殼體的防護結構，分為內、外安全殼，內安全殼為預應力鋼筋混凝土結構，其由筒壁、穹頂和基礎底板組成，筒壁內徑為46.8m，壁厚為1.3m，穹頂厚度為1.05m，筒壁外側在互成180°位置處設置兩個扶壁柱，用于水平預應力鋼束的張拉和錨固。預應力鋼束布置在內層安全殼的筒體和穹頂中，鋼束包括三種類型：即倒U型鋼束共94束，筒體環向鋼束共106束，穹頂環向鋼束共21 束，每束鋼束由55 股鋼絞線1×7-15.7-1860 組成；其中1×7表示鋼絞線由7根鋼絲組成一股鋼絞線；15.7表示一股鋼絞線的公稱直徑為15.7mm，1860表示一股鋼絞線的抗拉屈服強度不低于1860MPa。

2 摩擦試驗目的及原理

2.1 摩擦試驗目的

預應力倒U 型鋼束長度為173m～195m 不等；環向鋼束長度為157m～159m不等。鋼絞線在孔道內受孔道的材質、長度、孔道的偏斜角度的影響，對鋼絞線張拉產生摩擦阻力，試驗的目的即是測算出鋼束的實際的摩擦系數，與設計摩擦系數比較得出最終的摩擦系數,使張拉力能夠滿足設計要求，確保預應力系統在核電站運行期間能夠正常工作，成為核安全保證的有效屏障。

2.2 試驗原理及設備

采用精密壓力表測量孔道摩擦損失，在預應力筋的兩端各安裝1 臺千斤頂，施加應力的一段為主動端，錨固端為被動端，在主動端分級施加應力并記錄主、被動端的相應應力表讀數、伸長值，經過千斤頂和錨固件裝置上的摩擦力修正后得到實際的預應力鋼絞線兩端的應力，該兩端應力的差值即為孔道的摩擦損失值。

“華龍一號”預應力使用法國Freyssinet 公司的C 系列的55C15預應力錨固系統，預應力張拉采用C1500F千斤頂，最大拉力為14042kN（700bar），最大沖程為500mm，張拉腔面積S為2006mm2，Freyssimat 油泵為C1500F 配套專用的液壓油泵，數顯壓力表精度為0.1。

3 摩擦試驗方法

摩擦力試驗采用單端張拉，張拉前應采用等張力千斤頂把鋼絞線預緊均勻，盡可能使每股鋼絞線能均勻受力。試驗分兩階段進行，具體如下。

第一階段：張拉主動端鋼束應力分別以186MPa為增量進行張拉，逐級張拉至鋼束張拉控制應力1860MPa 的80%（即1488MPa），記錄每一級主、被動端的壓力和伸長值。

第二階段：錨固主動端后，在被動端分級張拉至控制應力1488MPa,并記錄對應的壓力和伸長值（見表1）。

表1 V1鋼束張拉應力及伸長值

4 數據的分析、計算

4.1 測量值的分析

本文以V1 鋼束為例，主、被動端千斤頂摩擦損失分別為0.7%、0.9%，錨固端應力損失取K=K1+K2+K3=3%+0.7%=3.7%，孔道局部摩擦偏離系數為0.0016m-1；鋼束長175.358m,鋼束總偏斜角θ為5.862rad；第一階段主動端理論應力σa為1488MPa,理論伸長值α1為736.4mm，被動端理論應力σb為391.3；第二階段理論伸長值α2為317.1mm。

4.2 千斤頂內伸長值計算

鋼絞線彈性模量：

千斤頂內工具錨端部到錨墊板的鋼束長度Lj為1075mm（C1500F千斤頂），根據設計文件公式：

代入公式求得鋼束兩端千斤頂內鋼絞線伸長值：

每端千斤頂內鋼絞線伸長值為8mm；由此得出V1鋼束實測總伸長值為：

4.3 驗收準則

測量數據必須滿足以下三個條件。

（1）第一階段：實測伸長值ΔL 應介于理論伸長值的0.95～1.08倍之間。

符合要求。

（2）第二階段：總的實測伸長值（第一階段+第二階段）應介于總的理論伸長值（第一階段+第二階段）的0.95～1.08 倍之間。

符合要求。

（3）第一階段：第一階段鋼束被動端實測應力應介于第一階段鋼束被動端理論應力的0.85～1.20之間。

計算出第一階段被動端實測應力為538.6MPa，

不符合要求。

4.4 摩擦損失計算

V1鋼束的摩擦損失按照式中進行計算，經試驗已知T0為611.99,Ts 為238.51，K 為0.0016m-1, 長度x 為175.358m，θ 為總偏斜角5.862rad。

同理得出其他摩擦試驗鋼束號的摩擦系數。

5 結論及注意事項

經試驗、分析后得倒U型鋼束V1、V5的摩擦損失系數分別為0.113、0.126，與理論摩擦系數0.18不符，第一階段被動端拉應力與設計不符，張拉伸長值均符合設計要求；環向鋼束H1、H6、H9號鋼束摩擦系數為0.14～0.17之間，與理論摩擦系數0.18相符，伸長值、被動端張拉應力均符合設計要求。經分析現場實際情況及為“華龍一號”堆型積累更多試驗數據，設計增加V9、V13號為補充摩擦試驗鋼束。最終所選的4束倒U型鋼束伸長值均符合要求，V9、V13號的應力均符合要求，摩擦系數均偏小與設計摩擦系數0.18 不相符，設計單位對孔道與鋼束之間的摩擦系數進行調整為0.16。

在摩擦試驗中，部分鋼束第一階段應力超限，表明孔道與鋼束之間的摩擦系數較小，根據試驗結果調整摩擦系數后，本工程預應力張拉伸長值均在設計張拉伸長值的0.95A～1.08A范圍內，說明摩擦試驗結果真實反映出了鋼束孔道的摩擦損失,為設計提供了可靠、準確的參考數據，表明摩擦試驗是成功的。

需注意，在摩擦試驗鋼束張拉或正式張拉時，以張拉應力為主控項，張拉伸長值為輔，應力、伸長值作為摩擦試驗驗收準則的判斷條件，試驗時的應力和伸長值應確保準確。在摩擦試驗時張拉千斤頂的張拉應力通過油泵上的油表顯示或讀取，鋼束錨墊板起始位置達到設計的張拉應力強度時應為油表穩定后的讀數，張拉加壓停止后，會發現油表迅速降壓，因此需要再次泵壓直至得到想要的壓力，穩定后進行張拉伸長值的測量。為了避免額外泵壓，張拉至每個壓力平臺時需緩慢加壓，最好先泵到與所需壓力和液壓負荷損失之和相當的水平，于是停止泵壓后的壓力降到想要的數值，需要預先確定液壓荷載損失。