核電廠安全殼鋼筋保護(hù)層厚度的雷達(dá)探測(cè)技術(shù)

吳金鋒，袁書(shū)現(xiàn)，吳傳俠

(1.中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215026；2.上海中森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，上海 200062)

核電廠安全殼是核反應(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第3道安全屏障，其設(shè)計(jì)要求能承受壓力、熱和機(jī)械作用導(dǎo)致的載荷。核電廠安全殼的功能是當(dāng)一回路管道發(fā)生破裂甚至失水事故時(shí)，將放射性物質(zhì)限制在其內(nèi)部。CPR1000型核電機(jī)組采用的是帶密封鋼襯里的單層預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼[1]，底部用鋼筋混凝土底板密封，頂部用準(zhǔn)球形的預(yù)應(yīng)力混凝土穹頂封閉，其內(nèi)表面覆蓋一層6 mm厚的焊接鋼板。

對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件而言，合適的混凝土保護(hù)層起著非常重要的作用，其既能保證鋼筋在混凝土構(gòu)件中的受力位置，以發(fā)揮其承載能力，又能保證鋼筋不易銹蝕，還能保證鋼筋混凝土構(gòu)件滿足防火要求。由于構(gòu)件抗彎承載力與保護(hù)層厚度呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，當(dāng)鋼筋混凝土保護(hù)層厚度大于設(shè)計(jì)要求厚度時(shí)，其受彎承載力降低;當(dāng)鋼筋混凝土保護(hù)層厚度小于設(shè)計(jì)要求厚度時(shí)，混凝土對(duì)鋼筋的約束力不夠，會(huì)造成整體力學(xué)性能降低，兩種情況都會(huì)使得鋼筋混凝土構(gòu)件處于不安全狀態(tài)[2]。

在對(duì)安全殼進(jìn)行安全裕度計(jì)算時(shí)，安全殼各方面的零點(diǎn)數(shù)據(jù)均需充分考慮，因此有效科學(xué)的檢測(cè)方法就變得尤為重要。筆者使用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)對(duì)鋼筋混凝土保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測(cè)，為安全殼老化機(jī)理研究提供足夠可靠的數(shù)據(jù)，可為核電廠安全以及延壽提供足夠的科學(xué)依據(jù)。

1 雷達(dá)探測(cè)技術(shù)原理

雷達(dá)探測(cè)技術(shù)是一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有檢測(cè)效率高、分辨率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于非金屬材料的檢測(cè)中。該技術(shù)對(duì)混凝土的穿透能力強(qiáng)，可檢測(cè)深度大，且能夠相當(dāng)直觀地完成快速和實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)建設(shè)工程的質(zhì)量保證具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

雷達(dá)探測(cè)技術(shù)是基于電磁波的傳播原理，對(duì)物體內(nèi)不可見(jiàn)的目標(biāo)體進(jìn)行定位的廣譜電磁技術(shù)，探測(cè)系統(tǒng)由主機(jī)、天線及數(shù)據(jù)處理軟件等組成。雷達(dá)探測(cè)技術(shù)原理為：利用發(fā)射天線將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式送入待測(cè)構(gòu)件內(nèi)部，當(dāng)遇到待測(cè)鋼筋時(shí)會(huì)反射電磁波，其反射系數(shù)主要由介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)決定，通過(guò)對(duì)接收的反射信號(hào)進(jìn)行處理和圖像解釋，確定被檢鋼筋的位置、直徑、長(zhǎng)度等特征(見(jiàn)圖1)。

圖1 雷達(dá)探測(cè)技術(shù)原理示意

雷達(dá)波是一種電磁波，影響電磁波在介質(zhì)中傳播的兩個(gè)主要物理量為電導(dǎo)率σ和介電常數(shù)ε，其中電導(dǎo)率σ是決定電磁波吸收衰減的主因，介電常數(shù)ε對(duì)電磁波的傳播速度v起決定作用[3]。電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度如式(1)所示。

(1)

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度，為0.3 m·ns-1；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

自然界中幾乎所有的物質(zhì)都有獨(dú)特的介電常數(shù)，表1為幾種混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中常見(jiàn)材料的相對(duì)介電常數(shù)。

表1 混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中常見(jiàn)材料的相對(duì)介電常數(shù)及其中的電磁波速度

實(shí)際工程中,可通過(guò)取芯法得到混凝土芯樣高度和電磁波雙程傳播時(shí)間的關(guān)系，求得混凝土構(gòu)件的相對(duì)介電常數(shù)[4]。

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度是不變的, 根據(jù)反射波與入射波的時(shí)間差t, 可計(jì)算出目標(biāo)深度H, 即鋼筋混凝土的保護(hù)層厚度，計(jì)算公式為

(2)

2 雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在安全殼檢測(cè)中的應(yīng)用

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50476-2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》，不同環(huán)境構(gòu)件中的普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度均有相應(yīng)規(guī)定，最小混凝土保護(hù)層厚度為15～90 mm。標(biāo)準(zhǔn)GB 50204-2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定必須對(duì)重要部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)體檢驗(yàn)，主要檢驗(yàn)混凝土強(qiáng)度和鋼筋保護(hù)層厚度，需要對(duì)重要構(gòu)件，特別是懸挑梁和板構(gòu)件，以及易發(fā)生鋼筋位移和易露筋的部位，采用非破損或局部破損的方法檢驗(yàn)，梁類構(gòu)件的縱向受力鋼筋保護(hù)層厚度的允許偏差為-7～+10 mm，板類構(gòu)件的縱向受力鋼筋保護(hù)層厚度的允許偏差為-5～+8 mm。

現(xiàn)有對(duì)鋼筋混凝土保護(hù)層厚度檢測(cè)的研究多集中在100 mm以內(nèi)。趙暉等[5]使用鋼筋探測(cè)儀Profometer 5檢測(cè)，結(jié)果表明: 0～60 mm內(nèi)的鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)平均誤差一般為±2 mm；60～100 mm的鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)平均誤差一般為±5 mm，且隨著鋼筋保護(hù)層厚度的增加，檢測(cè)精度逐漸降低。

核電廠安全殼厚度達(dá)到900 mm，其鋼筋保護(hù)層也較一般建筑工程的厚。采用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)對(duì)安全殼模型進(jìn)行檢測(cè)，來(lái)獲得該技術(shù)在安全殼混凝土保護(hù)層檢測(cè)中的精度。

2.1 鋼筋混凝土模型設(shè)計(jì)

2個(gè)鋼筋混凝土模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 000 mm×750 mm×900 mm，1 000 mm×750 mm×450 mm，模型中布置直徑為20 mm的單層鋼筋、雙層鋼筋、十字交叉鋼筋，底部貼合6 mm厚的P256GH鋼板，鋼筋混凝土模型結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 鋼筋混凝土試塊結(jié)構(gòu)示意

2.2 檢測(cè)方法

采用LTD-2100探地雷達(dá)主機(jī)配GC1500，GC900 MHz的天線，分別對(duì)兩塊安全殼試塊的最外層鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)射和接收天線與混凝土表面密貼，測(cè)線垂直于鋼筋的走向布置，鋼筋雷達(dá)剖面圖如圖3所示。由雷達(dá)主機(jī)高速發(fā)射雷達(dá)脈沖，進(jìn)行快速連續(xù)采集，記錄電磁波雙程走時(shí)和動(dòng)力學(xué)特征，經(jīng)過(guò)精細(xì)的數(shù)據(jù)處理與分析，根據(jù)反演電性分界面和電性突變點(diǎn)的埋藏深度來(lái)判定混凝土的保護(hù)層厚度，該方法具有分辨率高、圖像直觀、勘探周期短等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 鋼筋雷達(dá)剖面圖

2.3 檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)前，分別在鋼筋的兩端測(cè)量其實(shí)際埋藏深度,取深度的平均值作為該鋼筋的保護(hù)層厚度，再用探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的雷達(dá)圖形以脈沖反射波的形式記錄，以波形或灰度顯示鋼筋探地雷達(dá)垂直剖面圖(見(jiàn)圖4)，精確讀出時(shí)間標(biāo)尺數(shù)值。調(diào)轉(zhuǎn)雷達(dá)天線方向進(jìn)行反向檢測(cè)，經(jīng)公式計(jì)算可得到混凝土保護(hù)層厚度，雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

圖4 鋼筋探地雷達(dá)垂直剖面圖

測(cè)量?jī)蓧K安全殼試塊的實(shí)際厚度，在無(wú)設(shè)計(jì)缺陷的位置用探地雷達(dá)對(duì)其厚度進(jìn)行檢測(cè)，得到兩塊安全殼試塊的鋼板界面(見(jiàn)圖5)，經(jīng)處理得到安全殼厚度，將檢測(cè)結(jié)果列入表2。

圖5 兩塊試塊的鋼板界面

表2 雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果 mm

由表2可知，在進(jìn)行安全殼鋼筋保護(hù)層檢測(cè)時(shí)，正向檢測(cè)與反向檢測(cè)重復(fù)性較好。保護(hù)層厚度為100 mm左右時(shí)，檢測(cè)偏差為1～3 mm；保護(hù)層厚度為200 mm左右時(shí)，檢測(cè)偏差為2～6 mm。在進(jìn)行安全殼厚度檢測(cè)時(shí)，安全殼厚度為450 mm左右時(shí)，檢測(cè)偏差為0～5 mm；安全殼厚度為900 mm左右時(shí)，檢測(cè)偏差為2～7 mm。

無(wú)論是安全殼厚度的檢測(cè)還是鋼筋保護(hù)層厚度的檢測(cè)，檢測(cè)偏差均為正向偏差，將檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEL表格生成擬合曲線(見(jiàn)圖6)。

圖6 安全殼檢測(cè)數(shù)據(jù)擬合曲線

由圖6可知，線性回歸方程為y=0.996x-2.237，相關(guān)系數(shù)R2=1，安全殼試塊中安全殼厚度及鋼筋混凝土保護(hù)層厚度檢測(cè)值與實(shí)際值間具有很好的相關(guān)性，檢測(cè)結(jié)果可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在核電廠安全殼檢測(cè)中的應(yīng)用，從結(jié)果上看，安全殼厚度及鋼筋保護(hù)層厚度的檢測(cè)精度較高，同時(shí)測(cè)量值與真實(shí)值之間具有非常高的相關(guān)性，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的線性回歸處理后，可得到更加準(zhǔn)確的厚度測(cè)量值。