核電廠安全殼結構試驗預埋應變計失效的替代方案分析

吳希盼，李志勇

（中國核電工程有限公司，北京 100089）

1 概述

核電廠安全殼作為核電機組安全運行的第三道屏障，需承受因設計基準事故產生的內壓，為驗證安全殼結構在設計基準事故工況下的工作性能，在安全殼建造完成后，需進行安全殼結構整體性試驗。

安全殼結構整體性試驗的目的包括：①驗證評估非預力鋼筋是否出現屈服；②通過目視檢查，檢查混凝土結構和鋼內襯的損傷情況；③測量安全殼的變形及泄壓后的殘余變形是否滿足要求。

安全殼建造階段，在混凝土內安裝預埋應變計，用以測量混凝土應變，配合安全殼裂縫觀測及整體變形數據，來確定非預應力鋼筋是否發生屈服。判定非預應力鋼筋未出現屈服，通常有兩種方式：①測量應變的最大值未超過使鋼筋屈服的極限應變；②鋼筋的應變在泄壓后能夠恢復，即彈性應變。

2 預埋應變計介紹

預埋應變計通常采用振弦原理：將一定長度的鋼弦張拉在兩個端塊之間，端塊置于混凝土中，混凝土的變形使兩端塊相對移動并導致鋼弦張力變化，這種張力的變化使鋼弦諧振頻率發生改變，通過電磁線圈對鋼弦進行信號激勵，并讀取頻率數據，從而測量混凝土的應變。應變計及安裝框架示意圖如下圖1所示：

圖1 應變計安裝框架示意圖

預埋應變計通常布置在安全殼筒體區域、穹頂區域和設備閘門孔區域，沿混凝土厚度方向，在內（以“I”表示）、外（以“O”表示）層鋼筋處各布置2個測點，每個測點安裝2個應變計，分別測量混凝土的切向（以“T”表示）和豎向（以“V”表示）應變。

安全殼筒體區域，通常在同一標高設置4個角度的測點；穹頂區域通常在穹頂3個方位及穹頂中央的內外兩側，設置8個應變測點；設備閘門孔區域的應變測點分別沿設備閘門孔的水平和垂直軸線方向進行布置。

預埋應變計在安全殼建造階段安裝，到進行安全殼結構整體性試驗，需經歷數年時間，期間可能因為各種因素導致應變計失效。為保障試驗的順利進行，需采取相應替代方案。

3 替代方案分析

方案一：在失效應變計位置混凝土外表面安裝臨時應變計，以臨時應變計測量的混凝土表面應變估算為原位置的應變。

核電廠預埋應變計失效時，通常在失效應變計位置混凝土外表面安裝臨時應變計，以臨時應變計測量的混凝土表面應變估算為原位置的應變。

打壓試驗期間，安全殼受殼內壓力影響產生變形，在混凝土開裂前，非預應力鋼筋和周圍混凝土共同協調變形。根據平截面假定原理，垂直于物體軸線的各平截面，在物體受力變形后仍為平面，并且與變形后的物體軸線垂直（如下圖2所示）。即，安全殼外側混凝土表面的應變大于內部混凝土及混凝土內的非預應力鋼筋的應變。

圖2 平截面假定示意圖

因此，在失效的應變計位置混凝土外表面安裝臨時應變計，以測得的混凝土表面應變估算為原應變計位置的應變值，理論上其結果更加保守。

以我國某核電機組為例，在安全殼結構整體性試驗前，進行設備試驗時，發現有3處安全殼筒體區域的預埋應變計讀數無法正常顯示。對現場各種可能的干擾因素排查后，確認預埋應變計失效。

現場在失效應變計位置混凝土外表面以粘貼方式安裝臨時應變計，臨時應變計測量數據與同標高的正常預埋應變計測量數據對比分析如表1：

表1 臨時應變計與預埋應變計數據對比

（1）第一組應變計數據中，有兩個預埋應變計失效。在最高壓力平臺，臨時應變計的測量值分別為184.7 με與239.6 με，與正常預埋應變計測量值的差值分別為43.2 με和27 με。

（2）第二組應變計數據中，在最高壓力平臺，臨時應變計的測量值為96.2 με，與正常預埋應變計測量值的差值為41.5 με。

（3）臨時應變計的測量值與正常預埋應變計測量值變化趨勢一致，均隨壓力平臺相應變化，且泄壓后的應變恢復良好。

根據應力-應變公式：

式中：

σ ——應力（MPa），HRB500鋼筋的屈服強度標準值為500 MPa；

ES——HRB500鋼筋彈性模量（2.0×105MPa）；

ε ——應變；

計算可得出，要使鋼筋發生屈服的應變為2 500με，遠大于臨時應變計和正常預埋應變計的測量值及其差值。

綜上，臨時應變計測得的應變與正常預埋應變計測得的應變及其差值均遠小于使鋼筋發生屈服的應變（2500 με），且測得的應變值隨壓力平臺變化趨勢一致，在泄壓后能夠恢復良好。因此，可認為以臨時應變計測量的混凝土表面應變估算為失效應變計位置的應變，并進一步用來判斷非預應力鋼筋是否發生屈服是合理可行的。

方案二：以同標高不同角度的多個應變測點數據平均值估算失效的應變計數據。

在安全殼筒體區域，同標高4個不同角度的應變測點示意圖如圖3所示。

圖3 筒體區域應變測點角度示意圖

當某一預埋應變計失效時，本方案擬用同標高不同角度的其他正常預埋應變計測量值的平均值近似估算為失效應變計的數據。例如，上圖中A點的預埋應變計失效，則分別測量出B、C、D點的應變值，計算其平均值視為A點的應變。

仍以方案一中的3個失效應變計為例，對方案一臨時應變計的測量結果和方案二的計算平均值的結果進行對比，如表2：

表2 方案一和方案二數據對比

因前兩個失效應變計屬于同一組應變計（同標高、同方向），對于方案二只能計算剩余的兩個正常預埋應變計數據的平均值。對于3個失效的應變計，采用方案一和方案二其結果偏差分別為35.55 με、19.05 με、24.7 με，遠小于使鋼筋發生屈服的應變（2 500 με）。

因此，可認為通過方案二以同標高不同角度的多個正常預埋應變計測量值的平均值近似估算為失效應變計的數據，基本不影響對非預應力鋼筋是否發生屈服的判斷。

但是，此方案僅適用于安全殼筒體區域的應變測量，安全殼穹頂區域（應變測點位置示意圖4）及設備閘門孔區域（應變測點位置示意圖5），因其結構及應變測點布置的特殊性，不適用此方案。

圖4 穹頂區域應變測點位置示意圖

圖5 設備閘門孔區域應變測點位置示意圖

4 結論

當預埋的應變計失效，可在失效應變計位置的混凝土外表面安裝臨時應變計，以臨時應變計測量的混凝土表面應變估算為原位置的應變。對于安全殼筒體區域的失效應變計，可采用方案二，以同標高不同角度的多個正常預埋應變計測量數據，計算平均值估算失效應變計的數據，對臨時應變計的數據進行輔助驗證。

而且，由于混凝土的受拉極限應變遠小于鋼筋受拉屈服應變，安全殼變形過大時混凝土出現開裂優先于非預應力鋼筋發生屈服。試驗期間，可通過對混凝土裂縫情況進行檢查監測，輔助判斷非預應力鋼筋是否發生屈服。