核電廠安全殼結構監測系統改造及應用

錢 源

（中核核電運行管理有限公司 工程管理處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

秦二廠3#、4#機組安全殼結構監測系統包括安全殼變位（水平和垂直）監測、混凝土應變監測、灌油鋼束預應力監測、混凝土溫度監測4個子系統，主要用于安全殼結構狀態日常監測及安全殼整體結構強度試驗期間數據測讀，已投入使用10余年，部分設備老化嚴重，故障較多，部分測讀數據不穩定，影響安全殼整體結構試驗及日常安全殼結構定期數據監測；安全殼水平和垂直方向位移的測量工作需要人工跑點，通過光學讀數顯微鏡和游標卡尺進行人工測讀，測量誤差大，完成一次測讀工作時間較長，存在人因失誤風險；混凝土應變、溫度及灌油鋼束預應力監測需現場對測讀箱供電，再逐一抄錄數據，容易出現人為失誤，并且改造前的結構監測系統無法實現數據的實時連續監控，無法隨時迅速對安全殼整體結構性能開展全面分析[1]。因此，安全殼結構監測系統的改造對機組安全穩定運行至關重要。

1 安全殼結構監測系統組成及工作原理

1.1 安全殼變位監測系統

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

1.2 安全殼混凝土應變監測系統

混凝土應變監測是通過埋設在混凝土結構內的振弦式應變計對安全殼穹頂、基礎底板、筒體、設備閘門等區域進行測量，3#機組測量點位共計52處，4#機組40處，當測量點應力發生變化時，應變計通過前后端座將應力變化傳遞給振弦，振弦改變振動頻率從而轉化成電信號輸出。

1.3 安全殼灌油鋼束預應力監測系統

秦二廠3#、4#機組均為預應力混凝土結構，預應力鋼束沿筒體和穹頂布置在6處測量點位垂直方向，通過鋼束端處安裝的鋼束力傳感器監測安全殼預應力鋼束的張力變化。

1.4 安全殼溫度監測系統

安全殼溫度監測系統包括振弦溫度系統、鉑電阻溫度系統、熱電偶溫度系統，其中振弦溫度系統通過振弦應變計上的溫度傳感器對所在點位進行溫度監測，鉑電阻溫度系統通過埋設在安全殼筒體貼近鋼內襯的PT-100的鉑電阻，對不同標高的安全殼筒體溫度進行測量，熱電偶溫度測量系統通過埋設在安全殼基礎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行測量[3]。

2 安全殼結構監測系統改造

2.1 安全殼變位（水平方向）監測系統改造

原秦二廠3#、4#機組安全殼變位（水平方向）監測系統數據均需人工通過光學顯微鏡讀取，本次改造在保留原系統的基礎上，對每個機組現有的水平方向變位測量系統增加水平位移測量傳感器（CCD讀數裝置），加裝CCD傳感器示意圖如圖1。

圖1 4#機組加裝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。當安全殼發生水平方向位移時，會帶動鉛垂線產生位移，從而導致暗區變化，光信號轉換成電信號輸出[4]。該裝置可實現鉛垂線的水平雙向位移自動測量，并能實現自動采集功能，其最大測量位移可達45mm，測量精度達0.1mm，滿足系統測量要求。

2.2 安全殼變位（垂直方向）監測系統改造

原秦二廠3#、4#機組安全殼變位（垂直方向）監測系統數據為深度游標卡尺人工讀測。本次改造采用DCLVDT精密位移傳感器代替游標卡尺，對每個機組現有的垂直方向變位測量系統增加DCLVDT精密位移傳感器[5]，加裝DCLVDT傳感器示意圖如圖2。

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

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

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

2.3 安全殼結構監測系統自動化采集改造

完成安全殼變位監測系統改造后，對整個安全殼結構監測系統進行自動化采集改造。自動化監測系統主要由現場信號測量傳感器、就地監測子單元（CEM）、監測主單元（MCU）及監測計算機構成，通過通訊線將監測子單元（CEM）與監測主單元MCU連接起來，再進入監測計算機，組成1個采集系統網絡，完成整個監測系統的數據采集、傳輸、存儲和處理[6]。

混凝土應變監測、灌油鋼束預應力監測、混凝土溫度監測3個子系統的現場信號測量傳感器予以保留，通過就地監測子單元（CEM）替換原有的數據采集器進行數據采集，將安全殼結構監測系統中現有傳感器及改造后的水平、豎向變位監測數據全部接入就近布置的CEM機柜（分別在W031、K017、K217、W071、K057、W272房間），通過通信電纜將各CEM采集到的數據傳輸至L747房間的監測主單元（MCU），3#、4#機組各自對應1臺MCU。最終，兩臺MCU將數據全部傳輸至1臺監測計算機，實現自動測量，組成安全殼結構性能自動監測系統，其系統示意圖如圖4。

圖4 自動監測系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of automatic monitoring system

2.4 安全殼結構監測系統改造難點及解決方案

2.4.1 設備固定安裝避免影響安全殼結構強度

本次安全殼結構監測系統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備安裝于安全殼基礎筏板表面，施工鉆孔過程可能對安全殼混凝土內鋼筋造成破壞，影響安全殼結構強度性能。

為此，首先在選擇設備固定方式時優先選用化學錨栓固定，化學錨栓是通過化學粘接劑將螺桿固定在鉆孔中，無膨脹擠壓應力，同時化學錨栓具有在潮濕環境下長期負荷穩定和具有良好抗震性能的特點，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行探測，可實現鋼筋混凝土結構和內部預埋物的無損結構探測，可準確避開混凝土內部鋼筋，避免影響安全殼結構強度，整個改造施工中未發生鉆孔破壞鋼筋問題。

2.4.2 環境較差區域監測設備保護

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廠房的變位監測系統，現場環境潮濕，存在雨水滴落至設備的可能。由于安全殼變位監測系統改造增加的CCD傳感器和DCLVDT傳感器均為高靈敏度電氣設備，潮濕的房間環境對設備內部電氣元器件絕緣層材料性能有極大影響，在通電狀態下可能發生短路故障，引發電氣消防安全隱患，同時潮濕環境還會加速設備老化，影響測量靈敏度及準確性。

為確保安全殼變位監測系統改造增加的CCD傳感器和DCLVDT傳感器不受雨水和潮濕環境的影響，保證設備安全穩定運行，對W廠房內每組變位監測裝置外圍加裝1個監測保護小室，小室墻體材料主要由有機玻璃、支撐柱、板材等構成，對設備起到較好的保護作用。

2.5 安全殼結構監測系統改造驗收

本次安全殼結構監測系統改造的自動監測設備精度不低于改造前系統，因此對于水平方向變位監測系統、混凝土應變監測系統、灌油鋼束預應力監測系統及混凝土溫度監測系統，由于以上監測系統均保留了原讀數裝置，故采用新舊設備讀數對比的方式進行驗收。對于垂直方向變位系統監測，由于改造增加DCLVDT傳感器必須拆除原讀數裝置[8]，故采用標準位移發生器和外部讀數儀表測量，與自動監測系統讀數進行比對安全殼結構監測系統改造驗收數據分析。

以4#機組安全殼結構監測系統改造為例，通過對4#機組安全殼變位（水平、垂直）監測系統、混凝土應變監測系統、灌油鋼束預應力監測系統、安全殼溫度監測系統改造前后采集數據分析對比，各子系統數據變化量差值均在要求的范圍內，且均遠低于限值，滿足改造要求。

系統改造后投入運行至今已近一年，設備運行穩定，每季度對設備測量精度進行校驗均滿足要求。

3 安全殼結構監測系統改造后的良好應用

首先，安全殼結構監測系統改造實現了測量數據的自動化讀取采集，提高了數據讀測穩定性，確保了安全殼結構監測系統運行的可靠性，同時節省了數據讀測的人力及時間成本。安全殼結構試驗，包括日常筒身變位讀數測讀、混凝土局部應變及鋼束力數據測讀、反應堆安全殼結構性能試驗等。對于混凝土應變及鋼束力數據讀測，每臺機組共80余處點位，安全殼結構監測系統改造前數據均需人工跑點，且需現場對讀測箱供電再進行人工讀測記錄，筒身變位系統讀數也需攜帶光學顯微鏡等讀測工具進行跑點并進行人工讀測記錄，耗費大量人力及時間，而改造后系統所有數據均為系統自動采集，大量節省了試驗人員投入及時間成本，同時獲得的數據可靠，不存在因人因失誤而重復、錯誤讀取記錄數據。

其次，安全殼結構監測系統改造實現了測量數據的實時采集存儲、比對分析功能，對安全殼結構性能試驗及核電機組老化管理、延壽評估提供豐富數據。對于安全殼結構性能試驗，安全殼結構監測系統改造后可實現打壓試驗前、至最高壓力、完全卸壓全過程數據進行記錄，并可形成趨勢曲線，為安全殼結構性能全面分析提供更具體準確數據；同時改造后可實現長周期多次試驗數據對比及隨時調取，并可對存在異常數據進行記錄，后續綜合其他因素進行分析時可反復迅速查看；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、降雨等環境因素影響必然導致安全殼老化[9]，安全殼發生形變，混凝土因溫度導致裂縫，灌油鋼束老化腐蝕導致預應力損失等均會嚴重影響安全殼壽命和安全，改造后系統可將采集數據形成曲線，分析歷史采集數據變化趨勢。基于這些歷史數據，可綜合分析外界因素對安全殼結構性能的影響，同時安全殼結構監測作為安全殼老化檢查中一項重要部分，本次改造后系統為核電機組老化管理、延壽評估等提供基礎數據。

4 總結

通過對安全殼結構監測系統的自動化改造，解決原設備老化失效、原安全殼變位監測系統需人工跑點讀數的問題，實現安全殼變位監測系統、混凝土應變監測系統、灌油鋼束預應力監測系統、混凝土溫度監測系統所有數據自動迅速采集、傳輸、存儲處理，經驗收數據采集分析對比，改造后系統運行準確穩定，改造后實現安全殼結構持續監測，積累大量日常基礎數據，有利于對安全殼整體結構性能進行全面分析，為M310堆型安全殼結構監測系統的改造工作提供了極大的參考和借鑒意義[10]。