核電站筏基用振弦應變計失效分析與試驗

張磊磊， 胥 明， 王 凱， 楊忠勇

(1. 中國核工業華興建設有限公司， 江蘇 南京 210019; 2. 東南大學， 江蘇 南京 210096)

核島廠房筏基、安全殼筒體、穹頂連接區域均安裝有振弦應變計，用于監測施工階段、安全殼強度與密封試驗階段，以及運行期內的混凝土結構應力情況，以確保結構安全性，監測的傳感器多數采用振弦式應變計。

振弦應變計[1～5]主要由端座、護管、振弦、熱敏電阻、激振及拾振線圈等部分組成，見圖1。當被測結構發生應變時，應變計兩端產生相對位移并傳遞給鋼弦，使振弦受力發生變化，從而改變振弦的固有頻率。通過輸出脈沖信號線圈激勵振弦，檢測出線圈所感應信號的頻率，同時應變計中的熱敏電阻同步測出測點的溫度值，經公式換算和溫度修正可得到被測結構的應變。

圖1 振弦式應變計簡圖

目前在核電站建造中發現筏基、筒體和穹頂上，特別是筏基內預埋的應變計陸續出現一些讀數異常或無讀數的情況。經過統計多個已建核電項目的振弦應變計讀數失效情況，可知筏基內應變計失效情況較多，見表1。

表1 部分已建和在建核電工程應變計失效數據

本文通過分析振弦應變計相應的國家標準GB/T 13606—2007[6]，GB/T 3408.2—2008[3]和筏基大體積混凝土澆筑實際工況，針對振弦應變計失效情況，制定了試驗方案分析失效原因，研究其失效的內在機理，為今后振弦應變計選型提供技術保障。

1 工程概況

某項目核島筏基內預埋了結構監測和大體積混凝土澆筑養護期間監測用的振弦應變計，該項目核島筏基分2次澆筑，第一次澆筑后就出現了較多的振弦應變計讀數異常和失效，工程各方分析認為失效的主要原因來自施工過程未保護到位，因此第二次澆筑在總結第一次失效經驗的基礎上，采取了如下針對性的改進措施：

(1)儀表線圈外增加金屬抱箍，對應變計電纜與中間線圈部位進行加強保護；

(2)加大鋼筋保護籠網格尺寸，確保大骨料能順利進入，同時設置無保護籠的應變計作對比；

(3)編制加密振搗方案，振搗點間距控制在0.4 m，現場設專人監督澆筑振搗。

經過上述改進措施，第二次澆筑應變計失效情況如表2所示，所做的施工改進并未起到效果，發現應變計都是在筏基澆筑后10 d左右開始陸續失效，因此可以排除施工方面的影響。

表2 某項目兩次筏基澆筑應變計失效情況

為了分析不同品牌應變計的差異，選取四種產品(表3)進行對比試驗，對比驗證不同廠家應變計產品在筏基施工過程中的適應性和穩定性。混凝土模擬試驗塊尺寸為11 m×11 m×3.85 m，在對角線4個方向分別布置4種應變計；每種應變計平面上分別布置3個位置，深度上布置2個位置，每個位置3個方向應變計，共計18個應變計(圖2)。其中品牌D即為上述筏基失效較多的應變計型號。

表3 模擬試驗的不同品牌振弦式應變計性能對比

圖2 4種振弦式應變計埋設平面位置/mm

經過澆筑后一個月的連續監測，結果顯示：

(1)品牌A：讀數正常，一個應變計21 d左右頻率讀數失效。

(2)品牌B：讀數正常，負載應變波動較品牌A明顯。

(3)品牌C：讀數正常，負載應變的波動較為明顯，高于品牌B和品牌A。

(4)品牌D：大多點位讀數正常，負載變化穩定，但從第9天開始，觀測期內共8個應變計先后出現問題(失效率45%)。判斷該型號應變計本身可能存在缺陷，因此開展分析研究該型號應變計失效原因。

2 振弦應變計失效分析

通過研究和調查若干核電項目應變計相關資料，梳理振弦應變計異常原因及線索，認為異常原因有4個方面：(1)儀表設計與制造方面可能存在本體設計缺陷，例如：穩定性不足、應變計防腐設計失效等；(2)選型與布置可能存在量程選擇不正確；(3)采購驗收方面可能存在技術要求與進場驗收要求不明確或不準確；(4)讀數方面可能原因包括應變計與讀數儀全量程匹配性問題、讀數儀自身問題。

這四個方面的原因中，通過前期現場失效情況判斷振弦應變計本身可能存在缺陷，依據標準設計了3個項目測試：(1)外觀和尺寸測量、絕緣測試；(2)應變計標稱量程匹配特性測試(室溫)；(3)使用壽命測試，就是模擬現場溫度應變計的長期耐溫性驗證。根據施工現場條件設計了3個項目測試：(1)不同溫度條件下應變計耐溫性驗證；(2)混凝土預埋應變計壓縮匹配性測試(室溫);(3)應變計鋼弦腐蝕測試。一共6個測試項目。

3 振弦應變計技術參數試驗研究

3.1 振弦應變計技術參數試驗設計

為進一步驗證振弦應變計失效原因，依據國標GB/T 13606—2007和GB/T 3408.2—2008開展相應的試驗研究，具體試驗項目見表4。從項目中，抽取了部分振弦應變計，具體參數見表5。

表4 針對品牌D振弦式應變計的檢測試驗項目及內容

表5 試驗應變計的編號和試驗項目一覽表

6個測試項目根據測試要求的順序依次展開，具體流程見圖3。

圖3 測試流程

3.2 振弦應變計技術參數性能測試

外觀和尺寸測量在自然室溫條件下，采用游標卡尺、數碼相機進行測試。線圈電阻采用普通萬用表，絕緣電阻采用UNI-T UT501A 100V兆歐表，分別測試應變計的線圈電阻和應變計的絕緣電阻，經過檢查所有試驗對象均能滿足規范要求。

應變計標稱量程匹配特性測試、傳感器讀數穩定性測試采用SCS-1型振弦應變傳感器標定架，見圖4，5。根據標準GB/T 13606—2007和GB/T 3408.2—2008要求，應變計穩定性是按額定值加、卸荷10次，其零點漂移應不大于0.5%f.s，穩定性的考察和應變計標稱量程匹配特性測試在一起進行。結果發現5支中有3支應變計在標定檢查前后初始讀數變化過大(相對變化超過15 με，即滿量程3000 με的0.5%)，不符合穩定性的要求，見表6。

圖4 振弦式應變計標定裝置

圖5 應變計測試

表6 應變計標定前后讀數的變化(品牌D)

混凝土預埋應變計壓縮匹配性測試采用INSTRON HDX1000電子液壓萬能試驗機和混凝土彈性模量測定儀，見圖6。采用兩臺與試驗用應變計配套的讀數儀進行測試，均在常溫條件下進行測試[7～9]。

圖6 混凝土預埋應變計壓縮匹配特性測試

將混凝土中應變計的應變讀數和混凝土標準應變進行比較。5支測試的D品牌應變計中，有4支測試應變高于標準應變，高出范圍在9%～21%，其中1支應變計(3#-C15V)測得的應變與混凝土標準應變的相對誤差達到20%左右，另外3只應變計(3#-C7V，3#-C9R，3#-C19T)測得的應變與混凝土標準應變的相對誤差在10%左右；只有1支測試的應變與標準應變吻合，相對偏差不超過2%，具體數據詳見表7。

表7 混凝土預埋應變計應變讀數與標準應變比值(品牌D)

3.3 不同溫度條件下應變計耐溫性測試

不同溫度條件下應變計耐溫性驗證測試采用振弦式應變傳感器標定架和不銹鋼帶調溫電熱裝置，進行加溫并準確控制溫度，見圖7。試驗時將應變計夾持固定在振弦應變傳感器標定架上，將標定架夾持固定應變計的部分浸入水中，通過不銹鋼帶調溫電熱裝置加熱并控制水溫，待水溫達到測試要求時，通過搖動標定架手柄進行測試。

圖7 加溫測試裝置

測試采用了兩種方法。第一種是在40，50，60，70，80 ℃條件下進行3次應變計預加、卸位移測試循環。將應變計調整到能穩定測試的最小頻率讀數，將此讀數設定為零點，按0～3000 με的范圍均勻分布取6點，測出每一測點的輸出量；應變增加到3000 με后反向，再次測出每一測點的輸出量，重復3次。第二種是將應變計采用自由無約束方式加溫至80 ℃后持續4 h，然后降溫至常溫，反復多次循環，觀測應變計讀數的變化。

試驗結果表明5支應變計測試前后的讀數相差較大，最大的讀數相差156 Hz，對應的應變讀數相差633 με(表8)。說明應變計經歷不同溫度條件后，其初始讀數發生了較大變化，穩定性能不足。測試結果表明：振弦應變計出現零點漂移現象(外界條件相同時，應變計的初始讀數發生改變)，相當于應變計讀數存在虛假應變(由應變計零點漂移引起的應變)，應屬于穩定性不足的表現。在現行的國家標準中沒有對此進行規定。但作為核電站長期監測使用的應變計，由于在大體積混凝土澆筑的過程中存在升溫和降溫的過程，需要應變計在混凝土溫度變化前后能保持初始讀數不變的性能要求。

表8 部分應變計耐溫性測試前、后的變化(品牌D)με

3.4 模擬現場溫度應變計的長期耐溫性測試

模擬現場溫度應變計的長期耐溫性測試由容積為400 L長方形耐溫白色塑料水箱(外面包裹保溫材料)、加熱設備和溫度控制設備構成(圖8)。根據現場實測的溫度曲線模擬現場實際溫度，每天測試應變計輸出量，并做記錄。

圖8 模擬工況試驗測試裝置

測試的混凝土試樣浸沒在水中，加熱裝置通過加熱水加熱混凝土試樣，溫度控制裝置可以準確控制水溫。試驗持續了22 d。模擬現場溫度變化的曲線見圖9。

圖9 模擬工況溫度變化曲線

在試驗初期，應變計讀數呈現上升趨勢，在12 d后應變計讀數呈現逐漸下降，在20 d左右應變計讀數出現波動，最終有3只應變計沒有讀數顯示，見圖10。與某工程項目筏基失效的應變計，初始表現為讀數不穩，波動范圍較大，后續出現無頻率的現象相似，說明試驗再現了現場應變計失效的情況。

圖10 3#-C20R，3#-C7V，3#-C9R應變計的讀數變化

其中3#-C7V和3#-C20R在第20天不顯示讀數，持續時間為481 h；3#-C9R在第21天讀數正常，降溫到24 ℃后不顯示讀數，持續時間為522 h。這3支應變計在前13～14 d讀數呈現上升趨勢，14 d后讀數開始下降，直到最終沒有讀數。

3#-C19T到第15天不顯示讀數，第21天溫度降到24 ℃時，應變計重新顯示讀數，應變計讀數總體呈上升趨勢。3#-C15V在整個試驗期間讀數正常，沒有出現異常情況，應變計讀數在前14 d呈現上升趨勢，14 d后開始下降，第21天停電，溫度下降，其讀數增大，繼續加熱后讀數回到原位置(圖11)。

圖11 3#-C15V，3#-C19T應變計的讀數變化

3.5 振弦應變計鋼弦腐蝕測試

3.5.1 試驗設備

應變計鋼弦腐蝕檢測主要設備有：INSTRON 3367電子萬能試驗機、應變計拉伸專用夾具(圖12)、500倍高清數碼電子顯微鏡、計算機、圖像處理軟件等。

圖12 INSTRON 3367試驗裝置

3.5.2 試驗方法

經過模擬現場長期耐溫試驗后的應變計從混凝土試樣中取出，拉斷并抽出應變計鋼弦，檢測鋼弦腐蝕現象。

后期補充的未經過模擬現場長期耐溫試驗的應變計(3#-C20T，3#-C18R)，安裝在INSTRON 3367電子萬能試驗機的應變計拉伸專用夾具上，拉斷應變計內的鋼弦，觀察鋼弦的腐蝕情況。

3.5.3 試驗結果

5支經過模擬現場長期耐溫試驗的應變計，從混凝土試樣中取出。由于應變計鋼弦已經嚴重腐蝕，在取出的過程中，鋼弦就發生斷裂。從端部抽出鋼弦，發現應變計內部鋼弦出現嚴重的腐蝕現象，有的甚至因腐蝕而斷裂，如圖13。有的鋼弦的腐蝕深度已經達到鋼弦直徑的一半以上，如圖14，15。

圖13 3#-C9R應變計鋼弦斷口的腐蝕形貌

圖14 3#-C19T應變計鋼弦嚴重腐蝕形貌

圖15 3#-C20R應變計鋼弦嚴重腐蝕形貌

補充的2支應變計(3#-C20T，3#-C18R)打開后進行鋼弦表面檢測，其中3#-C20T應變計鋼弦表面沒有銹蝕，表面清潔光亮，見圖16。3#-C18R應變計鋼弦表面局部有銹蝕現象，見圖17。說明沒有經歷現場長期溫度變化的應變計，在常溫貯藏條件下也存在腐蝕現象。說明此類應變計在常溫貯藏條件下耐腐蝕性能不足。

圖16 3#-C20T應變計鋼弦表面

圖17 3#-C18R應變計鋼弦表面

4 結 語

本文通過標準測試找出(品牌D)振弦應變計的不足之處：(1)穩定性不滿足標準要求；(2)耐溫性能不足。通過非標準的測試找出振弦應變計失效原因，即在施工條件下出現鋼弦嚴重腐蝕現象，導致鋼弦斷裂，使得振弦應變計沒有讀數，使用壽命達不到要求。因此對核電站筏基用振弦應變計應提出以下要求：

(1)核電站筏基使用的振弦應變計在選型時，需要對振弦應變計的工作環境溫度、內部應力、耐溫性、可靠性進行確定；

(2)振弦應變計除按國標、行標進行檢驗外，還需增加在極限溫度條件下的穩定性測試。將振弦應變計自由狀態加溫至標稱使用溫度的最高溫度，保持溫度不少于2 h，再降溫；以上步驟至少進行3次循環。觀測應變計的初始讀數的變化，其變化率應小于0.5%FS；

(3)核電站筏基使用的振弦應變計，應進行長期耐溫性測試，并將其作為進場驗收的基本條件。將振弦應變計埋置在混凝土試樣中，模擬核電站筏基混凝土現場的溫度變化對應變計進行長期耐溫性測試，持續時間不少于60 d，觀測此期間應變計的讀數變化是否正常。最后取出并解剖應變計，檢查鋼弦表面，不允許存在銹蝕現象；

(4)筏基用振弦應變計是精密儀器，施工各個環節需要控制和保護，采取諸如加裝鋼筋保護籠，安裝加固，混凝土澆筑振搗控制等措施；

(5)所使用的讀數儀需要與振弦應變計匹配，且在型檢、出廠檢和現場實際時使用同型號讀數儀。