AP1000鋼制安全殼氣壓試驗變形測量方法及變形結(jié)果分析

馬先宏，楊 炯，李 鍇

(國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233)

核電廠運營前均需要針對安全殼進行一次打壓試驗，驗證其結(jié)構(gòu)完整性及整體密封性。安全殼結(jié)構(gòu)整體性試驗是通過監(jiān)測安全殼在打壓期間的應(yīng)變、位移等結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)，結(jié)合理論計算結(jié)果，評估其結(jié)構(gòu)完整性。在引進AP1000機組之前，國內(nèi)已有核電機組均采用預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼。該類安全殼的結(jié)構(gòu)整體性試驗測量技術(shù)已經(jīng)高度成熟。其應(yīng)變測量采用埋入式振弦應(yīng)變計，位移測量采用鉛垂線系統(tǒng)[1]。然而，AP1000機組采用的是鋼制安全殼，其材料和結(jié)構(gòu)和國內(nèi)已有的預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼完全不同[2]，導(dǎo)致現(xiàn)有的混凝土安全殼結(jié)構(gòu)整體性試驗技術(shù)完全無法適用于AP1000核電廠的鋼制安全殼。因此必須針對AP1000安全殼的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計新變形測量方法。本文從AP1000安全殼的結(jié)構(gòu)特點入手，詳細論述了其應(yīng)變測量和位移測量方法，并對AP1000依托項目四臺機組的安全殼變形結(jié)果進行了分析對比，證明氣壓試驗期間AP1000鋼制安全殼始終保持線彈性變形狀態(tài)，從而表明了其設(shè)計的科學(xué)合理性和建造質(zhì)量的可靠性。

1 AP1000鋼制安全殼結(jié)構(gòu)特點

AP1000鋼制為帶橢球形封頭的圓柱鋼制容器，其外圍被鋼筋混凝形土屏蔽構(gòu)筑物所遮擋，兩者在筒體段區(qū)域的間距約為1.4 m。鋼制安全殼容器(Containment Vessel，CV)是獨立式的帶上下橢球封頭的圓柱形鋼制容器，按照ASME Ⅲ NE分卷-MC級設(shè)備(金屬安全殼材料)的要求設(shè)計制造，設(shè)計壓力為59 psig(0.407 MPa)。筒體段直徑約為40 m，由11圈鋼板焊接而成。頂封頭和底封頭為橢球形，高度約為11.2 m。底封頭澆筑在混凝土中，筒體段和頂封頭暴露在空氣中。整個安全殼由五個主要結(jié)構(gòu)模塊組裝建造而成。每個模塊都由預(yù)先成型的、噴好涂層的鋼板(SA738 B級)制成。這些模塊包含環(huán)形加強筋、環(huán)吊梁、設(shè)備閘門、人員氣閘門、貫穿件和其他附件[3]。AP1000鋼制安全殼除具備承壓和密封功能外，還具備非能動冷卻功能[4]。整個安全殼的形狀如圖1所示。

圖1 AP1000鋼制安全殼示意圖Fig.1 Sketch of the AP1000 steel containment

由于AP1000的安全殼由鋼板焊接而成，建造完成后其表面不允許焊接，更無法預(yù)埋，因此混凝土安全殼所采用的埋入式應(yīng)變計和鉛垂線系統(tǒng)在此完全不適用。

2 測量要求

2.1 測點布置

在氣壓試驗過程中，AP1000鋼制安全殼要求測量安全殼變形情況，具體包括殼體表面應(yīng)變和殼體位移。其中應(yīng)變測點數(shù)量113個，位移測點57個。

在113個應(yīng)變測點中，44個測點分布于安全殼筒體段的四個方位角上，每個方位角11個測點，方位角間隔90°，每圈殼體板上有四個測點；32個測點分布于安全殼頂封頭的四個方位角上，每個方位角8個測點，方位角間隔90°；37個測點呈輻射狀分布在兩個人員閘門和兩個設(shè)備閘門周圍。每個測點上均要測量出該點的主應(yīng)變。

57個位移測點中，有44個測點分布于安全殼筒體段的四個方位角上，每個方位角11個測點，方位角間隔90°，與應(yīng)變測點的方位角相差5°，每圈殼體板上有四個測點；13個測點分布于頂封頭的四個方位角上，每個方位角4個，頂封頭中心點處一個。位移測量方向為該測點處的法線方向。

2.2 測量要求

AP1000鋼制安全殼氣壓試驗對變形測量的要求如下：

(1)要求測出每個應(yīng)變測點處的主應(yīng)變；

(2)對于筒體段位移測點，要求測量其徑向位移；

(3)對于頂封頭的位移測點，要求測量測點法線方向的位移；

(4)能夠?qū)崿F(xiàn)所有測量參數(shù)的實時自動采集；

(5)夠?qū)崟r繪制各個測點能的測量數(shù)據(jù)隨時間的變化曲線；

(6)能夠?qū)崟r繪制應(yīng)變/位移測量結(jié)果隨壓力的變化曲線；

(7)可實時對比應(yīng)變和位移的測量結(jié)果與理論分析結(jié)果；

(8)安全殼變形超出報警值(該值為理論計算值的1.2倍)時，能夠發(fā)出報警。

前三條可歸結(jié)為現(xiàn)場測量的技術(shù)要求，后五條可歸結(jié)為測量數(shù)據(jù)處理要求。因此，為滿足上述測量要求，必須從現(xiàn)場測量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理兩方面加以解決。

3 變形測量

3.1 應(yīng)變測量

3.1.1 應(yīng)變片選取及安裝

AP1000鋼制安全殼屬于薄壁結(jié)構(gòu)，且材質(zhì)為鋼材，因此可直接采用技術(shù)成熟的應(yīng)變片方法[3]來測量其表面應(yīng)變。由于要求測量測點處的主應(yīng)變，因此可采用三軸應(yīng)變花。針對AP1000鋼制安全殼，特采用直角三軸應(yīng)變花，如圖2所示。

圖2 直角三軸應(yīng)變花Fig.2 Rectangler strain gage rosette

應(yīng)變花的1號軸為0°方向，2號軸為90°方向，3號軸為45°方向。安裝筒體段應(yīng)變花時，使2號軸平行于筒體軸線；安裝頂封頭應(yīng)變花時，使2號軸平行于母線。

測點處的主應(yīng)變可根據(jù)三個軸上的應(yīng)變測量結(jié)果計算得出。對于三軸直角應(yīng)變花，第一主應(yīng)變和第二主應(yīng)變的計算公式分別如下[5]。

式中：εp1、εp2——為第一主應(yīng)變和第二主應(yīng)變；

ε0——0°軸上的應(yīng)變片測量結(jié)果；

ε90——90°軸上的應(yīng)變片測量結(jié)果；

ε45——45°軸上的應(yīng)變片測量結(jié)果。

應(yīng)變花安裝前應(yīng)先處理測點處的安全殼表面， 去除安全殼表面涂層，露出金屬表面，并通過打磨使表面光潔度滿足應(yīng)變片安裝要求。粘貼應(yīng)變花時，應(yīng)通過直尺、鉛筆等輔助工具，使應(yīng)變花三個軸的方向?qū)R預(yù)定的方向。

3.1.2 安裝后的質(zhì)量檢查

應(yīng)變花的安裝質(zhì)量直接影響應(yīng)變測量效果，因此必須對安裝后的質(zhì)量進行檢查確認。通常通過三個方面的測試來檢驗應(yīng)變花安裝質(zhì)量。

(1)應(yīng)變片電阻。應(yīng)變測量一般選用電阻值為120 Ω的應(yīng)變片，應(yīng)變花安裝前后，其電阻值變化一般來講不應(yīng)大于1 Ω。如果阻值變化較大，說明安裝過程中應(yīng)變片受到了某種程度的損傷，應(yīng)當(dāng)更換應(yīng)變花。因此在安裝前后應(yīng)分別測量應(yīng)變花三個軸的應(yīng)變片阻值，對比其阻值變化。

(2)應(yīng)變花與被測表面的絕緣電阻。安裝完成后，應(yīng)變花與被測表面(即CV表面)處于絕緣狀態(tài)，其絕緣電阻值應(yīng)大于1 GΩ，否則將影響應(yīng)變測量精度。因此安裝結(jié)束后，應(yīng)分別測量應(yīng)變花三個軸的應(yīng)變片與CV表面的絕緣電阻，確認滿足要求，否則應(yīng)更換應(yīng)變花。

(3)應(yīng)變花與安裝表面的貼合程度。理想情況下，應(yīng)變花應(yīng)當(dāng)通過膠水與安裝表面完全貼合，不應(yīng)有任何空隙，因為空隙的存在會直接影響應(yīng)變測量結(jié)果。然而，由于應(yīng)變花比較微小，很難通過肉眼來觀察是否存在空隙。在本次應(yīng)用中采用便攜式應(yīng)變測試儀來判斷是否存在空隙。具體操作方法是，將應(yīng)變花上的三個應(yīng)變片接入便攜式應(yīng)變測試儀，然后用橡皮按壓應(yīng)變花，觀察應(yīng)變片讀數(shù)變化是否劇烈。一般來講，如果貼合良好，其讀數(shù)變化不應(yīng)大于10 με。

若安裝后的應(yīng)變花通過上述三項測試，則說明其安裝質(zhì)量合格。最后在應(yīng)變花表面涂抹一定厚度的中性硅膠加以保護。

3.2 位移測量

3.2.1 測量基準點選取

若要測量CV殼體在氣壓試驗過程中的位移變化，首先應(yīng)選取適當(dāng)?shù)臏y量基點，將測量對象轉(zhuǎn)換為測點與基點之間的位移變化。測量基點可結(jié)合安全殼的空間結(jié)構(gòu)布置來加以選擇。對于AP1000安全殼來講，其CV外側(cè)的混凝土屏蔽廠房可以作為理想的位移測量基點。因為在氣壓試驗過程中，外側(cè)屏蔽廠房不承受任何試驗載荷，可以認為其處于靜止不動的狀態(tài)。測量CV殼體相對于外側(cè)屏蔽廠房的位移變化，即相當(dāng)于測量出CV殼體在氣壓試驗過程中的位移變化。

對于CV筒體段位移測點，可以選取屏蔽廠房內(nèi)側(cè)正對著測點的點作為測量基準點，即CV筒體半徑穿過位移測點與屏蔽廠房內(nèi)側(cè)的交點作為測量基準點。

對于頂封頭位移測點，同樣可以選取測點處的法線與屏蔽廠房內(nèi)側(cè)的交點作為測量基準點。

3.2.2 位移傳感器

位移傳感器種類眾多，針對試驗需求，綜合比較各類位移傳感器的適用性，最終選取頂針式位移傳感器和拉線式位移傳感器作為位移測量用傳感器。兩種傳感器的圖片如圖3所示。

圖3 位移傳感器Fig.3 Displacement transducer

頂針式位移傳感器用于測量安全殼筒體段位移，基于電感調(diào)頻原理測量位移[6]。其內(nèi)部有一個彈簧，前端探測桿在外力作用下可被推入傳感器內(nèi)部，外力消失后探測桿在彈簧作用下復(fù)位。被測物體的位移可轉(zhuǎn)化為探測桿的往復(fù)運動進而被傳感器內(nèi)部感應(yīng)元件所測得。

拉線式位移傳感器用于測量安全殼頂封頭測點位移，其測量原理與前者相同。被測物體的位移可轉(zhuǎn)化為拉線的往復(fù)運動進而被傳感器內(nèi)部感應(yīng)元件所測得。

3.2.3 位移傳感器安裝固定

測量安全殼筒體段位移的傳感器通過專門設(shè)計的支架安裝固定。支架通過膨脹螺栓固定在屏蔽廠房內(nèi)側(cè)墻壁，位移傳感器則安裝固定在支架上。支架可靈活調(diào)整安裝角度，確保安裝后定傳感器頂針垂直于安全殼表面，從而保證測得的位移為殼體徑向位移。安裝后如圖4所示。

圖4 筒體段位移測量裝置Fig.4 Installation of the transducer

需要注意到，CV在氣壓試驗過程中，不僅存在徑向位移，還會發(fā)生軸向位移。每個測點處的實際位移是這二者的疊加。然而試驗僅要求測量徑向位移，因此需要避開軸向位移對傳感器的影響。實際應(yīng)用中，在傳感器探測桿前端安裝了一個滾珠軸承，使得探測桿與安全殼表面之間可以自由滑動，這樣就避免了測點處的軸向位移對傳感器的影響，使得傳感器僅測量徑向位移。

頂封頭上的位移測點所處空間結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且各處不同，因此無法采用一種統(tǒng)一的位移測量方案，只能根據(jù)測點所在位置單獨進行設(shè)計。頂封頭位移測量采用拉線式位移傳感器。傳感器通過不同的方式固定在測點所在區(qū)域，拉線從傳感器中引出，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)向裝置后引向測點。為保證測量方向為法線方向，拉線必須垂直于測點所在安全殼表面。頂封頭位移測量方案如圖5所示。

圖5 頂封頭位移測量示意圖Fig.5 Displacement measurement on the top head

3.3 數(shù)據(jù)采集及處理

前文2.2節(jié)所述的后5條要求需要在數(shù)據(jù)采集及處理中加以實現(xiàn)。

所有應(yīng)變花及位移傳感器均接入數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀與采集電腦相連。試驗期間所有的數(shù)據(jù)采集及存儲均由采集電腦控制。設(shè)置好數(shù)據(jù)采集頻率后，所有測量數(shù)據(jù)將自動采集。

試驗采集分析軟件為該試驗專門定制開發(fā)，其中包含各種數(shù)據(jù)查看與曲線繪制功能。每個測點的理論計算結(jié)果由設(shè)計方給出。由于設(shè)計方僅給出了幾個壓力平臺下的安全殼變形理論值，其他壓力下的變形理論值只能通過計算得出。從已提供的理論值可以看出，安全殼理論變形與內(nèi)部壓力荷載之間為線性關(guān)系，因此每個變形測點的理論計算結(jié)果可以通過內(nèi)部壓力乘以單位壓力荷載下的變形量計算得到。每個測點在單位壓力荷載下的變形量即為該測點的理論計算系數(shù)。該系數(shù)可通過已知理論值除以殼內(nèi)壓力計算得到。對于每一個應(yīng)變、位移測點，均可以計算得到一個理論計算系數(shù)，試驗分析軟件即根據(jù)該系數(shù)以及當(dāng)時測得的殼內(nèi)壓力計算相應(yīng)的變形理論值。

報警值的計算方法與理論值類似。試驗要求將報警閾值設(shè)置為理論計算值的1.2倍，因此將計算得到的理論值乘以1.2，即可得到報警值。當(dāng)某一測點的變形測量結(jié)果超出報警值時，軟件將發(fā)出聲音報警，并給出報警測點編號。

4 測量結(jié)果分析

4.1 試驗測量結(jié)果概述

AP1000依托項目四臺機組的安全殼設(shè)計和測點布置完全相同。四臺機組的安全殼變形測量結(jié)果分析匯總?cè)缦隆?/p>

(1)除結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的不連續(xù)區(qū)域外，AP1000鋼制安全殼的變形整體上隨內(nèi)部壓力呈線性變化。典型的應(yīng)變及位移隨殼內(nèi)壓力的變化曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6 典型位移變化曲線圖Fig.6 Typical displacement variation curve

圖7 典型應(yīng)變變化曲線圖Fig.7 Typical strain variation curve

此外，還可以看出，安全殼變形的實際測量結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合較好，說明前文所述的變形測量方法有效可行。

(2)最高試驗壓力(66 psig)下，四臺機組的最大變形數(shù)據(jù)如表1所示。從表中測量結(jié)果來看，四臺機組的筒體段最大主應(yīng)變最大相差10.1%，筒體段最大位移最大相差22.1%，頂封頭最大主應(yīng)變最大相差8.5%，頂封頭中心點位移最大相差11.6%，體現(xiàn)了良好的一致性。

表1 四臺機組安全殼最大變形數(shù)據(jù)①

Table 1 Maximum deformation data for the four CVs

測量參數(shù)三門核電1號機組三門核電2號機組海陽核電1號機組海陽核電2號機組筒體段最大主應(yīng)變/με1 2051 2781 1681 148筒體段最大位移/mm26.1320.3620.8121.03頂封頭最大主應(yīng)變/με940860908894頂封頭中心點位移/mm59.0062.7359.9066.75

注：①表中數(shù)據(jù)均為2.1節(jié)所述測點位置上測得的最大值；

(3)安全殼的最大主應(yīng)變值均小于殼體材料的屈服應(yīng)變，說明在試驗壓力下安全殼材料內(nèi)應(yīng)力未達到屈服強度。

(4)卸壓結(jié)束后，安全殼的殘余位移最大不超過2 mm，殘余應(yīng)變不超過100微應(yīng)變，說明安全殼基本恢復(fù)到試驗前的狀態(tài)。

4.2 應(yīng)變與位移測量結(jié)果互相驗證

安全殼筒體段應(yīng)變測點測得的第一主應(yīng)變方向均為水平方向。安全殼的變形在微觀上表現(xiàn)為安全殼表面應(yīng)變，在宏觀上表現(xiàn)為殼體徑向位移。筒體段的應(yīng)變和位移測點一共有9層，每一層有4個應(yīng)變測點和4個位移測點，每一層的應(yīng)變測量結(jié)果和位移測量結(jié)果可以互相驗證。

假設(shè)安全殼筒體段某一高度上的第一主應(yīng)變(即水平方向的應(yīng)變)平均值為ε，變形前安全殼筒體直徑為D1，變形后的直徑為D2，則根據(jù)變形關(guān)系，很容易推導(dǎo)出：

(1)

安全殼徑向位移即為直徑變化量的一半，則有：

(2)

由于四個機組的安全殼變形情況大致相同，本文在此僅以海陽核電2號機組在最大試驗壓力66 psig下測量數(shù)據(jù)為例，說明應(yīng)變測量結(jié)果與位移測量結(jié)果的一致性。

海陽核電2號機組筒體段的第一主應(yīng)變和徑向位移的測量結(jié)果分別如表2、表3所示。

根據(jù)平均應(yīng)變值計算得到的平均徑向位移值與實際測量平均徑向位移值的比較如表4所示。

表2 海陽核電2號機組安全殼筒體段第一主應(yīng)變測量數(shù)據(jù)

注：①第一層為筒體段最高一層應(yīng)變測點，向下依次遞增。

表3 海陽核電2號機組安全殼筒體段位移測量數(shù)據(jù)

注：①第一層為筒體段最高一層應(yīng)變測點，向下依次遞增。

表4 徑向位移計算值與實測值對比

注：①第一層為筒體段最高一層應(yīng)變測點，向下依次遞增。

表4的對比結(jié)果顯示了應(yīng)變測量結(jié)果與位移測量結(jié)果高度一致，進而說明了應(yīng)變測量與位移測量的有效性。同時也表明，安全殼筒體段的應(yīng)變分別比較均勻，選取的測點能夠代表筒體段的整體變形情況。

5 結(jié)論

通過對AP1000依托項目四臺機組的安全殼氣壓試驗變形數(shù)據(jù)的分析，可以得到如下結(jié)論。

(1)安全殼變形的實際測量結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合較好，說明本文論述的應(yīng)變測量方法和位移測量方法有效可靠。

(2)通過測得的安全殼結(jié)構(gòu)響應(yīng)來看，安全殼變形在試驗過程中始終保持線性增長，安全殼表面未出現(xiàn)屈服，且殘余變形非常微小，表明AP1000鋼制安全殼在試驗壓力下仍處于彈性變形范圍內(nèi)。

(3)通過筒體段應(yīng)變與位移測量結(jié)果和互相驗證顯示應(yīng)變測量結(jié)果與位移測量結(jié)果高度一致，進而說明了應(yīng)變測量與位移測量的有效性。同時也表明，安全殼筒體段的應(yīng)變分別比較均勻，選取的測點能夠代表筒體段的整體變形情況。這一分析方法也可推廣應(yīng)用至混凝土安全殼的應(yīng)變與位移測量結(jié)果分析。

(4)本文論述的鋼制安全殼變形測量方法可以為后續(xù)的鋼制安全殼氣壓試驗提供參考。

(5)AP1000依托項目是我國首批建設(shè)的鋼制安全殼機組。這四臺機組的安全殼氣壓試驗所積累的變形數(shù)據(jù)，為后續(xù)AP系列機組的安全殼設(shè)計建造與試驗積累了寶貴的工程實踐經(jīng)驗。