核電廠安全殼鋼筋保護層厚度的雷達探測技術(shù)

吳金鋒，袁書現(xiàn)，吳傳俠

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

核電廠安全殼是核反應堆的保護結(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)計要求能承受壓力、熱和機械作用導致的載荷。核電廠安全殼的功能是當一回路管道發(fā)生破裂甚至失水事故時，將放射性物質(zhì)限制在其內(nèi)部。CPR1000型核電機組采用的是帶密封鋼襯里的單層預應力混凝土安全殼[1]，底部用鋼筋混凝土底板密封，頂部用準球形的預應力混凝土穹頂封閉，其內(nèi)表面覆蓋一層6 mm厚的焊接鋼板。

對鋼筋混凝土構(gòu)件而言，合適的混凝土保護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層厚度呈負線性相關(guān)關(guān)系，當鋼筋混凝土保護層厚度大于設(shè)計要求厚度時，其受彎承載力降低;當鋼筋混凝土保護層厚度小于設(shè)計要求厚度時，混凝土對鋼筋的約束力不夠，會造成整體力學性能降低，兩種情況都會使得鋼筋混凝土構(gòu)件處于不安全狀態(tài)[2]。

在對安全殼進行安全裕度計算時，安全殼各方面的零點數(shù)據(jù)均需充分考慮，因此有效科學的檢測方法就變得尤為重要。筆者使用雷達探測技術(shù)對鋼筋混凝土保護層厚度進行檢測，為安全殼老化機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依據(jù)。

1 雷達探測技術(shù)原理

雷達探測技術(shù)是一種新型的無損檢測技術(shù)，具有檢測效率高、分辨率高等特點，被廣泛應用于非金屬材料的檢測中。該技術(shù)對混凝土的穿透能力強，可檢測深度大，且能夠相當直觀地完成快速和實時檢測，對建設(shè)工程的質(zhì)量保證具有重要的現(xiàn)實意義。

雷達探測技術(shù)是基于電磁波的傳播原理，對物體內(nèi)不可見的目標體進行定位的廣譜電磁技術(shù)，探測系統(tǒng)由主機、天線及數(shù)據(jù)處理軟件等組成。雷達探測技術(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構(gòu)件內(nèi)部，當遇到待測鋼筋時會反射電磁波，其反射系數(shù)主要由介質(zhì)的相對介電常數(shù)決定，通過對接收的反射信號進行處理和圖像解釋，確定被檢鋼筋的位置、直徑、長度等特征(見圖1)。

圖1 雷達探測技術(shù)原理示意

雷達波是一種電磁波，影響電磁波在介質(zhì)中傳播的兩個主要物理量為電導率σ和介電常數(shù)ε，其中電導率σ是決定電磁波吸收衰減的主因，介電常數(shù)ε對電磁波的傳播速度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)的相對介電常數(shù)。

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

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

實際工程中,可通過取芯法得到混凝土芯樣高度和電磁波雙程傳播時間的關(guān)系，求得混凝土構(gòu)件的相對介電常數(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間差t, 可計算出目標深度H, 即鋼筋混凝土的保護層厚度，計算公式為

(2)

2 雷達探測技術(shù)在安全殼檢測中的應用

依據(jù)標準GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》及標準GB/T 50476-2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》，不同環(huán)境構(gòu)件中的普通鋼筋及預應力鋼筋的混凝土保護層厚度均有相應規(guī)定，最小混凝土保護層厚度為15～90 mm。標準GB 50204-2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》規(guī)定必須對重要部位進行結(jié)構(gòu)實體檢驗，主要檢驗混凝土強度和鋼筋保護層厚度，需要對重要構(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，梁類構(gòu)件的縱向受力鋼筋保護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層厚度的允許偏差為-5～+8 mm。

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

核電廠安全殼厚度達到900 mm，其鋼筋保護層也較一般建筑工程的厚。采用雷達探測技術(shù)對安全殼模型進行檢測，來獲得該技術(shù)在安全殼混凝土保護層檢測中的精度。

2.1 鋼筋混凝土模型設(shè)計

2個鋼筋混凝土模型尺寸(長×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 檢測方法

采用LTD-2100探地雷達主機配GC1500，GC900 MHz的天線，分別對兩塊安全殼試塊的最外層鋼筋保護層厚度進行檢測。發(fā)射和接收天線與混凝土表面密貼，測線垂直于鋼筋的走向布置，鋼筋雷達剖面圖如圖3所示。由雷達主機高速發(fā)射雷達脈沖，進行快速連續(xù)采集，記錄電磁波雙程走時和動力學特征，經(jīng)過精細的數(shù)據(jù)處理與分析，根據(jù)反演電性分界面和電性突變點的埋藏深度來判定混凝土的保護層厚度，該方法具有分辨率高、圖像直觀、勘探周期短等優(yōu)點。

圖3 鋼筋雷達剖面圖

2.3 檢測結(jié)果

檢測前，分別在鋼筋的兩端測量其實際埋藏深度,取深度的平均值作為該鋼筋的保護層厚度，再用探地雷達進行檢測，檢測的雷達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垂直剖面圖(見圖4)，精確讀出時間標尺數(shù)值。調(diào)轉(zhuǎn)雷達天線方向進行反向檢測，經(jīng)公式計算可得到混凝土保護層厚度，雷達檢測結(jié)果如表2所示。

圖4 鋼筋探地雷達垂直剖面圖

測量兩塊安全殼試塊的實際厚度，在無設(shè)計缺陷的位置用探地雷達對其厚度進行檢測，得到兩塊安全殼試塊的鋼板界面(見圖5)，經(jīng)處理得到安全殼厚度，將檢測結(jié)果列入表2。

圖5 兩塊試塊的鋼板界面

表2 雷達檢測結(jié)果 mm

由表2可知，在進行安全殼鋼筋保護層檢測時，正向檢測與反向檢測重復性較好。保護層厚度為100 mm左右時，檢測偏差為1～3 mm；保護層厚度為200 mm左右時，檢測偏差為2～6 mm。在進行安全殼厚度檢測時，安全殼厚度為450 mm左右時，檢測偏差為0～5 mm；安全殼厚度為900 mm左右時，檢測偏差為2～7 mm。

無論是安全殼厚度的檢測還是鋼筋保護層厚度的檢測，檢測偏差均為正向偏差，將檢測數(shù)據(jù)導入EXCEL表格生成擬合曲線(見圖6)。

圖6 安全殼檢測數(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層厚度檢測值與實際值間具有很好的相關(guān)性，檢測結(jié)果可靠。

3 結(jié)語

介紹了雷達探測技術(shù)在核電廠安全殼檢測中的應用，從結(jié)果上看，安全殼厚度及鋼筋保護層厚度的檢測精度較高，同時測量值與真實值之間具有非常高的相關(guān)性，對檢測數(shù)據(jù)進行相應的線性回歸處理后，可得到更加準確的厚度測量值。