核電廠內(nèi)層安全殼智慧監(jiān)測技術(shù)的研究與應用

鐘李軍，及世良，韓玉仲，張鵬宇

（1.中國核工業(yè)第二二建設(shè)有限公司；2.中電投工程研究檢測評定中心有限公司）

1 概述

安全殼是核電廠反應堆主廠房的圍護結(jié)構(gòu)，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最后一道安全屏障[2]。在核電站運行過程中，安全殼健康狀況會在內(nèi)、外荷載和環(huán)境侵蝕作用下逐步降低。高效準確地監(jiān)測、檢測并評估安全殼的健康狀態(tài)，及時對其進行維護保養(yǎng)是核電廠的重要工作。

本文針對核電工程安全殼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時所遇到的技術(shù)難點和痛點，對安全殼結(jié)構(gòu)響應進行有限元分析，引入BIM技術(shù)建立三維模型；聯(lián)系工程實際確定最優(yōu)監(jiān)測方案，搭建CIM系統(tǒng)；結(jié)合可視化、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)實現(xiàn)安全殼智慧監(jiān)測。為安全殼從設(shè)計、試驗、服役提供全生命周期監(jiān)測和預警服務，進一步提高了核電安全管控效率，降低了運營成本。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 有限元數(shù)值分析

安全殼強度試驗是指通過試驗檢驗安全殼在構(gòu)造和強度方面承受設(shè)計基準事故的能力[3]。強度試驗是模擬失水事故，且必須在電廠停堆檢修期間開展。從導致安全殼結(jié)構(gòu)損傷、試驗操作等方面綜合考慮，核電廠不宜高頻次開展強度試驗，強度試驗頻率為每5年或10年一次[2]。

建立安全殼有限元模型，對結(jié)構(gòu)承載力進行數(shù)值分析，可以評價安全殼的安全裕度，進一步評估其結(jié)構(gòu)抵抗失水事故和其他災害的能力。使用MIDAS FEA建立安全殼有限元模型，分析安全殼在強度試驗不同壓力平臺下的變形、應力等響應。與正式試驗相互驗證，評估安全殼結(jié)構(gòu)整體強度狀況，是彌補不能高頻次開展強度試驗并對其安全性驗證的有效方法。

1）兩點假設(shè)

為方便分析和計算，對安全殼有限元模型做以下假設(shè)：①假設(shè)預應力損失、混凝土收縮徐變等對安全殼結(jié)構(gòu)響應的影響很?。虎诩僭O(shè)安全殼小孔洞對安全殼結(jié)構(gòu)響應的影響很小。

2）有限元方法仿真分析

安全殼結(jié)構(gòu)強度試驗是向安全殼內(nèi)部充入壓縮空氣，模擬失水事故時殼內(nèi)壓力和溫度影響。根據(jù)規(guī)范要求的壓力臺階逐級升壓至峰值壓力，再逐漸卸載至零壓[3]。目前，我國核電廠安全殼多采用預應力混凝土結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)層設(shè)有鋼襯里，形成封閉內(nèi)腔。內(nèi)壓考慮1.15倍設(shè)計壓力，即0.483MPa。考慮永久荷載、活荷載、預應力荷載和試驗期間壓力荷載[4]，安全殼有限元模型及分析結(jié)果見圖1。

圖1 安全殼結(jié)構(gòu)有限元分析

2.2 BIM技術(shù)

傳統(tǒng)的建筑工程監(jiān)測普遍存在監(jiān)測結(jié)果滯后、難以及時處理，以及突發(fā)事件無法及時準確傳達等問題。BIM技術(shù)即建筑信息模型建造技術(shù)，除建立建筑模型外，其應用可貫穿于建筑工程項目的整個生命周期。通過信息集合，BIM技術(shù)擁有傳統(tǒng)工作模式和協(xié)同管理模式不具備的優(yōu)勢特點，將建筑工程項目由傳統(tǒng)粗放型施工方式向先進集約型施工方式轉(zhuǎn)變[5]。將BIM技術(shù)應用于核電工程健康監(jiān)測中，以數(shù)字信息技術(shù)模擬核電結(jié)構(gòu)的真實狀態(tài)，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等優(yōu)勢。

安全殼結(jié)構(gòu)復雜，涉及多專業(yè)、多領(lǐng)域，各類管線、設(shè)施設(shè)備排列復雜，給監(jiān)測設(shè)備的點位設(shè)定和現(xiàn)場安裝帶來一定困難。建立核電廠安全殼三維模型（見圖2），根據(jù)設(shè)計方案，在三維模型中添加儀表、設(shè)備等監(jiān)測系統(tǒng)信息，整合完成最終的BIM模型。

圖2 核電廠內(nèi)殼BIM模型

2.3 永久性儀表監(jiān)測（CIM）系統(tǒng)

根據(jù)內(nèi)殼表面結(jié)構(gòu)特點、物項分布，結(jié)合工程實踐、有限元分析結(jié)果和BIM模型，確定安全殼變形、應變、溫度、預應力損失監(jiān)測點位布置。在安全殼內(nèi)部和表面安裝自動化監(jiān)測儀表設(shè)備，通過測量線纜將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至內(nèi)殼底部設(shè)置的數(shù)據(jù)采集柜。在電氣廠房設(shè)置CIM系統(tǒng)控制室，通過光纖的傳輸方式將CIM系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)匯總至控制室工控機。

安全殼整體變形宜采用光電式或機械式垂線坐標儀測量。局部變形宜采用頂桿式變形測量儀測量。應力、應變和溫度采用預埋式應變計和溫度計測量，預埋式應變計宜采用振弦式應變計[6]，預埋式溫度計宜采用pt100或pt1000。安全殼預應力損失宜采用穿心式錨索測力計測量[3]。

2.4 可視化技術(shù)

隨著國內(nèi)外建筑向體量大型化、結(jié)構(gòu)復雜化趨勢轉(zhuǎn)變，越來越多的監(jiān)測專家將信息化技術(shù)應用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的三維可視化，并提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析速度和缺陷的識別效率。

通過三維虛擬手段對監(jiān)測系統(tǒng)進行直觀、可視化管理，以不同的顏色和格式表示，直觀、清楚地掌握各關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢和監(jiān)測系統(tǒng)運營狀態(tài)。建立安全殼狀態(tài)感知與評價大數(shù)據(jù)平臺體系，基于BIM技術(shù)集成模型信息、數(shù)據(jù)信息、設(shè)備信息、管理信息等，建立真實反映核電廠安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測的三維信息模型數(shù)字化產(chǎn)品[7]。核電廠安全殼測點分布可視化模型見圖3。

圖3 核電廠安全殼測點分布模型

3 核電安全殼智慧監(jiān)測

3.1 數(shù)據(jù)采集分析

采集軟件安裝在CIM系統(tǒng)控制室的工控機上。軟件分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)。智能采集終端采用LoRa技術(shù)，可兼容多種采集信號。WEB采集軟件采用B/S架構(gòu)，可以將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸至后臺服務器，兼容多種采集方式，然后通過瀏覽器進行查看。

核電工程監(jiān)測CEETC平臺用于核電安全殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測，實現(xiàn)對大數(shù)據(jù)的綜合分析和交互，將信息通過多功能基站及時、準確地傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，以GIS模式實現(xiàn)位置坐標的可視化追蹤。采用自主研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)達到監(jiān)測目的，用以評估安全殼在設(shè)計、構(gòu)造、強度等方面的承載能力（見圖4）。

圖4 核電工程監(jiān)測CEETC云平臺

3.2 安全殼結(jié)構(gòu)預警

對監(jiān)測數(shù)據(jù)分類梳理，分層建立狀態(tài)感知預警指標體系，包括應力、溫度和變形等。結(jié)合對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目、相關(guān)技術(shù)的分析調(diào)研，以及運營管理單位對關(guān)鍵監(jiān)測指標的建議、意見，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范，對各個參數(shù)的閾值進行設(shè)定，建立一套預警方案。預警技術(shù)實現(xiàn)方法流程見圖5。

圖5 預警技術(shù)實現(xiàn)方法流程圖

利用BIM技術(shù)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)兩者之間的結(jié)合與集成，使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在三維可視化、可開發(fā)的環(huán)境下進行運作，提升信息的可視化程度與共享效率，并通過Web3D繪圖技術(shù)，將JavaScript和OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起，為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染。通過使用Web3D技術(shù)，可以實現(xiàn)在網(wǎng)頁端查看3D模型，并實現(xiàn)與模型的互動，查看各項數(shù)據(jù)。保證結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的評估可以高效進行，使結(jié)構(gòu)監(jiān)測朝著信息化、智能化的方向發(fā)展[7]。

3.3 CIM系統(tǒng)運維管理

綜合上述研究成果，建立基于CIM系統(tǒng)三維模型的運維管理平臺。該平臺能實時顯示該系統(tǒng)各組件的名稱型號、空間位置、功能和運維狀態(tài)等，同時該平臺包括用于系統(tǒng)檢修和維護的安全殼附屬通道、行人平臺和爬梯等建筑信息，方便用戶對其進行查看、管理和維護。用戶可根據(jù)該系統(tǒng)的運維管理歷史，在平臺上進行編輯、記錄、存儲相關(guān)信息。

4 結(jié)語

在前人研究的技術(shù)上，結(jié)合建筑工程領(lǐng)域智慧監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，通過對內(nèi)殼進行有限元仿真分析，引入BIM技術(shù)建立安全殼三維建模，結(jié)合工程實踐及有限元分析結(jié)果，確定最優(yōu)監(jiān)測方案，建立安全殼CIM系統(tǒng)。結(jié)合可視化技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)對核電廠內(nèi)層安全殼的智慧監(jiān)測。

安全殼智慧監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)Π踩珰さ姆蹱顟B(tài)實時監(jiān)測，對信息存儲記錄、分析處理，對安全殼異常響應預警及永久性儀表運維管理等，實現(xiàn)了核電廠內(nèi)層安全殼全生命周期的智慧一體化管理。