核电厂安全壳结构试验预埋应变计失效的替代方案分析

吴希盼，李志勇

（中国核电工程有限公司，北京 100089）

1 概述

核电厂安全壳作为核电机组安全运行的第三道屏障，需承受因设计基准事故产生的内压，为验证安全壳结构在设计基准事故工况下的工作性能，在安全壳建造完成后，需进行安全壳结构整体性试验。

安全壳结构整体性试验的目的包括：①验证评估非预力钢筋是否出现屈服；②通过目视检查，检查混凝土结构和钢内衬的损伤情况；③测量安全壳的变形及泄压后的残余变形是否满足要求。

安全壳建造阶段，在混凝土内安装预埋应变计，用以测量混凝土应变，配合安全壳裂缝观测及整体变形数据，来确定非预应力钢筋是否发生屈服。判定非预应力钢筋未出现屈服，通常有两种方式：①测量应变的最大值未超过使钢筋屈服的极限应变；②钢筋的应变在泄压后能够恢复，即弹性应变。

2 预埋应变计介绍

预埋应变计通常采用振弦原理：将一定长度的钢弦张拉在两个端块之间，端块置于混凝土中，混凝土的变形使两端块相对移动并导致钢弦张力变化，这种张力的变化使钢弦谐振频率发生改变，通过电磁线圈对钢弦进行信号激励，并读取频率数据，从而测量混凝土的应变。应变计及安装框架示意图如下图1所示：

图1 应变计安装框架示意图

预埋应变计通常布置在安全壳筒体区域、穹顶区域和设备闸门孔区域，沿混凝土厚度方向，在内（以“I”表示）、外（以“O”表示）层钢筋处各布置2个测点，每个测点安装2个应变计，分别测量混凝土的切向（以“T”表示）和竖向（以“V”表示）应变。

安全壳筒体区域，通常在同一标高设置4个角度的测点；穹顶区域通常在穹顶3个方位及穹顶中央的内外两侧，设置8个应变测点；设备闸门孔区域的应变测点分别沿设备闸门孔的水平和垂直轴线方向进行布置。

预埋应变计在安全壳建造阶段安装，到进行安全壳结构整体性试验，需经历数年时间，期间可能因为各种因素导致应变计失效。为保障试验的顺利进行，需采取相应替代方案。

3 替代方案分析

方案一：在失效应变计位置混凝土外表面安装临时应变计，以临时应变计测量的混凝土表面应变估算为原位置的应变。

核电厂预埋应变计失效时，通常在失效应变计位置混凝土外表面安装临时应变计，以临时应变计测量的混凝土表面应变估算为原位置的应变。

打压试验期间，安全壳受壳内压力影响产生变形，在混凝土开裂前，非预应力钢筋和周围混凝土共同协调变形。根据平截面假定原理，垂直于物体轴线的各平截面，在物体受力变形后仍为平面，并且与变形后的物体轴线垂直（如下图2所示）。即，安全壳外侧混凝土表面的应变大于内部混凝土及混凝土内的非预应力钢筋的应变。

图2 平截面假定示意图

因此，在失效的应变计位置混凝土外表面安装临时应变计，以测得的混凝土表面应变估算为原应变计位置的应变值，理论上其结果更加保守。

以我国某核电机组为例，在安全壳结构整体性试验前，进行设备试验时，发现有3处安全壳筒体区域的预埋应变计读数无法正常显示。对现场各种可能的干扰因素排查后，确认预埋应变计失效。

现场在失效应变计位置混凝土外表面以粘贴方式安装临时应变计，临时应变计测量数据与同标高的正常预埋应变计测量数据对比分析如表1：

表1 临时应变计与预埋应变计数据对比

（1）第一组应变计数据中，有两个预埋应变计失效。在最高压力平台，临时应变计的测量值分别为184.7 με与239.6 με，与正常预埋应变计测量值的差值分别为43.2 με和27 με。

（2）第二组应变计数据中，在最高压力平台，临时应变计的测量值为96.2 με，与正常预埋应变计测量值的差值为41.5 με。

（3）临时应变计的测量值与正常预埋应变计测量值变化趋势一致，均随压力平台相应变化，且泄压后的应变恢复良好。

根据应力-应变公式：

式中：

σ ——应力（MPa），HRB500钢筋的屈服强度标准值为500 MPa；

ES——HRB500钢筋弹性模量（2.0×105MPa）；

ε ——应变；

计算可得出，要使钢筋发生屈服的应变为2 500με，远大于临时应变计和正常预埋应变计的测量值及其差值。

综上，临时应变计测得的应变与正常预埋应变计测得的应变及其差值均远小于使钢筋发生屈服的应变（2500 με），且测得的应变值随压力平台变化趋势一致，在泄压后能够恢复良好。因此，可认为以临时应变计测量的混凝土表面应变估算为失效应变计位置的应变，并进一步用来判断非预应力钢筋是否发生屈服是合理可行的。

方案二：以同标高不同角度的多个应变测点数据平均值估算失效的应变计数据。

在安全壳筒体区域，同标高4个不同角度的应变测点示意图如图3所示。

图3 筒体区域应变测点角度示意图

当某一预埋应变计失效时，本方案拟用同标高不同角度的其他正常预埋应变计测量值的平均值近似估算为失效应变计的数据。例如，上图中A点的预埋应变计失效，则分别测量出B、C、D点的应变值，计算其平均值视为A点的应变。

仍以方案一中的3个失效应变计为例，对方案一临时应变计的测量结果和方案二的计算平均值的结果进行对比，如表2：

表2 方案一和方案二数据对比

因前两个失效应变计属于同一组应变计（同标高、同方向），对于方案二只能计算剩余的两个正常预埋应变计数据的平均值。对于3个失效的应变计，采用方案一和方案二其结果偏差分别为35.55 με、19.05 με、24.7 με，远小于使钢筋发生屈服的应变（2 500 με）。

因此，可认为通过方案二以同标高不同角度的多个正常预埋应变计测量值的平均值近似估算为失效应变计的数据，基本不影响对非预应力钢筋是否发生屈服的判断。

但是，此方案仅适用于安全壳筒体区域的应变测量，安全壳穹顶区域（应变测点位置示意图4）及设备闸门孔区域（应变测点位置示意图5），因其结构及应变测点布置的特殊性，不适用此方案。

图4 穹顶区域应变测点位置示意图

图5 设备闸门孔区域应变测点位置示意图

4 结论

当预埋的应变计失效，可在失效应变计位置的混凝土外表面安装临时应变计，以临时应变计测量的混凝土表面应变估算为原位置的应变。对于安全壳筒体区域的失效应变计，可采用方案二，以同标高不同角度的多个正常预埋应变计测量数据，计算平均值估算失效应变计的数据，对临时应变计的数据进行辅助验证。

而且，由于混凝土的受拉极限应变远小于钢筋受拉屈服应变，安全壳变形过大时混凝土出现开裂优先于非预应力钢筋发生屈服。试验期间，可通过对混凝土裂缝情况进行检查监测，辅助判断非预应力钢筋是否发生屈服。