核电站安全壳结构健康检验检测技术研究综述

任琦， 王娟娟， 李晨， 张超， 张硕， 孙可可

（中电投工程研究检测评定中心有限公司）

1 引言

近年来，绿色能源的发展受到了越来越多的关注，尤其是在双碳背景下，绿色能源必将是未来能源发展的重要方向。核能是稳定可靠的清洁低碳能源。随着国家陆续出台多项政策支持核电行业发展，我国核电行业将迎来蓝海。从全球核电发展来看，我国核电发展是全球最快的，现役核电站数量全球排名第三位，在建核电站数量世界第一，但我国核电建设起步晚，运行实践经验还远远不够，根据国际能源署（IEA）2019 年统计显示，中国在运核电机组平均运行年龄与美、俄、日本和欧盟相比相差均超20年以上。历史上历次重大核事故的发生不断警示着我们：现在没有出现问题不代表未来不会出现问题，维护核电站的安全稳定运行是必要的（见图1）。在国家大力强调保障核电站运营安全背景下，对核电站最后一道安全保护屏障——安全壳的结构健康检验检测技术提出更高要求。

图1 历史重大核事故

核电站为复合型工程，涉及专业广、范围大，工程体量巨大，一旦建成，服役时间长，尤其核电站安全壳是核反应堆的重要保护结构之一，是维护核电站安全稳定运行的最后一道安全保护屏障，因此对其进行结构安全检验检测是必要的。随着核技术的发展，国家及国际上对核安全标准不断提高，现有的检验检测技术已逐渐满足不了对核电站安全维护的技术要求。由于我国核事业起步较晚，对安全壳的检验检测技术研究相对较少，现阶段的检验检测技术手段多为人工及预埋监测设备，但庞大的工程体量及监测设备存活率不理想的问题，不仅为运维单位带来了经济上的压力，同时也提高了其风险管理压力。为进一步推进我国乃至世界核电产业的高质量快速发展，保护人民财产安全，突破现有安全检验检测技术瓶颈是核安全领域研究的重点任务。为方便企业技术人员及科研人员了解相关检验检测技术及研究成果，文章对国内外核电站安全壳结构健康检验检测技术研究现状进行了综述，总结并提出了当前技术存在问题和面临的挑战，最后对未来安全壳检验检测技术的发展进行了展望，以为我国核电产业实现高质量发展提供建议，为实现“双碳”目标助力。

2 国内安全壳结构健康检验检测

近年来，越来越多的科研人员投入于核安全检验检测技术的研究中，为保障我国核事业安全稳健发展做出贡献。针对安全壳过高、无抓扶物、人工攀爬不便和目测误差过大等特点，有研究提出用安全壳攀爬机器人携带摄像机进行视频检测，摄像机以遍历的方式分区域拍摄到安全壳外表面的图像后，以无线形式发送至上位机，安装在上位机的安全壳缺陷检测系统对回送数据进行检测、分析和存储，并向机器人发送控制指令。为进一步有效评估安全壳结构性能，有研究提出了一种基于有限元模型的安全壳结构健康监测评估方法，实现了安全壳结构健康的实时监测及安全性评估，有效保障了核电站的安全稳定运行。吴金锋[1]在对安全壳钢筋混凝土保护层厚度的检测过程中加入了雷达探测技术，可以直观地完成快速和实时检测。黄晶晶[2]根据安全壳表面高分辨率影像采集系统采集的影像特点，研发了一种安全壳表面裂缝检测关键技术，首次实现了安全壳表面裂缝缺陷的自动检测。许凯伟[3]等建立了安全壳结构全寿期安全监测系统，通过使用自动化技术，实现了安全壳结构内混凝土应变、变位及温度等数据的实时采集，弥补了当前安全壳结构原有关键参数检测系统的不足，提升了监测精度和时效，缩短大修关键路径，实现了安全壳结构全寿期的结构健康监测功能。付振中[4]等人设计研发了一套数据动态测量采集传输系统，针对传统的安全壳穹顶裂缝监测技术在测量数据的完整性、可靠性等方面存在局限性进行研究，进一步提高了实验数据采集完整度和精度，工作效率得到了有效提升。石晓伟[5]针对安全壳结构缺陷检测方法进行了研究，将吸附性机器人与高清摄像设备相结合，实现了对安全壳外壁缺陷变化的实时监测。陈超[6]等对将探地雷达射频技术应用于在役核电站安全壳内衬钢板腐蚀状况的检测监测中，经试验证明采用探地雷达射频技术对核电站安全壳的钢衬腐蚀情况进行定期检查是可行的。

3 国外安全壳结构健康检验检测

美国、法国、德国、日本等对核电站的质量检验检测技术研究起步较早，目前在对核电站质量安全管控方面均已具有较为完善的质量监督检验检测体系和技术手段。法国SITES 公司SCANSITES 系统是一种核电站建筑物结构表面缺陷远程测量系统，可以代替人工对安全壳表面结构缺陷进行检测，可以实现缺陷的影像化和系统化，极大地提高了工作效率。Jerom等[7]研发了一套用于检测建筑结构损伤的无线模块监测系统，进一步提升了建筑结构健康检测监测效率，降低了人工检测安全风险。LIN SOPHIE 研究了一种基于电子距离测量的无损检测和测量预应力混凝土结构健康度的方法，进一步提高了结构检测效率，实现精准检测监测。H. Ishida Y. Kurozumi Y. Kaneshima研究了核电站混凝土安全壳内衬超声波检测技术，通过其研究的超声波传感器，在保证安全壳完整的基础上，实现检测数据的采集与评估。Christopher 等[8]开发了一种能多用户共享监测数据的互联网的无线传感器网络，实现了结构损伤监测数据的共享。Lan[9]等人在FRP筋内布设光纤，外面用普通钢绞线包裹，组成智能钢绞线，采用BOTDA技术对于钢绞线的应力进行检测，从而可以在实际结构中对预应力损失进行监测。Anderson[10]等人结合核电站的常规在役检测（ISI），结合不进行灌浆的预应力筋，采用可靠度和概率论的数学模型，对核电站安全壳的预应力状况进行评价。

4 我国安全壳结构健康检验检测技术面临的挑战

在核电站的运行过程中，安全壳的健康状况会在内、外荷载，以及环境侵蚀的作用下逐步降低。有效、准确、快速地监测、检测、评估安全壳的健康状态，及时地对安全壳进行安全维护，是核电站安全稳定运行的重要工作之一。核电站反应堆安全壳根据结构分类，可分为单层壳和双层壳，目前在我国常用的安全壳结构形式为带有钢制内衬里的圆筒形预应力混凝土安全壳。由于我国安全壳结构形式相互间存在差异，对其进行结构健康监测的方法多样，并未形成统一检测标准，因此与国外相比，不仅检测技术复杂多样，其对技术指标的要求也更高。

现阶段我国核安全检验检测技术面临一些挑战。

①安全壳结构检测智能化、自动化程度低，作业周期长、效率低、投资大。

②存在一定程度的漏检。一方面由于筒壁上有较多平台、管道、腿梯等障碍区域，操作人员无法到达；另一方面，夜间工作可见度不高，加上操作人员长时间作业容易产生疲劳，都会引起一定程度上的漏检和误检。

③可视化和系统化的管理程度低，不利于数据的可重复监测和演变跟踪。

④缺少精细化的管理，预埋监测设备存活率较低。

⑤核安全数据分析软件研发的顶层设计欠缺，软件算法与复杂性等方面的基础研究薄弱，软件质量控制水平有待提高。

⑥缺少核电站全生命周期一体化检验检测及预警服务系统，云数据平台建设不全面。

⑦安全风险预警技术不成熟等。

5 展望

核电作为清洁、稳定的基荷能源，在全社会用电量不断提升，煤电新增项目大幅减少的背景下，是我国实现碳中和的一个重要选择。安全壳作为核电站保护措施的重要组成部分，其结构健康对于核电高质量发展具有重要的意义。在未来核电站安全壳检验检测技术的研究中，希望能进一步将智慧化手段与传统检测技术相结合，实现核电站安全壳结构健康智能化、数字化管理，加大力度开展结构健康传感器设备研发，实现传感器国有化应用，建立健全安全壳全寿期结构健康检验检测及风险预警标准体系，为核电“蓄能”，助力我国“双碳”目标如期达成。