預應力鋼絞線在核電站安全殼中的應用

毛愛菊（天津冶金集團中興盛達鋼業有限公司，天津301616）

預應力鋼絞線在核電站安全殼中的應用

毛愛菊
（天津冶金集團中興盛達鋼業有限公司，天津301616）

在介紹核電站安全殼的種類和結構的基礎上，分析了CPR堆型和EPR堆型使用的預應力鋼絞線的種類、數量和級別，以及核電用鋼絞線的技術要求。指出為滿足安全殼使用要求及安全要求，預應力鋼絞線實物性能指標必須高于標準及規范要求。

超核電站；安全殼；預應力體系；鋼絞線；技術要求

1 引言

核電站是利用核裂變反應所釋放的能量轉化成電能的發電廠。核電站一般分為兩部分，一是利用原子核裂變生產蒸汽的核島，二是利用蒸汽發電的常規島。使用的燃料是放射性重金屬鈾或钚。

2 核島的安全殼

核島的核反應堆廠房就是我們說的核安全殼，它是核反應最后一道安全屏障，它的作用是防止放射性物質擴散污染周圍的環境，也是反應堆廠房的圍護結構，保護反應堆設備系統免受外界不利影響。

世界上的核電站安全殼有3種型式：

2.1 鋼安全殼

多為球殼加一段筒殼，呈燒瓶型，為了盡量避免焊接后熱處理，壁厚通常控制在38 mm以內，美國20世紀50年代設計的核電站多采用鋼殼。

2.2 鋼筋混凝土安全殼

襯里是較薄的碳鋼，鋼筋混凝土安全殼采用了排列很密實的鋼筋，以便能承受事故的壓力和溫度，這種混凝土殼是美國20世紀60年代為了降低鋼殼的造價設計的，造價低，但是表面易開裂。

2.3 預應力混凝土安全殼

第一代預應力混凝土安全殼是20世紀60年代由法國人設計的，采用扁穹頂，筒壁環向和豎向布置預應力鋼絞線，環向有六個扶壁柱錨固。第二代核電站安全殼也采用扁穹頂，筒壁環向預應力鋼絞線束減少為三個扶壁錨固，如嶺澳核電站。第三代預應力安全殼把扁穹頂改為半球頂，穹頂的預應力鋼絞線束也與筒壁的豎向鋼絞線束合而為一，比第二代更經濟，結構更合理。現在使用較多的是二代+和三代安全殼，如田灣核電站，臺山核電站，福清5#6#島，見圖1、圖2。

3 預應力鋼絞線在和安全殼中的使用

安全殼的型式和預應力體系確定后，選用什么類型的鋼筋首先需要進行預應力損失的計算，重點考慮的是3方面的應力損失：

瞬時損失，包括鋼筋與混凝土孔道的摩擦損失，錨具的變形，鋼筋回縮和接縫壓縮，混凝土的彈性壓縮；

圖1 內鋼絞線示意圖

圖2 內鋼絞線示意圖

鋼筋的應力松弛，即預應力筋材料自身產生的應力松弛。

混凝土的收縮徐變。預應力鋼絞線以其高承載力、低松弛、柔性好、便于穿束等優點，是預應力安全殼最理想的鋼筋。

3.1 CPR堆型預應力安全殼使用的鋼絞線

CPR核島（如嶺澳核電站）安全殼為后張預應力混凝土結構，筒身厚度900 mm，穹頂厚度800 mm，混凝土強度等級為C50，預應力鋼絞線為水平布置、豎向布置和穹頂的包絡線布置，水平和穹頂使用的是19束15.7 mm鋼絞線233根，4個扶壁柱，豎向使用37束15.7 mm鋼絞線144根，張拉控制應力為0.8FPY，穹頂分三簇，互成120°分布，每簇58束共174根，鋼絞線強度級別為1 770 MPa。

3.2 EPR堆型預應力安全殼使用的鋼絞線

EPR核島（如臺山核電站）采用雙層混凝土安全殼，外層安全殼采用的混凝土結構筒身厚度1.8 m，穹頂厚度1.8 m；內層安全殼也采用預應力混凝土結構筒身厚度1.3 m，穹頂厚度1 m，混凝土強度級為C75。水平和豎向均采用55束15.7 mm、1 860 MPa鋼絞線，張拉控制應力為0.8FPY，筒體有三個扶壁柱，穹頂預應力筋呈正交排列。

4 安全殼用預應力鋼絞線技術要求

預應力鋼絞線屬于核電站建設中質量保證等級為一級的重要材料，鋼絞線的主要技術指標有：

4.1 抗拉強度

核電站的設計壽命一般為40年，在整個服役期間，要保證安全殼有足夠的預壓應力，以抵御失水事故時內部壓力過大造成安全殼開裂，導致核輻射。按照嚴重事故工況下安全殼壓力達到10×105Pa［1］設計計算（與本文關系不大，從略），CPR核島及EPR核島分別選用高強度預應力鋼絞線1 770 MPa及1 860 MPa級。

4.2 屈服強度

核電站預應力體系張拉控制應力為0.8FPY，高于工民建及橋梁工程預應力體系張拉控制應力在0.7 FPY水平，因此要有較高的彈性極限和屈服強度，預應力鋼絞線生產企業一般控制屈強比，要達到90%～95%，一般實物質量水平要達到92%以上。

4.3 松弛性能

核安全殼用鋼絞線要求有極低的松弛率，在設計壽命里要有足夠的預應力，到期的核電站進行評估后有可能延期服役，要求預應力體系在40～50年后具有較高的預應力水平，對鋼絞線松弛性能的要求是在80%初始力下1 000 h松弛率不高于4.5%，按照DEB-FIP《MODEL CODE》中給出的預測1 000 h之后的松弛值用方程式：

50年的松弛值大致是1 000 h的3倍，約13% ～14%。核電站安全殼環境溫度夏季平均在40℃左右，因此要求鋼絞線在40℃環境下，80%控制應力下，50年的應力損失在20%以內。

4.4 伸長率

安全殼布筋采用群錨，CPR環向采用19束，EPR采用55束，各根鋼絞線受力狀態不同，而且鋼絞線很可能在孔道內交叉，要達到控制應力水平，鋼絞線應具有足夠的伸長率，因此鋼絞線伸長率的實際水平應達到5.0%以上。

4.5 偏斜拉伸性能

安全殼筒壁上擁有很多貫穿件，留有很多孔洞、門，豎向布筋躲開孔洞設計要求起彎點到洞口的中心距離為2～3倍洞口直徑（見圖3），偏轉角度最大的地方為18°～25°左右，因此要求鋼絞線偏斜

圖3 安全殼鋼絞線布筋示意圖

拉伸時應力損失越小越好。按照國際標準ISO15630［2］及《核電站用鋼絞線技術規范》要求，偏斜拉伸系數在28%以下，實際控制水平在15%以下。

5 結語

預應力鋼絞線屬于核電站建設中質量保證等級為一級的重要材料，對鋼絞線質量的要求更多的出于安全角度考慮，安全殼長期處于靜載狀態，但是一旦失水事故出現，內部壓力過大，預應力體系必須能夠抵御內部壓力，確保安全殼不開裂，不產生核輻射。因此，鋼絞線的質量，特別是長期松弛性能至關重要。

［1］羅傳杰，張世順.核電廠嚴重事故后安全殼壓力的測量方法［J］.原子能科學技術，2011（5）：578-581.

［2］ISO 15630-3：2010，Steel for the reinforcement and prestressing of concrete—Test methods-Part3：Prestressing steel［S］.

Application of Pre-stressed Steel Strand to Containment of Nuclear Power Station

MAO Ai-ju
（Tianjin Metallurgy Group Zhongxing Shengda Steel Industry Co.，Ltd.，Tianjin 301616，China）

On basis of introducing the type and structure of nuclear power station containment，the paper analyzes the type，quantity and level of pre-stressed steel strand used for CPR type and EPR type reactors and the technical requirement on steel strand for nuclear power application.It is also points out the indices of physical property of steel strand must be higher than that required by the standard and specification in order to meet the application requirement and safety requirement of containment.

super nuclear power station；containment；pre-stressing system；steel stand；technical requirement

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.02.002

2015-10-13

2015-11-02

毛愛菊（1963—），女，高級工程師，天津冶金集團中興盛達鋼業有限公司副總工程師，主要從事金屬制品方面的研究工作。