用于安全殼鋼內襯的新型空鼓測量裝置研發應用

付振中 羅琦 宋翔

摘? 要：壓水堆核電站安全殼內壁有一層內襯鋼板，其表面呈弧形，需定期檢查鋼板與內壁之間的結合空鼓狀況，以評估安全殼的密封性能和安全狀況。原有的空鼓檢查儀采用是的人工手動測量的方式，測量精度和效率偏低，針對此情況，設計研發出一套由距離傳感器和單片機為核心的自動測量裝置，該裝置能通過程序控制自動完成測量、存儲、計算和分析等操作，在工作效率、測量精度、便利性和可靠性等方面均有明顯提高。

關鍵詞：安全殼;鋼內襯;空鼓測量;距離傳感器

中圖分類號：TG457? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）17-0164-02

Abstract： There is a layer of lined steel plate on the inner wall of the safety shell of PWR nuclear power plant， and its surface is curved. It is necessary to regularly check the empty drum condition between the steel plate and the inner wall in order to evaluate the sealing performance and safety condition of the containment shell. The original empty drum tester adopts the manual measurement method， and the measuring accuracy and efficiency are on the low level. In view of this situation， an automatic measuring device based on distance sensor and single chip microcomputer is designed and developed. The device can automatically complete the operation of measurement， storage， calculation and analysis through program control， and has obvious improvement in work efficiency， measurement accuracy， convenience and reliability.

Keywords： containment; steel lining; empty drum measurement; distance sensor

1 安全殼構造簡介

在核電站建筑中，安全殼（也叫反應堆廠房）是核安全的最后一道屏障，承擔著十分重要的作用。一方面，安全殼要包容其內部的核設施免受外來事故（如地震、臺風、外來飛射物撞擊等）的影響;同時，當殼內事故狀態下發生高能管道破裂時，其還要承受因高溫高壓產生的內部載荷，阻止放射性物質外漏，起到保護公共安全的作用，因此，安全殼必須具有足夠的強度和密封性。

從建筑結構來看，安全殼為一個帶球形穹頂的預應力鋼筋混凝土筒狀體，筏基、筒身和穹頂三部分構成內部巨大的密封空間。在安全殼的整個內表面，覆蓋一層碳鋼板內襯，鋼板厚度為6mm，預制成弧形后運至安全殼內焊接拼合而成，并通過角柱和聯接錨固在混凝土墻上，成為安全殼的密封層。

2 安全殼鋼內襯的定期檢查要求

安全殼作為安全邊界，防止極端情況下放射性物質向外界擴散，因此其密封性能至關重要，而其密封性主要就是通過鋼內襯保證，鋼內襯的良好狀態建立在其表面的平整度以及與安全殼混凝土內壁的機械連接的穩定性上。鋼內襯原始設計的理想狀態，是緊貼混凝土墻固定的表面平整的鋼板，但在核電站運營期間，局部空鼓事實上成為鋼內襯最常見的缺陷之一，原因在于，鋼內襯本身面積大、工藝復雜、施工周期長，并且隨著使用年限的增加，在外部環境和外部荷載的影響下，鋼構件會不可避免的出現形變和位移，從而在碳鋼板與混凝土結合面形成空鼓，并且隨著時間延長，空鼓還會持續增加和擴展。

鋼內襯整體的空鼓變化情況可以從很大程度上反映出鋼內襯的結構安全狀況，過大過高的空鼓會對鋼內襯的完整性產生不利影響，定期執行的安全殼密封性試驗，其中一項很重要工作內容，就是全面檢查和記錄鋼內襯的空鼓狀況，包括空鼓位置、高度、面積、密度等，建立一個詳細的空鼓狀況分布圖，并和歷史數據進行對比。

3 鋼內襯空鼓高度的測量方法

如下圖1所示，假設圓弧EAC代表安全殼的鋼內襯，因為安全殼的半徑是確定的（R=38m），那么在弦長EC已知的情況下，線段OA的長度和與線段OD的長度存在確定的函數關系OA=f（OD），因此，當希望得到空鼓上B點的空鼓高度時，可以從O點測量出OB的高度，空鼓高度h=AB=f（OD）-OB。因此，只需要測量出測量點到空鼓表面的實際高度OB，就可以間接獲得空鼓高度h。

4 傳統測量工具的局限性

傳統方法對鋼內襯空鼓的測量相對簡單，如圖2所示，在一根固定長度的直條形鋼尺上，安裝一個可以沿鋼尺來回滑動的游標深度計，測量空鼓高度時，通過兩端的支腳將鋼尺架設在鋼內襯的空鼓上方，滑動游標深度計到空鼓的最高點，人工測量并讀數得到實際深度d，計算其與理論深度D的差值，就是該處鋼板的空鼓高度。

傳統的測量裝置在實際操作中存在一些問題：

測量準確度偏低，對操作人員的要求高。空鼓的最高點需要測量人員主觀判斷，如果對最高點的判斷出現偏差，則測量的結果就無法反映真實的空鼓高度。對于空鼓形狀和最高點的判斷的準確性，依賴于操作人員是否具備豐富的測量經驗，不利于現場人員的靈活安排和降低人力消耗。

現場測量操作復雜，測量效率較低。測量需要3-4人同時參與，觀察空鼓形狀，判斷最高點位置，滑動深度計定位，然后人工目視讀數，完成全部的空鼓測量需要耗費大量的人力和時間。現場測量受環境影響較大，經常需要使用手電筒等增加輔助照明，所有的數據在現場采用紙質記錄，測量完成后還需要大量的整理、轉錄、制表等內業工作。

5 新型空鼓測量儀的組成和系統架構

本項目研發的安全殼鋼內襯新型空鼓測量儀，硬件部分主要由基座導軌和數據測量兩個模塊組成，如圖3所示。

5.1 基座導軌模塊

導軌外觀呈長條形，材質為鋁合金，重量輕且強度高，其作用是為數據測量模塊提供沿測量方向自由滑移的軌道。導軌兩端是測量儀的基座部分，基座上部是塑料握把，操作時只需一個人，就可以通過握把輕松地搬運和移動測量儀，基座下部是不銹鋼支腳，測量時通過支腳抵持在鋼板上，將測量儀穩定架設在測量位置。

5.2 數據測量模塊

數據測量模塊是測量儀的核心部件，也就是主機部分，外形呈方形小盒，安裝在導軌上并可以沿導軌自由平移。主機內包含單片機、激光測距儀、拉繩式測距儀及附屬配件等。

（1）激光測距儀是一種非接觸的測量儀器，具有結構簡單、準確度和可靠性高等優點，現已被廣泛應用于各類技術性要求較高的工程領域，其基本測量原理是將激光信息號發射出去，抵達被測目標物反射回來，根據激光發射信號與接收信號之間的時間或相位差，結合光的傳播速度，計算得到儀器與目標物之間的距離。本研發裝置中激光測距傳感器隨主機模塊在軌道上滑動時，連續發射出激光測得軌道平面到鋼內襯的直線距離，其測量頻率為20次每秒，測距精度可達10um。

（2）拉繩式測距儀是一種測量直線距離的裝置，主要由一組機械裝置和一只可轉換信號的電阻器或編碼器組成，由內置拉繩的伸縮長度來測量目標物體的直線移動距離，其優點在于不受機械安裝誤差、抗干擾性強、耐高溫等特點，也叫拉力傳感器，具有結構緊湊、安裝簡便、精度高、壽命長、免維護等優點，其用途廣泛。本研發裝置中，拉繩測距儀的繩子的一端固定于軌道起始端的支座上，另一端固定在主機模塊上隨著主機移動，用于測量主機模塊沿著軌道移動的距離。

（3）單片機由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備構成，通過數據通訊模塊分別與激光測距儀和拉繩式測距儀電性連接，通過執行主程序來控制測量裝置的啟停，同時接收來自激光測距儀和拉繩測距儀的測量數據，實時計算出鋼內襯的空鼓高度，并對測量數據進行存儲和顯示。單片機還可以通過通信接口與外部PC機進行數據通信，能夠響應PC機通過專用軟件發送過來的命令，按命令執行相應的操作，也可以將測量數據傳輸至PC機。

此外，主機模塊還包括與單片機電性連接LED數碼管，可以實時顯示測量數據。本測量裝置采用可循環充電的電池為各模塊組件供電，可以保證不小于8小時的連續工作。

6 結束語

本新型測量裝置經過設計、加工、組裝和測試后，已經在現場工作中成功應用，實踐證明該裝置構思巧妙、操作便利，符合預期的設計功能， 解決了原有檢查工具存在的現實問題。采用先進的智能化測量代替以往的人工測量方式，實現了鋼內襯空鼓數據的自動化采集，一方面優化了實驗所需的數據質量，同時工作效率也得以提高。在當前核電產業大發展的背景下，恰當地利用最新信息化技術，解決實際工作中的具體問題，并且該裝置在稍作適應性修改后，同樣可用于其他異形結構的表面平整度測量，因此，本研發項目具有相當的應用價值和現實意義。

參考文獻：

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