AP1000鋼制安全殼氣壓試驗變形測量方法及變形結果分析

馬先宏，楊 炯，李 鍇

(國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233)

核電廠運營前均需要針對安全殼進行一次打壓試驗，驗證其結構完整性及整體密封性。安全殼結構整體性試驗是通過監測安全殼在打壓期間的應變、位移等結構響應參數，結合理論計算結果，評估其結構完整性。在引進AP1000機組之前，國內已有核電機組均采用預應力混凝土安全殼。該類安全殼的結構整體性試驗測量技術已經高度成熟。其應變測量采用埋入式振弦應變計，位移測量采用鉛垂線系統[1]。然而，AP1000機組采用的是鋼制安全殼，其材料和結構和國內已有的預應力混凝土安全殼完全不同[2]，導致現有的混凝土安全殼結構整體性試驗技術完全無法適用于AP1000核電廠的鋼制安全殼。因此必須針對AP1000安全殼的結構特點設計新變形測量方法。本文從AP1000安全殼的結構特點入手，詳細論述了其應變測量和位移測量方法，并對AP1000依托項目四臺機組的安全殼變形結果進行了分析對比，證明氣壓試驗期間AP1000鋼制安全殼始終保持線彈性變形狀態，從而表明了其設計的科學合理性和建造質量的可靠性。

1 AP1000鋼制安全殼結構特點

AP1000鋼制為帶橢球形封頭的圓柱鋼制容器，其外圍被鋼筋混凝形土屏蔽構筑物所遮擋，兩者在筒體段區域的間距約為1.4 m。鋼制安全殼容器(Containment Vessel，CV)是獨立式的帶上下橢球封頭的圓柱形鋼制容器，按照ASME Ⅲ NE分卷-MC級設備(金屬安全殼材料)的要求設計制造，設計壓力為59 psig(0.407 MPa)。筒體段直徑約為40 m，由11圈鋼板焊接而成。頂封頭和底封頭為橢球形，高度約為11.2 m。底封頭澆筑在混凝土中，筒體段和頂封頭暴露在空氣中。整個安全殼由五個主要結構模塊組裝建造而成。每個模塊都由預先成型的、噴好涂層的鋼板(SA738 B級)制成。這些模塊包含環形加強筋、環吊梁、設備閘門、人員氣閘門、貫穿件和其他附件[3]。AP1000鋼制安全殼除具備承壓和密封功能外，還具備非能動冷卻功能[4]。整個安全殼的形狀如圖1所示。

圖1 AP1000鋼制安全殼示意圖Fig.1 Sketch of the AP1000 steel containment

由于AP1000的安全殼由鋼板焊接而成，建造完成后其表面不允許焊接，更無法預埋，因此混凝土安全殼所采用的埋入式應變計和鉛垂線系統在此完全不適用。

2 測量要求

2.1 測點布置

在氣壓試驗過程中，AP1000鋼制安全殼要求測量安全殼變形情況，具體包括殼體表面應變和殼體位移。其中應變測點數量113個，位移測點57個。

在113個應變測點中，44個測點分布于安全殼筒體段的四個方位角上，每個方位角11個測點，方位角間隔90°，每圈殼體板上有四個測點；32個測點分布于安全殼頂封頭的四個方位角上，每個方位角8個測點，方位角間隔90°；37個測點呈輻射狀分布在兩個人員閘門和兩個設備閘門周圍。每個測點上均要測量出該點的主應變。

57個位移測點中，有44個測點分布于安全殼筒體段的四個方位角上，每個方位角11個測點，方位角間隔90°，與應變測點的方位角相差5°，每圈殼體板上有四個測點；13個測點分布于頂封頭的四個方位角上，每個方位角4個，頂封頭中心點處一個。位移測量方向為該測點處的法線方向。

2.2 測量要求

AP1000鋼制安全殼氣壓試驗對變形測量的要求如下：

(1)要求測出每個應變測點處的主應變；

(2)對于筒體段位移測點，要求測量其徑向位移；

(3)對于頂封頭的位移測點，要求測量測點法線方向的位移；

(4)能夠實現所有測量參數的實時自動采集；

(5)夠實時繪制各個測點能的測量數據隨時間的變化曲線；

(6)能夠實時繪制應變/位移測量結果隨壓力的變化曲線；

(7)可實時對比應變和位移的測量結果與理論分析結果；

(8)安全殼變形超出報警值(該值為理論計算值的1.2倍)時，能夠發出報警。

前三條可歸結為現場測量的技術要求，后五條可歸結為測量數據處理要求。因此，為滿足上述測量要求，必須從現場測量技術和數據處理兩方面加以解決。

3 變形測量

3.1 應變測量

3.1.1 應變片選取及安裝

AP1000鋼制安全殼屬于薄壁結構，且材質為鋼材，因此可直接采用技術成熟的應變片方法[3]來測量其表面應變。由于要求測量測點處的主應變，因此可采用三軸應變花。針對AP1000鋼制安全殼，特采用直角三軸應變花，如圖2所示。

圖2 直角三軸應變花Fig.2 Rectangler strain gage rosette

應變花的1號軸為0°方向，2號軸為90°方向，3號軸為45°方向。安裝筒體段應變花時，使2號軸平行于筒體軸線；安裝頂封頭應變花時，使2號軸平行于母線。

測點處的主應變可根據三個軸上的應變測量結果計算得出。對于三軸直角應變花，第一主應變和第二主應變的計算公式分別如下[5]。

式中：εp1、εp2——為第一主應變和第二主應變；

ε0——0°軸上的應變片測量結果；

ε90——90°軸上的應變片測量結果；

ε45——45°軸上的應變片測量結果。

應變花安裝前應先處理測點處的安全殼表面， 去除安全殼表面涂層，露出金屬表面，并通過打磨使表面光潔度滿足應變片安裝要求。粘貼應變花時，應通過直尺、鉛筆等輔助工具，使應變花三個軸的方向對齊預定的方向。

3.1.2 安裝后的質量檢查

應變花的安裝質量直接影響應變測量效果，因此必須對安裝后的質量進行檢查確認。通常通過三個方面的測試來檢驗應變花安裝質量。

(1)應變片電阻。應變測量一般選用電阻值為120 Ω的應變片，應變花安裝前后，其電阻值變化一般來講不應大于1 Ω。如果阻值變化較大，說明安裝過程中應變片受到了某種程度的損傷，應當更換應變花。因此在安裝前后應分別測量應變花三個軸的應變片阻值，對比其阻值變化。

(2)應變花與被測表面的絕緣電阻。安裝完成后，應變花與被測表面(即CV表面)處于絕緣狀態，其絕緣電阻值應大于1 GΩ，否則將影響應變測量精度。因此安裝結束后，應分別測量應變花三個軸的應變片與CV表面的絕緣電阻，確認滿足要求，否則應更換應變花。

(3)應變花與安裝表面的貼合程度。理想情況下，應變花應當通過膠水與安裝表面完全貼合，不應有任何空隙，因為空隙的存在會直接影響應變測量結果。然而，由于應變花比較微小，很難通過肉眼來觀察是否存在空隙。在本次應用中采用便攜式應變測試儀來判斷是否存在空隙。具體操作方法是，將應變花上的三個應變片接入便攜式應變測試儀，然后用橡皮按壓應變花，觀察應變片讀數變化是否劇烈。一般來講，如果貼合良好，其讀數變化不應大于10 με。

若安裝后的應變花通過上述三項測試，則說明其安裝質量合格。最后在應變花表面涂抹一定厚度的中性硅膠加以保護。

3.2 位移測量

3.2.1 測量基準點選取

若要測量CV殼體在氣壓試驗過程中的位移變化，首先應選取適當的測量基點，將測量對象轉換為測點與基點之間的位移變化。測量基點可結合安全殼的空間結構布置來加以選擇。對于AP1000安全殼來講，其CV外側的混凝土屏蔽廠房可以作為理想的位移測量基點。因為在氣壓試驗過程中，外側屏蔽廠房不承受任何試驗載荷，可以認為其處于靜止不動的狀態。測量CV殼體相對于外側屏蔽廠房的位移變化，即相當于測量出CV殼體在氣壓試驗過程中的位移變化。

對于CV筒體段位移測點，可以選取屏蔽廠房內側正對著測點的點作為測量基準點，即CV筒體半徑穿過位移測點與屏蔽廠房內側的交點作為測量基準點。

對于頂封頭位移測點，同樣可以選取測點處的法線與屏蔽廠房內側的交點作為測量基準點。

3.2.2 位移傳感器

位移傳感器種類眾多，針對試驗需求，綜合比較各類位移傳感器的適用性，最終選取頂針式位移傳感器和拉線式位移傳感器作為位移測量用傳感器。兩種傳感器的圖片如圖3所示。

圖3 位移傳感器Fig.3 Displacement transducer

頂針式位移傳感器用于測量安全殼筒體段位移，基于電感調頻原理測量位移[6]。其內部有一個彈簧，前端探測桿在外力作用下可被推入傳感器內部，外力消失后探測桿在彈簧作用下復位。被測物體的位移可轉化為探測桿的往復運動進而被傳感器內部感應元件所測得。

拉線式位移傳感器用于測量安全殼頂封頭測點位移，其測量原理與前者相同。被測物體的位移可轉化為拉線的往復運動進而被傳感器內部感應元件所測得。

3.2.3 位移傳感器安裝固定

測量安全殼筒體段位移的傳感器通過專門設計的支架安裝固定。支架通過膨脹螺栓固定在屏蔽廠房內側墻壁，位移傳感器則安裝固定在支架上。支架可靈活調整安裝角度，確保安裝后定傳感器頂針垂直于安全殼表面，從而保證測得的位移為殼體徑向位移。安裝后如圖4所示。

圖4 筒體段位移測量裝置Fig.4 Installation of the transducer

需要注意到，CV在氣壓試驗過程中，不僅存在徑向位移，還會發生軸向位移。每個測點處的實際位移是這二者的疊加。然而試驗僅要求測量徑向位移，因此需要避開軸向位移對傳感器的影響。實際應用中，在傳感器探測桿前端安裝了一個滾珠軸承，使得探測桿與安全殼表面之間可以自由滑動，這樣就避免了測點處的軸向位移對傳感器的影響，使得傳感器僅測量徑向位移。

頂封頭上的位移測點所處空間結構較為復雜，而且各處不同，因此無法采用一種統一的位移測量方案，只能根據測點所在位置單獨進行設計。頂封頭位移測量采用拉線式位移傳感器。傳感器通過不同的方式固定在測點所在區域，拉線從傳感器中引出，經過一定的轉向裝置后引向測點。為保證測量方向為法線方向，拉線必須垂直于測點所在安全殼表面。頂封頭位移測量方案如圖5所示。

圖5 頂封頭位移測量示意圖Fig.5 Displacement measurement on the top head

3.3 數據采集及處理

前文2.2節所述的后5條要求需要在數據采集及處理中加以實現。

所有應變花及位移傳感器均接入數據采集儀，數據采集儀與采集電腦相連。試驗期間所有的數據采集及存儲均由采集電腦控制。設置好數據采集頻率后，所有測量數據將自動采集。

試驗采集分析軟件為該試驗專門定制開發，其中包含各種數據查看與曲線繪制功能。每個測點的理論計算結果由設計方給出。由于設計方僅給出了幾個壓力平臺下的安全殼變形理論值，其他壓力下的變形理論值只能通過計算得出。從已提供的理論值可以看出，安全殼理論變形與內部壓力荷載之間為線性關系，因此每個變形測點的理論計算結果可以通過內部壓力乘以單位壓力荷載下的變形量計算得到。每個測點在單位壓力荷載下的變形量即為該測點的理論計算系數。該系數可通過已知理論值除以殼內壓力計算得到。對于每一個應變、位移測點，均可以計算得到一個理論計算系數，試驗分析軟件即根據該系數以及當時測得的殼內壓力計算相應的變形理論值。

報警值的計算方法與理論值類似。試驗要求將報警閾值設置為理論計算值的1.2倍，因此將計算得到的理論值乘以1.2，即可得到報警值。當某一測點的變形測量結果超出報警值時，軟件將發出聲音報警，并給出報警測點編號。

4 測量結果分析

4.1 試驗測量結果概述

AP1000依托項目四臺機組的安全殼設計和測點布置完全相同。四臺機組的安全殼變形測量結果分析匯總如下。

(1)除結構較為復雜的不連續區域外，AP1000鋼制安全殼的變形整體上隨內部壓力呈線性變化。典型的應變及位移隨殼內壓力的變化曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6 典型位移變化曲線圖Fig.6 Typical displacement variation curve

圖7 典型應變變化曲線圖Fig.7 Typical strain variation curve

此外，還可以看出，安全殼變形的實際測量結果與理論計算結果吻合較好，說明前文所述的變形測量方法有效可行。

(2)最高試驗壓力(66 psig)下，四臺機組的最大變形數據如表1所示。從表中測量結果來看，四臺機組的筒體段最大主應變最大相差10.1%，筒體段最大位移最大相差22.1%，頂封頭最大主應變最大相差8.5%，頂封頭中心點位移最大相差11.6%，體現了良好的一致性。

表1 四臺機組安全殼最大變形數據①

Table 1 Maximum deformation data for the four CVs

測量參數三門核電1號機組三門核電2號機組海陽核電1號機組海陽核電2號機組筒體段最大主應變/με1 2051 2781 1681 148筒體段最大位移/mm26.1320.3620.8121.03頂封頭最大主應變/με940860908894頂封頭中心點位移/mm59.0062.7359.9066.75

注：①表中數據均為2.1節所述測點位置上測得的最大值；

(3)安全殼的最大主應變值均小于殼體材料的屈服應變，說明在試驗壓力下安全殼材料內應力未達到屈服強度。

(4)卸壓結束后，安全殼的殘余位移最大不超過2 mm，殘余應變不超過100微應變，說明安全殼基本恢復到試驗前的狀態。

4.2 應變與位移測量結果互相驗證

安全殼筒體段應變測點測得的第一主應變方向均為水平方向。安全殼的變形在微觀上表現為安全殼表面應變，在宏觀上表現為殼體徑向位移。筒體段的應變和位移測點一共有9層，每一層有4個應變測點和4個位移測點，每一層的應變測量結果和位移測量結果可以互相驗證。

假設安全殼筒體段某一高度上的第一主應變(即水平方向的應變)平均值為ε，變形前安全殼筒體直徑為D1，變形后的直徑為D2，則根據變形關系，很容易推導出：

(1)

安全殼徑向位移即為直徑變化量的一半，則有：

(2)

由于四個機組的安全殼變形情況大致相同，本文在此僅以海陽核電2號機組在最大試驗壓力66 psig下測量數據為例，說明應變測量結果與位移測量結果的一致性。

海陽核電2號機組筒體段的第一主應變和徑向位移的測量結果分別如表2、表3所示。

根據平均應變值計算得到的平均徑向位移值與實際測量平均徑向位移值的比較如表4所示。

表2 海陽核電2號機組安全殼筒體段第一主應變測量數據

注：①第一層為筒體段最高一層應變測點，向下依次遞增。

表3 海陽核電2號機組安全殼筒體段位移測量數據

注：①第一層為筒體段最高一層應變測點，向下依次遞增。

表4 徑向位移計算值與實測值對比

注：①第一層為筒體段最高一層應變測點，向下依次遞增。

表4的對比結果顯示了應變測量結果與位移測量結果高度一致，進而說明了應變測量與位移測量的有效性。同時也表明，安全殼筒體段的應變分別比較均勻，選取的測點能夠代表筒體段的整體變形情況。

5 結論

通過對AP1000依托項目四臺機組的安全殼氣壓試驗變形數據的分析，可以得到如下結論。

(1)安全殼變形的實際測量結果與理論計算結果吻合較好，說明本文論述的應變測量方法和位移測量方法有效可靠。

(2)通過測得的安全殼結構響應來看，安全殼變形在試驗過程中始終保持線性增長，安全殼表面未出現屈服，且殘余變形非常微小，表明AP1000鋼制安全殼在試驗壓力下仍處于彈性變形范圍內。

(3)通過筒體段應變與位移測量結果和互相驗證顯示應變測量結果與位移測量結果高度一致，進而說明了應變測量與位移測量的有效性。同時也表明，安全殼筒體段的應變分別比較均勻，選取的測點能夠代表筒體段的整體變形情況。這一分析方法也可推廣應用至混凝土安全殼的應變與位移測量結果分析。

(4)本文論述的鋼制安全殼變形測量方法可以為后續的鋼制安全殼氣壓試驗提供參考。

(5)AP1000依托項目是我國首批建設的鋼制安全殼機組。這四臺機組的安全殼氣壓試驗所積累的變形數據，為后續AP系列機組的安全殼設計建造與試驗積累了寶貴的工程實踐經驗。