核電站預應力金屬波紋管摩擦試驗方法及性能研究*

孫勝偉，鄧亮文

(中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

0 引言

核電廠核島反應堆廠房內安全殼是由反應堆底板、內筒體、內穹頂、鋼襯里組成的有粘結后張法預應力混凝土結構，預應力管道分布于殼體中。預應力金屬波紋管摩擦試驗旨在通過預應力金屬波紋管用鋼帶摩擦試驗、預應力金屬波紋管摩擦試驗，將國產磷化鍍鋅鋼帶(國產鋼帶)波紋管與進口磷化皂化鍍鋅鋼帶(進口鋼帶)波紋管的摩擦系數進行對比分析，為項目核電廠反應堆廠房內安全殼預應力金屬波紋管的選用提供數據支撐。

利用磷化皂化鍍鋅鋼帶卷制的波紋管具有低摩阻性能(摩擦系數μ≤0.16)，但磷化皂化鍍鋅鋼帶的皂化工藝、技術指標、摩擦系數等未有具體參數。國內現行有關規范中規定，預埋金屬波紋管摩擦系數規定值的取值下限為0.20，并不能滿足安全殼預應力金屬波紋管摩擦系數μ≤0.16的技術要求。在我國現行的國家、地方和團體標準、規范中，關于磷化皂化鍍鋅鋼帶皂化工藝的技術指標和低摩阻預應力金屬波紋管卷制工藝的技術指標尚屬空白[1-3]。

1 預應力金屬波紋管用鋼帶皂化處理

1.1 皂化工藝

1.1.1皂化劑

選定長沙祁勝QS-ST94皂化粉、上海哈斯太98號皂化油2種皂化劑。

1.1.2鋼帶皂化處理

1.1.2.1皂化粉皂化

1)2個恒溫水箱中加入飲用水，恒定溫度設置為80℃，當水溫達到設置溫度時，第2個恒溫水箱中加入皂化粉，皂化液濃度按1∶10(質量比)進行配制。待皂化粉充分溶解后，開始皂化鋼帶。

2)將國產鋼帶通過第1個恒溫水箱，除去鋼帶表面雜質，然后再通過加有皂化粉的恒溫水箱，鋼帶通過速度控制在1min/m，確保皂化液完全附著。

3)皂化過程中，隨時觀察2個恒溫水箱液面情況，當液面低于水箱中鋼帶表面時，應及時添加皂化液。

皂化粉皂化工藝如圖1所示。

圖1 皂化粉皂化工藝

1.1.2.2皂化油皂化

1)將國產鋼帶安裝在放線架上，鋼帶與卷管機連接，在卷制過程中對鋼帶底面涂刷皂化油(即波紋管內壁)。

2)卷制過程中，用滾筒對鋼帶底面涂刷皂化油，速度控制在≤8m/min，確保不漏涂。

3)因皂化油遇水溶解乳化，卷制過程中不開啟卷管機冷卻潤滑系統。

1.2 鋼帶摩擦系數

根據規范YB/T 4286—2012《金屬材料 薄板和薄帶摩擦系數試驗方法》所規定的試驗方法，對預應力鋼帶摩擦系數進行測定(見表1)。

表1 鋼帶摩擦系數

試驗設4組：國產鋼帶、進口帶(法西奈)、國產磷化鍍鋅鋼帶并經上海哈斯太98號皂化油皂化、國產磷化鍍鋅鋼帶并經長沙祁勝QS-ST94皂化粉皂化。

經皂化油皂化的國產鋼帶、皂化粉皂化的國產鋼帶、國產鋼帶摩擦系數均小于進口鋼帶，因此鋼帶皂化有降低摩擦系數的功效。

2 預應力金屬波紋管摩擦試驗模型設計

2.1 波紋管類型

制作波紋管的鋼帶有進口鋼帶、國產鋼帶、皂化粉皂化的國產鋼帶、皂化油皂化的國產鋼帶。

2.2 模型設計

按1∶1實際半徑選取90°設計建造試驗模型，模型中共布設12根孔道(見表2)，進口鋼帶波紋管共3根孔道，其他鋼帶波紋管共9根孔道。試驗模型如圖2所示。

表2 波紋管試驗管道參數

圖2 波紋管摩擦試驗模型

同一標高層孔道半徑分別為22.7，23.4，24.1m，分為4層設置。3種不同半徑的孔道長度分別為35.66，36.76，37.86m。錨固件喇叭口分別位于模型短邊兩側。預應力鋼束均由54根φ15.7鋼絞線構成，鋼絞線強度等級為1 860MPa、公稱面積150mm2、極限負荷279kN。

2.3 孔道張拉技術要求

2.3.1第1階段

0.95ΔL1<ΔL-ΔLQ<1.08ΔL1

(1)

式中：ΔL1為第1階段張拉完成后的鋼束理論伸長值；ΔLQ為千斤頂內鋼束伸長值，需現場根據千斤頂的參數和壓力計算；ΔL為第1階段張拉完成后千斤頂內工具錨間受力鋼束實測伸長值。

鋼束第1階段理論伸長值如表3所示。

表3 鋼束第1階段理論伸長值

2.3.2第2階段

0.95ΔL0<ΔL′-ΔL′Q<1.08ΔL0

(2)

鋼束第2階段理論伸長值如表4所示。

表4 鋼束第2階段理論伸長值 mm

2.4 試驗原理

2.4.1伸長值計算

1)第1階段

第1階段修正后伸長值：

ΔL1=Δl1-ΔLQ

(3)

千斤頂內鋼絞線伸長值:

ΔLQ=ΔLQA+ΔLQB

(4)

A端千斤頂內鋼絞線伸長值：

ΔLQA==Fa0(1 400+LA缸1)/54E

(5)

B端千斤頂內鋼絞線伸長值：

ΔLQB==Fp(1 400+LB缸1)/54E

(6)

式中：Δl1為第1階段結束后B端實測伸長值；Fa0為第1階段結束后A端實測張拉力值(kN)；Fp為第1階段結束后B端實測張拉力值(kN)；E為鋼絞線彈性模量,取195GPa；LA缸1，LB缸1分別為第1階段結束后A,B端實測油缸伸出量。

2)第2階段

第2階段修正后總伸長值：

ΔL0=ΔL1+ΔL2=Δl1+Δl2-ΔL′Q

(7)

千斤頂內鋼絞線伸長值:

ΔL′Q=ΔL′QA+ΔL′QB

(8)

A端千斤頂內鋼絞線伸長值：

ΔL′QA=Fa0(1 400+LA缸2)/54E

(9)

B端千斤頂內鋼絞線伸長值：

ΔL′QB=FB0(1 400+LB缸2)/54E

(10)

式中：Δl2為第2階段結束后B端實測伸長值；FB0為第2階段結束后B端最終實測張拉力值(kN)；LA缸2，LB缸2分別為第2階段結束后A，B端實測油缸伸出量[9-10]。

2.4.2摩擦系數計算

試驗鋼束兩端分別安裝壓力傳感器、千斤頂，其中一端千斤頂對鋼束施加拉力，稱為主動端；另一端千斤頂不施加拉力，稱為被動端。當主動端千斤頂對鋼束施加拉力時，被動端壓力傳感器壓力可反映出該處鋼束拉力，從主動端和被動端鋼束的拉力差值，根據式(1)可計算出鋼束和管道壁間的實際摩擦系數μ。

TL=T0·e-(μα+kL)

(11)

式中：TL為計算點L處預應力鋼束拉力(kN)；T0為張拉端預應力鋼束拉力(kN)；μ為預應力鋼束與管道壁間的摩擦系數；k為管道局部偏差(每米)的摩擦影響系數，k=0.001 6。

設計要求的最終應力F=12 052.8kN，取整數為12 053kN。千斤頂輸出應力由千斤頂前端壓力傳感器測定，同時通過約束環避免鋼絞線與喇叭口產生摩擦，實現壓力傳感器測定應力即為孔道端鋼束應力。

3 預應力金屬波紋管摩擦試驗

3.1 模型建造

場地清理→測量放線→預應力錨墊板安裝→鋼筋綁扎→預應力管道安裝→模板支設→混凝土生產→混凝土運輸→混凝土澆筑→混凝土振搗→壓面→混凝土養護→拆模。

3.2 波紋管摩擦試驗

孔道張拉試驗大致順序為C類→B類→D類→A類。

3.2.1試驗步驟

張拉前現場檢查→壓力傳感器(約束環)安裝→千斤頂安裝→鋼絞線預緊→正式張拉→放張。

3.2.2鋼絞線預緊

張拉設備安裝就位后(見圖3)，為便于放張后千斤頂拆卸，A端千斤頂油缸伸出10mm，關閉回油閥；B端千斤頂油缸伸出150mm，關閉回油閥。此時，工具錨不受力。

圖3 孔道張拉試驗設備布置

采用YDC240Q型千斤頂對其尾部每根鋼絞線進行預緊，預緊力為10kN(油表讀數為3MPa)。按從內圈至外圈的順序逐一預緊，循環2次，保證每根鋼絞線受力均勻[4-6]。

3.2.3孔道張拉摩擦試驗步驟

鋼束完成預緊后開始正式張拉。每根試驗鋼束均為兩端張拉，預應力鋼束主動張拉端為A端，被動張拉端為B端。孔道張拉試驗共分2個階段。

3.2.3.1第1階段

1)正式開始前確認已完成預緊。

2)B端千斤頂加壓至約1 200kN停止，使應力施加于千斤頂工具夾片，B端千斤頂和油泵關閉回油閥。

3)選取測量點并標記，測量千斤頂油缸伸出量(用于計算伸長值)和工具錨夾片外露量(選取上、中、下3個，用于修正伸長值)。

4)利用預應力鋼束A端千斤頂進行分級張拉。A端千斤頂加壓至約2 400kN(約0.2Fa，Fa為A端最終壓力)，記錄A，B端壓力值、伸出量、外露量。此后按每級約1 200kN(約0.1Fa)增壓至Fa停止加壓，記錄A，B端壓力值、伸出量、外露量。

5)主動端千斤頂加載時應緩慢、均勻，每級加載時間≥1min，且不得回油調整荷載；張拉至最終壓力Fa后，保壓時間≥5min[7]。

3.2.3.2第2階段

1)A端千斤頂和油泵關閉加油閥，保持A端千斤頂壓力。

2)對B端千斤頂進行補充張拉，張拉方式同第1階段。被動端按每級約1 200kN(約0.1Fb，Fb為B端最終壓力)增壓至Fb停止加壓，記錄B端壓力值、伸出量、外露量。

3.3 試驗結果

1)根據試驗結果，4類波紋管12根孔道摩擦系數從小到大排序為：C類波紋管(均值μ=0.081)

2)A，B，C類波紋管摩擦系數均小于設計假定值，D類波紋管摩擦系數接近甚至超出設計假定值。

3)因A，C類波紋管摩擦系數遠小于設計假定值，導致其鋼絞線實測伸長值存在>1.08ΔL的情況。

4 結語

1)B類波紋管(國產鋼帶卷制)摩擦系數指標滿足設計要求。

2)因皂化油遇水溶解乳化，D類波紋管在模型制作過程中，皂化油涂層流失，未起到皂化潤滑作用。因此，D類波紋管摩擦系數最大。

3)進口鋼帶摩擦系數最大，但進口鋼帶波紋管摩擦系數最小，說明進口鋼帶皂化層附著性良好，波紋管卷制過程中對進口鋼帶皂化層損傷破壞小。

4)皂化粉皂化的國產鋼帶波紋管摩擦系數顯著小于國產鋼帶波紋管，且接近進口鋼帶波紋管，說明皂化粉在國產鋼帶表面形成的皂化層可顯著降低國產鋼帶波紋管摩擦系數。