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用于安全壳钢内衬的新型空鼓测量装置研发应用

付振中 罗琦 宋翔

摘  要：压水堆核电站安全壳内壁有一层内衬钢板，其表面呈弧形，需定期检查钢板与内壁之间的结合空鼓状况，以评估安全壳的密封性能和安全状况。原有的空鼓检查仪采用是的人工手动测量的方式，测量精度和效率偏低，针对此情况，设计研发出一套由距离传感器和单片机为核心的自动测量装置，该装置能通过程序控制自动完成测量、存储、计算和分析等操作，在工作效率、测量精度、便利性和可靠性等方面均有明显提高。
关键词：安全壳;钢内衬;空鼓测量;距离传感器
：TG457        文献标志码：A ：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 安全殼构造简介
在核电站建筑中，安全壳（也叫反应堆厂房）是核安全的最后一道屏障，承担着十分重要的作用。一方面，安全壳要包容其内部的核设施免受外来事故（如地震、台风、外来飞射物撞击等）的影响;同时，当壳内事故状态下发生高能管道破裂时，其还要承受因高温高压产生的内部载荷，阻止放射性物质外漏，起到保护公共安全的作用，因此，安全壳必须具有足够的强度和密封性。
从建筑结构来看，安全壳为一个带球形穹顶的预应力钢筋混凝土筒状体，筏基、筒身和穹顶三部分构成内部巨大的密封空间。在安全壳的整个内表面，覆盖一层碳钢板内衬，钢板厚度为6mm，预制成弧形后运至安全壳内焊接拼合而成，并通过角柱和联接锚固在混凝土墙上，成为安全壳的密封层。
2 安全壳钢内衬的定期检查要求
安全壳作为安全边界，防止极端情况下放射性物质向外界扩散，因此其密封性能至关重要，而其密封性主要就是通过钢内衬保证，钢内衬的良好状态建立在其表面的平整度以及与安全壳混凝土内壁的机械连接的稳定性上。钢内衬原始设计的理想状态，是紧贴混凝土墙固定的表面平整的钢板，但在核电站运营期间，局部空鼓事实上成为钢内衬最常见的缺陷之一，原因在于，钢内衬本身面积大、工艺复杂、施工周期长，并且随着使用年限的增加，在外部环境和外部荷载的影响下，钢构件会不可避免的出现形变和位移，从而在碳钢板与混凝土结合面形成空鼓，并且随着时间延长，空鼓还会持续增加和扩展。
钢内衬整体的空鼓变化情况可以从很大程度上反映出钢内衬的结构安全状况，过大过高的空鼓会对钢内衬的完整性产生不利影响，定期执行的安全壳密封性试验，其中一项很重要工作内容，就是全面检查和记录钢内衬的空鼓状况，包括空鼓位置、高度、面积、密度等，建立一个详细的空鼓状况分布图，并和历史数据进行对比。
3 钢内衬空鼓高度的测量方法
如下图1所示，假设圆弧EAC代表安全壳的钢内衬，因为安全壳的半径是确定的（R=38m），那么在弦长EC已知的情况下，线段OA的长度和与线段OD的长度存在确定的函数关系OA=f（OD），因此，当希望得到空鼓上B点的空鼓高度时，可以从O点测量出OB的高度，空鼓高度h=AB=f（OD）-OB。因此，只需要测量出测量点到空鼓表面的实际高度OB，就可以间接获得空鼓高度h。
4 传统测量工具的局限性
传统方法对钢内衬空鼓的测量相对简单，如图2所示，在一根固定长度的直条形钢尺上，安装一个可以沿钢尺来回滑动的游标深度计，测量空鼓高度时，通过两端的支脚将钢尺架设在钢内衬的空鼓上方，滑动游标深度计到空鼓的最高点，人工测量并读数得到实际深度d，计算其与理论深度D的差值，就是该处钢板的空鼓高度。
传统的测量装置在实际操作中存在一些问题：
测量准确度偏低，对操作人员的要求高。空鼓的最高点需要测量人员主观判断如果对最高点的判断出现偏差，则测量的结果就无法反映真实的空鼓高度。对于空鼓形状和最高点的判断的准确性，依赖于操作人员是否具备丰富的测量经验，不利于现场人员的灵活安排和降低人力消耗。
现场测量操作复杂，测量效率较低。测量需要3-4人同时参与，观察空鼓形状，判断最高点位置，滑动深度计定位，然后人工目视读数，完成全部的空鼓测量需要耗费大量的人力和时间。现场测量受环境影响较大，经常需要使用手电筒等增加辅助照明，所有的数据在现场采用纸质记录，测量完成后还需要大量的整理、转录、制表等内业工作。
5 新型空鼓测量仪的组成和系统架构
本项目研发的安全壳钢内衬新型空鼓测量仪，硬件部分主要由基座导轨和数据测量两个模块组成，如图3所示。
5.1 基座导轨模块
导轨外观呈长条形，材质为铝合金，重量轻且强度高，其作用是为数据测量模块提供沿测量方向自由滑移的轨道。导轨两端是测量仪的基座部分，基座上部是塑料握把，操作時只需一个人，就可以通过握把轻松地搬运和移动测量仪，基座下部是不锈钢支脚，测量时通过支脚抵持在钢板上，将测量仪稳定架设在测量位置。
5.2 数据测量模块
数据测量模块是测量仪的核心部件，也就是主机部分，外形呈方形小盒，安装在导轨上并可以沿导轨自由平移。主机内包含单片机、激光测距仪、拉绳式测距仪及附属配件等。
（1）激光测距仪是一种非接触的测量仪器，具有结构简单、准确度和可靠性高等优点，现已被广泛应用于各类技术性要求较高的工程领域，其基本测量原理是将激光信息号发射出去，抵达被测目标物反射回来，根据激光发射信号与接收信号之间的时间或相位差，结合光的传播速度，计算得到仪器与目标物之间的距离。本研发装置中激光测距传感器随主机模块在轨道上滑动时，连续发射出激光测得轨道平面到钢内衬的直线距离，其测量频率为20次每秒，测距精度可达10um。
（2）拉绳式测距仪是一种测量直线距离的装置，主要由一组机械装置和一只可转换信号的电阻器或编码器组成，由内置拉绳的伸缩长度来测量目标物体的直线移动距离，其优点在于不受机械安装误差、抗干扰性强、耐高温等特点，也叫拉力传感器，具有结构紧凑、安装简便、精度高、寿命长、免维护等优点，其用途广泛。本研发装置中，拉绳测距仪的绳子的一端固定于轨道起始端的支座上，另一端固定在主机模块上随着主机移动，用于测量主机模块沿着轨道移动的距离。
（3）单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，通过数据通讯模块分别与激光测距仪和拉绳式测距仪电性连接，通过执行主程序来控制测量装置的启停，同时接收来自激光测距仪和拉绳测距仪的测量数据，实时计算出钢内衬的空鼓高度，并对测量数据进行存储和显示。单片机还可以通过通信接口与外部PC机进行数据通信，能够响应PC机通过专用软件发送过来的命令，按命令执行相应的操作，也可以将测量数据传输至PC机。
此外，主机模块还包括与单片机电性连接LED数码管，可以实时显示测量数据。本测量装置采用可循环充电的电池为各模块组件供电，可以保证不小于8小时的连续工作。
6 结束语
本新型测量装置经过设计、加工、组装和测试后，已经在现场工作中成功应用，实践证明该装置构思巧妙、操作便利，符合预期的设计功能， 解决了原有检查工具存在的现实问题。采用先进的智能化测量代替以往的人工测量方式，实现了钢内衬空鼓数据的自动化采集，一方面优化了实验所需的数据质量，同时工作效率也得以提高。在当前核电产业大发展的背景下，恰当地利用最新信息化技术，解决实际工作中的具体问题，并且该装置在稍作适应性修改后，同样可用于其他异形结构的表面平整度测量，因此，本研发项目具有相当的应用价值和现实意义。
参考文献：
[1]法国86版《90万千瓦核电站土建设计和建造规则 RCC-G》[Z].核工业部科研情报研究所译.
[2]彭斗光.压水堆核电厂安全壳钢内衬老化管理[C].工业建筑杂志社会议论文集，2017.
[3]苏燕，等.基于单片机的激光测距系统设计[J].激光杂志，2017（09）：128-131.
[4]屠淳.激光位移传感器的实例应用介绍[J].仪表技术，2019（03）：47-49.
科技创新与应用2019年17期
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