張磊磊， 胥 明， 王 凱， 楊忠勇

(1. 中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司， 江蘇 南京 210019; 2. 東南大學(xué)， 江蘇 南京 210096)

核島廠房筏基、安全殼筒體、穹頂連接區(qū)域均安裝有振弦應(yīng)變計，用于監(jiān)測施工階段、安全殼強度與密封試驗階段，以及運行期內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況，以確保結(jié)構(gòu)安全性，監(jiān)測的傳感器多數(shù)采用振弦式應(yīng)變計。

振弦應(yīng)變計[1～5]主要由端座、護(hù)管、振弦、熱敏電阻、激振及拾振線圈等部分組成，見圖1。當(dāng)被測結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)變時，應(yīng)變計兩端產(chǎn)生相對位移并傳遞給鋼弦，使振弦受力發(fā)生變化，從而改變振弦的固有頻率。通過輸出脈沖信號線圈激勵振弦，檢測出線圈所感應(yīng)信號的頻率，同時應(yīng)變計中的熱敏電阻同步測出測點的溫度值，經(jīng)公式換算和溫度修正可得到被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。

圖1 振弦式應(yīng)變計簡圖

目前在核電站建造中發(fā)現(xiàn)筏基、筒體和穹頂上，特別是筏基內(nèi)預(yù)埋的應(yīng)變計陸續(xù)出現(xiàn)一些讀數(shù)異常或無讀數(shù)的情況。經(jīng)過統(tǒng)計多個已建核電項目的振弦應(yīng)變計讀數(shù)失效情況，可知筏基內(nèi)應(yīng)變計失效情況較多，見表1。

表1 部分已建和在建核電工程應(yīng)變計失效數(shù)據(jù)

本文通過分析振弦應(yīng)變計相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13606—2007[6]，GB/T 3408.2—2008[3]和筏基大體積混凝土澆筑實際工況，針對振弦應(yīng)變計失效情況，制定了試驗方案分析失效原因，研究其失效的內(nèi)在機理，為今后振弦應(yīng)變計選型提供技術(shù)保障。

1 工程概況

某項目核島筏基內(nèi)預(yù)埋了結(jié)構(gòu)監(jiān)測和大體積混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)期間監(jiān)測用的振弦應(yīng)變計，該項目核島筏基分2次澆筑，第一次澆筑后就出現(xiàn)了較多的振弦應(yīng)變計讀數(shù)異常和失效，工程各方分析認(rèn)為失效的主要原因來自施工過程未保護(hù)到位，因此第二次澆筑在總結(jié)第一次失效經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采取了如下針對性的改進(jìn)措施：

(1)儀表線圈外增加金屬抱箍，對應(yīng)變計電纜與中間線圈部位進(jìn)行加強保護(hù)；

(2)加大鋼筋保護(hù)籠網(wǎng)格尺寸，確保大骨料能順利進(jìn)入，同時設(shè)置無保護(hù)籠的應(yīng)變計作對比；

(3)編制加密振搗方案，振搗點間距控制在0.4 m，現(xiàn)場設(shè)專人監(jiān)督澆筑振搗。

經(jīng)過上述改進(jìn)措施，第二次澆筑應(yīng)變計失效情況如表2所示，所做的施工改進(jìn)并未起到效果，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變計都是在筏基澆筑后10 d左右開始陸續(xù)失效，因此可以排除施工方面的影響。

表2 某項目兩次筏基澆筑應(yīng)變計失效情況

為了分析不同品牌應(yīng)變計的差異，選取四種產(chǎn)品(表3)進(jìn)行對比試驗，對比驗證不同廠家應(yīng)變計產(chǎn)品在筏基施工過程中的適應(yīng)性和穩(wěn)定性?；炷聊M試驗塊尺寸為11 m×11 m×3.85 m，在對角線4個方向分別布置4種應(yīng)變計；每種應(yīng)變計平面上分別布置3個位置，深度上布置2個位置，每個位置3個方向應(yīng)變計，共計18個應(yīng)變計(圖2)。其中品牌D即為上述筏基失效較多的應(yīng)變計型號。

表3 模擬試驗的不同品牌振弦式應(yīng)變計性能對比

圖2 4種振弦式應(yīng)變計埋設(shè)平面位置/mm

經(jīng)過澆筑后一個月的連續(xù)監(jiān)測，結(jié)果顯示：

(1)品牌A：讀數(shù)正常，一個應(yīng)變計21 d左右頻率讀數(shù)失效。

(2)品牌B：讀數(shù)正常，負(fù)載應(yīng)變波動較品牌A明顯。

(3)品牌C：讀數(shù)正常，負(fù)載應(yīng)變的波動較為明顯，高于品牌B和品牌A。

(4)品牌D：大多點位讀數(shù)正常，負(fù)載變化穩(wěn)定，但從第9天開始，觀測期內(nèi)共8個應(yīng)變計先后出現(xiàn)問題(失效率45%)。判斷該型號應(yīng)變計本身可能存在缺陷，因此開展分析研究該型號應(yīng)變計失效原因。

2 振弦應(yīng)變計失效分析

通過研究和調(diào)查若干核電項目應(yīng)變計相關(guān)資料，梳理振弦應(yīng)變計異常原因及線索，認(rèn)為異常原因有4個方面：(1)儀表設(shè)計與制造方面可能存在本體設(shè)計缺陷，例如：穩(wěn)定性不足、應(yīng)變計防腐設(shè)計失效等；(2)選型與布置可能存在量程選擇不正確；(3)采購驗收方面可能存在技術(shù)要求與進(jìn)場驗收要求不明確或不準(zhǔn)確；(4)讀數(shù)方面可能原因包括應(yīng)變計與讀數(shù)儀全量程匹配性問題、讀數(shù)儀自身問題。

這四個方面的原因中，通過前期現(xiàn)場失效情況判斷振弦應(yīng)變計本身可能存在缺陷，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了3個項目測試：(1)外觀和尺寸測量、絕緣測試；(2)應(yīng)變計標(biāo)稱量程匹配特性測試(室溫)；(3)使用壽命測試，就是模擬現(xiàn)場溫度應(yīng)變計的長期耐溫性驗證。根據(jù)施工現(xiàn)場條件設(shè)計了3個項目測試：(1)不同溫度條件下應(yīng)變計耐溫性驗證；(2)混凝土預(yù)埋應(yīng)變計壓縮匹配性測試(室溫);(3)應(yīng)變計鋼弦腐蝕測試。一共6個測試項目。

3 振弦應(yīng)變計技術(shù)參數(shù)試驗研究

3.1 振弦應(yīng)變計技術(shù)參數(shù)試驗設(shè)計

為進(jìn)一步驗證振弦應(yīng)變計失效原因，依據(jù)國標(biāo)GB/T 13606—2007和GB/T 3408.2—2008開展相應(yīng)的試驗研究，具體試驗項目見表4。從項目中，抽取了部分振弦應(yīng)變計，具體參數(shù)見表5。

表4 針對品牌D振弦式應(yīng)變計的檢測試驗項目及內(nèi)容

表5 試驗應(yīng)變計的編號和試驗項目一覽表

6個測試項目根據(jù)測試要求的順序依次展開，具體流程見圖3。

圖3 測試流程

3.2 振弦應(yīng)變計技術(shù)參數(shù)性能測試

外觀和尺寸測量在自然室溫條件下，采用游標(biāo)卡尺、數(shù)碼相機進(jìn)行測試。線圈電阻采用普通萬用表，絕緣電阻采用UNI-T UT501A 100V兆歐表，分別測試應(yīng)變計的線圈電阻和應(yīng)變計的絕緣電阻，經(jīng)過檢查所有試驗對象均能滿足規(guī)范要求。

應(yīng)變計標(biāo)稱量程匹配特性測試、傳感器讀數(shù)穩(wěn)定性測試采用SCS-1型振弦應(yīng)變傳感器標(biāo)定架，見圖4，5。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13606—2007和GB/T 3408.2—2008要求，應(yīng)變計穩(wěn)定性是按額定值加、卸荷10次，其零點漂移應(yīng)不大于0.5%f.s，穩(wěn)定性的考察和應(yīng)變計標(biāo)稱量程匹配特性測試在一起進(jìn)行。結(jié)果發(fā)現(xiàn)5支中有3支應(yīng)變計在標(biāo)定檢查前后初始讀數(shù)變化過大(相對變化超過15 με，即滿量程3000 με的0.5%)，不符合穩(wěn)定性的要求，見表6。

圖4 振弦式應(yīng)變計標(biāo)定裝置

圖5 應(yīng)變計測試

表6 應(yīng)變計標(biāo)定前后讀數(shù)的變化(品牌D)

混凝土預(yù)埋應(yīng)變計壓縮匹配性測試采用INSTRON HDX1000電子液壓萬能試驗機和混凝土彈性模量測定儀，見圖6。采用兩臺與試驗用應(yīng)變計配套的讀數(shù)儀進(jìn)行測試，均在常溫條件下進(jìn)行測試[7～9]。

圖6 混凝土預(yù)埋應(yīng)變計壓縮匹配特性測試

將混凝土中應(yīng)變計的應(yīng)變讀數(shù)和混凝土標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變進(jìn)行比較。5支測試的D品牌應(yīng)變計中，有4支測試應(yīng)變高于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變，高出范圍在9%～21%，其中1支應(yīng)變計(3#-C15V)測得的應(yīng)變與混凝土標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變的相對誤差達(dá)到20%左右，另外3只應(yīng)變計(3#-C7V，3#-C9R，3#-C19T)測得的應(yīng)變與混凝土標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變的相對誤差在10%左右；只有1支測試的應(yīng)變與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變吻合，相對偏差不超過2%，具體數(shù)據(jù)詳見表7。

表7 混凝土預(yù)埋應(yīng)變計應(yīng)變讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變比值(品牌D)

3.3 不同溫度條件下應(yīng)變計耐溫性測試

不同溫度條件下應(yīng)變計耐溫性驗證測試采用振弦式應(yīng)變傳感器標(biāo)定架和不銹鋼帶調(diào)溫電熱裝置，進(jìn)行加溫并準(zhǔn)確控制溫度，見圖7。試驗時將應(yīng)變計夾持固定在振弦應(yīng)變傳感器標(biāo)定架上，將標(biāo)定架夾持固定應(yīng)變計的部分浸入水中，通過不銹鋼帶調(diào)溫電熱裝置加熱并控制水溫，待水溫達(dá)到測試要求時，通過搖動標(biāo)定架手柄進(jìn)行測試。

圖7 加溫測試裝置

測試采用了兩種方法。第一種是在40，50，60，70，80 ℃條件下進(jìn)行3次應(yīng)變計預(yù)加、卸位移測試循環(huán)。將應(yīng)變計調(diào)整到能穩(wěn)定測試的最小頻率讀數(shù)，將此讀數(shù)設(shè)定為零點，按0～3000 με的范圍均勻分布取6點，測出每一測點的輸出量；應(yīng)變增加到3000 με后反向，再次測出每一測點的輸出量，重復(fù)3次。第二種是將應(yīng)變計采用自由無約束方式加溫至80 ℃后持續(xù)4 h，然后降溫至常溫，反復(fù)多次循環(huán)，觀測應(yīng)變計讀數(shù)的變化。

試驗結(jié)果表明5支應(yīng)變計測試前后的讀數(shù)相差較大，最大的讀數(shù)相差156 Hz，對應(yīng)的應(yīng)變讀數(shù)相差633 με(表8)。說明應(yīng)變計經(jīng)歷不同溫度條件后，其初始讀數(shù)發(fā)生了較大變化，穩(wěn)定性能不足。測試結(jié)果表明：振弦應(yīng)變計出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)象(外界條件相同時，應(yīng)變計的初始讀數(shù)發(fā)生改變)，相當(dāng)于應(yīng)變計讀數(shù)存在虛假應(yīng)變(由應(yīng)變計零點漂移引起的應(yīng)變)，應(yīng)屬于穩(wěn)定性不足的表現(xiàn)。在現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)中沒有對此進(jìn)行規(guī)定。但作為核電站長期監(jiān)測使用的應(yīng)變計，由于在大體積混凝土澆筑的過程中存在升溫和降溫的過程，需要應(yīng)變計在混凝土溫度變化前后能保持初始讀數(shù)不變的性能要求。

表8 部分應(yīng)變計耐溫性測試前、后的變化(品牌D)με

3.4 模擬現(xiàn)場溫度應(yīng)變計的長期耐溫性測試

模擬現(xiàn)場溫度應(yīng)變計的長期耐溫性測試由容積為400 L長方形耐溫白色塑料水箱(外面包裹保溫材料)、加熱設(shè)備和溫度控制設(shè)備構(gòu)成(圖8)。根據(jù)現(xiàn)場實測的溫度曲線模擬現(xiàn)場實際溫度，每天測試應(yīng)變計輸出量，并做記錄。

圖8 模擬工況試驗測試裝置

測試的混凝土試樣浸沒在水中，加熱裝置通過加熱水加熱混凝土試樣，溫度控制裝置可以準(zhǔn)確控制水溫。試驗持續(xù)了22 d。模擬現(xiàn)場溫度變化的曲線見圖9。

圖9 模擬工況溫度變化曲線

在試驗初期，應(yīng)變計讀數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，在12 d后應(yīng)變計讀數(shù)呈現(xiàn)逐漸下降，在20 d左右應(yīng)變計讀數(shù)出現(xiàn)波動，最終有3只應(yīng)變計沒有讀數(shù)顯示，見圖10。與某工程項目筏基失效的應(yīng)變計，初始表現(xiàn)為讀數(shù)不穩(wěn)，波動范圍較大，后續(xù)出現(xiàn)無頻率的現(xiàn)象相似，說明試驗再現(xiàn)了現(xiàn)場應(yīng)變計失效的情況。

圖10 3#-C20R，3#-C7V，3#-C9R應(yīng)變計的讀數(shù)變化

其中3#-C7V和3#-C20R在第20天不顯示讀數(shù)，持續(xù)時間為481 h；3#-C9R在第21天讀數(shù)正常，降溫到24 ℃后不顯示讀數(shù)，持續(xù)時間為522 h。這3支應(yīng)變計在前13～14 d讀數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，14 d后讀數(shù)開始下降，直到最終沒有讀數(shù)。

3#-C19T到第15天不顯示讀數(shù)，第21天溫度降到24 ℃時，應(yīng)變計重新顯示讀數(shù)，應(yīng)變計讀數(shù)總體呈上升趨勢。3#-C15V在整個試驗期間讀數(shù)正常，沒有出現(xiàn)異常情況，應(yīng)變計讀數(shù)在前14 d呈現(xiàn)上升趨勢，14 d后開始下降，第21天停電，溫度下降，其讀數(shù)增大，繼續(xù)加熱后讀數(shù)回到原位置(圖11)。

圖11 3#-C15V，3#-C19T應(yīng)變計的讀數(shù)變化

3.5 振弦應(yīng)變計鋼弦腐蝕測試

3.5.1 試驗設(shè)備

應(yīng)變計鋼弦腐蝕檢測主要設(shè)備有：INSTRON 3367電子萬能試驗機、應(yīng)變計拉伸專用夾具(圖12)、500倍高清數(shù)碼電子顯微鏡、計算機、圖像處理軟件等。

圖12 INSTRON 3367試驗裝置

3.5.2 試驗方法

經(jīng)過模擬現(xiàn)場長期耐溫試驗后的應(yīng)變計從混凝土試樣中取出，拉斷并抽出應(yīng)變計鋼弦，檢測鋼弦腐蝕現(xiàn)象。

后期補充的未經(jīng)過模擬現(xiàn)場長期耐溫試驗的應(yīng)變計(3#-C20T，3#-C18R)，安裝在INSTRON 3367電子萬能試驗機的應(yīng)變計拉伸專用夾具上，拉斷應(yīng)變計內(nèi)的鋼弦，觀察鋼弦的腐蝕情況。

3.5.3 試驗結(jié)果

5支經(jīng)過模擬現(xiàn)場長期耐溫試驗的應(yīng)變計，從混凝土試樣中取出。由于應(yīng)變計鋼弦已經(jīng)嚴(yán)重腐蝕，在取出的過程中，鋼弦就發(fā)生斷裂。從端部抽出鋼弦，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變計內(nèi)部鋼弦出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，有的甚至因腐蝕而斷裂，如圖13。有的鋼弦的腐蝕深度已經(jīng)達(dá)到鋼弦直徑的一半以上，如圖14，15。

圖13 3#-C9R應(yīng)變計鋼弦斷口的腐蝕形貌

圖14 3#-C19T應(yīng)變計鋼弦嚴(yán)重腐蝕形貌

圖15 3#-C20R應(yīng)變計鋼弦嚴(yán)重腐蝕形貌

補充的2支應(yīng)變計(3#-C20T，3#-C18R)打開后進(jìn)行鋼弦表面檢測，其中3#-C20T應(yīng)變計鋼弦表面沒有銹蝕，表面清潔光亮，見圖16。3#-C18R應(yīng)變計鋼弦表面局部有銹蝕現(xiàn)象，見圖17。說明沒有經(jīng)歷現(xiàn)場長期溫度變化的應(yīng)變計，在常溫貯藏條件下也存在腐蝕現(xiàn)象。說明此類應(yīng)變計在常溫貯藏條件下耐腐蝕性能不足。

圖16 3#-C20T應(yīng)變計鋼弦表面

圖17 3#-C18R應(yīng)變計鋼弦表面

4 結(jié) 語

本文通過標(biāo)準(zhǔn)測試找出(品牌D)振弦應(yīng)變計的不足之處：(1)穩(wěn)定性不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；(2)耐溫性能不足。通過非標(biāo)準(zhǔn)的測試找出振弦應(yīng)變計失效原因，即在施工條件下出現(xiàn)鋼弦嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼弦斷裂，使得振弦應(yīng)變計沒有讀數(shù)，使用壽命達(dá)不到要求。因此對核電站筏基用振弦應(yīng)變計應(yīng)提出以下要求：

(1)核電站筏基使用的振弦應(yīng)變計在選型時，需要對振弦應(yīng)變計的工作環(huán)境溫度、內(nèi)部應(yīng)力、耐溫性、可靠性進(jìn)行確定；

(2)振弦應(yīng)變計除按國標(biāo)、行標(biāo)進(jìn)行檢驗外，還需增加在極限溫度條件下的穩(wěn)定性測試。將振弦應(yīng)變計自由狀態(tài)加溫至標(biāo)稱使用溫度的最高溫度，保持溫度不少于2 h，再降溫；以上步驟至少進(jìn)行3次循環(huán)。觀測應(yīng)變計的初始讀數(shù)的變化，其變化率應(yīng)小于0.5%FS；

(3)核電站筏基使用的振弦應(yīng)變計，應(yīng)進(jìn)行長期耐溫性測試，并將其作為進(jìn)場驗收的基本條件。將振弦應(yīng)變計埋置在混凝土試樣中，模擬核電站筏基混凝土現(xiàn)場的溫度變化對應(yīng)變計進(jìn)行長期耐溫性測試，持續(xù)時間不少于60 d，觀測此期間應(yīng)變計的讀數(shù)變化是否正常。最后取出并解剖應(yīng)變計，檢查鋼弦表面，不允許存在銹蝕現(xiàn)象；

(4)筏基用振弦應(yīng)變計是精密儀器，施工各個環(huán)節(jié)需要控制和保護(hù)，采取諸如加裝鋼筋保護(hù)籠，安裝加固，混凝土澆筑振搗控制等措施；

(5)所使用的讀數(shù)儀需要與振弦應(yīng)變計匹配，且在型檢、出廠檢和現(xiàn)場實際時使用同型號讀數(shù)儀。