中子无损检测法在泸定水电站蜗壳脱空检测中的应用

2011-04-26晏国顺张富家王旭明

水力发电 2011年5期

晏国顺，张富家，王旭明

（1.四川华电泸定水电有限公司，四川泸定 626100；2.中国水利水电第十四工程局有限公司曲靖分公司，云南曲靖 655000；3.黄河勘测规划设计有限公司工程物探研究院，河南郑州 450003）

泸定水电站安装4台单机容量230 MW混流式水轮发电机组，机组间距29.8 m。机组蜗壳最大管节直径为9.1 m，最大水平半径为12.6 m，最小管节直径为2.916 6 m，最小水平半径为7.176 7 m，蜗壳支撑及固定由69个支墩组成。蜗壳钢衬上半部铺设弹性垫层，内侧距基坑里衬外壁1.5 m、外侧至腰线。蜗壳外包混凝土标号为C20（二）。

为保证蜗壳外包混凝土浇筑饱满，蜗壳外包混凝土底部首先采用常规的泵送混凝土浇筑，并形成倾向蜗壳中心的斜坡，浇筑至距离蜗壳底部90 cm左右位置，采用塌落度为25～27 cm的高流态自密实混凝土，退管法浇筑，当混凝土与蜗壳底部相接后，采用3根环向预埋的泵管向座环、蜗壳阴角部位泵送高流态混凝土。对于蜗壳底部确实难以浇筑密实的部位，埋设灌浆管，灌注水泥浆回填密实。

1 泸定水电站蜗壳脱空检测

1.1 检测目的

蜗壳外包混凝土浇筑完成后，对蜗壳进行敲击检查脱空情况，发现脱空部位较多，面积较大，根据设计要求，蜗壳与外包混凝土间脱空区域面积应小于0.3 m2。因此对脱空面积较大区域蜗壳钢板开孔，进行接触灌浆处理，但接触灌浆进浆量极少，开孔之间的连通性较差。为掌握蜗壳与外包混凝土间脱空区域的具体情况，决定对蜗壳与外包混凝土间脱空区域分布范围、面积及深度等进行检测。

1.2 检测方法、原理和依据

蜗壳脱空检测采用南京水利水电科学研究院研制的多功能混凝土质检仪，由探头和主机两部分组成。探头内主要有中子源和热中子探测器，中子源发射快中子，探测器检测快中子慢化后的热中子计数。主机负责采集热中子计数，并设置相关参数。该设备可以探测厚度60 mm以内钢板下的混凝土脱空情况，脱空深度分辨率可达3 mm，最大脱空测量深度约50 mm。

该项检测技术是利用快中子慢化原理。中子源不断发射的快中子与被测物质原子核发生碰撞而被减速，即中子慢化，每碰撞一次就要减速一次，直到最终慢化成为热中子，于是，在中子源附近空间就形成了一个热中子云球。物理学指出：不同元素的原子核对中子的减速慢化能力是由两个因子决定的，一是被碰撞核的质量，即中子与核碰撞所损失的能量随核质量增大而迅速减少，氢核最轻，碰撞使中子损失能量最大，慢化能力最强；二是中子与原子核的碰撞几率（散射截面），氢核对中子的散射截面最大。

当含中子源探头置于钢板上时，钢板和空洞对中子慢化贡献极小，而钢板下混凝土含有水分，对快中子慢化有明显贡献，所以探头上的热中子计数器对混凝土有无脱空有明显计数差异（同一块钢板）。前期在室内对不同厚度的钢板、不同脱空深度进行标定，现场根据实测热中子计数得出实际脱空深度。如果钢板下空洞内有水，其计数又会明显增大，同样可以检测出来。

利用中子无损检测方法探查厚钢板下浇筑混凝土脱空缺陷是利用快中子慢化原理，让快中子穿过钢板与钢板下混凝土材料相互作用，从而被慢化产生热中子。如果钢板下混凝土在平面上和沿深度方向上充填分布不均匀，即存在脱空缺陷，在相应部位测点上热中子分布就会出现异常。用热中子探测器测取检测面上各测点处的热中子计数率，根据其大小变化和分布规律，可探查出钢板下混凝土脱空缺陷。本项中子检测技术无损、快速、准确和安全，并能确定脱空缺陷平面分布范围和大致深度。

2 检测范围和测点布置

2.1 蜗壳钢板基本情况

泸定水电站每台水轮机蜗壳钢板，从蜗壳进口到蜗壳螺旋尾部可分为34节，钢板编号为A、B、C以及1～31。由15种厚度不同的钢板拼焊而成，其厚度范围为：40～16 mm。

2.2 断面及测点布置

本次检测范围为从蜗壳进口到蜗壳螺旋尾部的蜗壳底部约1/3圆周面积上。单台机组蜗壳检测断面长度大约50 m，布置了161个断面，断面间隔约33 cm，在蜗壳检测面上绘制33 cm×33 cm的方形网格，单个蜗壳总计约4 000个测点（含复测约400个测点）。这种测量网格的布置是基于考虑探测器的平面测量范围，以保证不存在测量盲区。蜗壳底部中心线上的测点为0号，内侧测点号为偶数，距中心轴线由近及远号码依次为2、4、6、8、10……，外侧测点号为奇数，距中心轴线由近及远号码依次为1、3、5、7、9……，单个蜗壳测点布置见图1。