核电站安全壳穹顶裂缝远程动态监测系统的设计研究

付振中

摘  要：压水堆核电站安全壳的定期打压试验，需对混凝土外壁的表面裂缝进行监测，以评估混凝土的工作情况和安全壳结构的安全状态。传统的试验方法采用的是人工手动测量方式，工作量大且效率低，在测量数据的完整性、可靠性等方面也存在局限性，针对此情况该文设计研发了一套由位移传感器、单片机和无线传输器等组成的数据动态测量采集传输系统，该系统能通过程序控制远程自动完成裂缝宽度测量、数据存储和实时监测等工作，能够提高工作效率并降低作业风险性，在试验数据的完整性和可靠性等方面有明显提高。

关键词：安全壳;穹顶;裂缝测量;动态监测;无线传输

中图分类号：TM623                 文献标志码：A

1 项目背景

在核电站建筑中，反应堆厂房（简称安全壳）作为核安全边界，能够防止极端事故情况下放射性物质向外界扩散，承担着保护公共安全的重要作用。根据核安全要求，安全壳须定期进行整体打压试验，以验证其强度方面承受设计基准事故的能力。具体的试验方法是将安全壳边界上的所有密封通道全部关闭，通过空压机向壳内充入空气增加其内部压力，分析安全壳在承压过程中结构变形是否符合设计的理论预期。

打压试验的一项重要工作是对安全壳预应力混凝土的外观进行检查，检查其是否存在表面裂缝，并在重点关注的裂缝上安装可以测量裂缝宽度的位移传感器，以监测裂缝宽度随压力增减的变化情况，传统的试验中最广泛的做法都是通过试验人员去到每个传感器安装位置，逐一手动采集测量数据，再拷贝到电脑上进行分析。

2 需要解决的问题

在监测安全壳穹顶的裂缝时，通往穹顶唯一的通道是固定在安全壳外壁上高达几十米高的钢爬梯，每次打压试验期间，试验人员需要多次来回攀爬竖梯，工作量很大而且工业安全风险很高，尤其遇上极端天气时更加困难甚至无法作业。因此，有必要研发更先进的试验装置和方法，解决传统做法所存在的问题，其局限性主要在体现以下几个方面。

2.1 数据监测的实时性

现场手动采集数据，因为人员上下穹顶的工作量很大并且需要花费的时间很长，只能在试验过程中选择几个固定时间点去采集数据，这样就无法获得所监测裂缝的实时数据，有可能错过一些突然发生的重要变化，给试验的分析判断带来了一定的影响。

2.2 数据存储的可靠性

根据具体的检查情况，有时穹顶需要监测的裂缝数量较多，如果某个传感器在工作过程中发生故障，没有完成测量或者存储数据，必须要等下一次采集数据时才会被发现，那么之前所丢失的数据就无法找回。

2.3 人员工作量与安全风险大

现场手动采集每次都要攀爬几十米的钢爬梯，工作量很大、耗费时间长且工业安全风险很高，尤其遇上大风雨雪雷暴等极端天气时，数据采集工作更加困难甚至根本无法进行，影响整体试验的顺利进行。

因此基于现有技术方法的局限性，迫切需要研发更先进的设备和技术方法，来完成裂缝监测的工作任务。

3 系统设计的总体思路

通过广泛的调研分析和论证，安全壳试验项目组提出了一种全新的远程裂缝动态监测方案，该方案总体思路是，在穹顶所需要监测的裂缝上安装高精度的位移传感器，并利用集成微控制器自动采集传感器的测量数据，在穹顶组建局域网收集所有传感器的数据，再将汇总的数据通过无线网络传输到地面监测中心。

该裂缝监测系统主要包括3个部分：数据测量节点、中继传输模块和地面数据监测终端。

3.1 数据测量节点

在每条目标裂缝上安装一个测量模块，测量模块内安装了一个高精度LVDT位移传感器，此外还集成了微控制器、存储器和无线传输器，模块中的位移传感器、存储器和无线传输器分别与微控制器连接，并接受来自微控制器的工作指令，通过微控制器控制整个测量模块的运行。位移传感器采集的测量数据实时输入微控制器后，通过无线传输器将该节点的测量数据传送出去。另外，为防止无线传输失败导致数据丢失，微控制器同时也将数据保存在模块的本地存储器中。

3.2 中继传输模块

中继传输模块的作用是收集穹顶所有测量节点的数据，汇总后发送到地面。中继模块包括微控制器、数据接收器、接收天线、数据发送器和发射天线，各个部件分别与微控制器连接，并接受来自微控制器的工作指令，通过微控制器来控制整个中继模块的运行。

中继模块的接收天线接收所有测量节点发送过来的测量数据，通过数据接收器解调测量数据并输入微控制器，微控制器将数据解码后输出到数据发送器，数据发送器将解码后的数据进行调制并发送到发射天线，最后通过发射天线将数据发送至地面的数据监测终端。裂缝远程监测系统的模块及构成如图1如示。

3.3 数据监测中心

数据监测中心包括无线传输器、接收天线和计算机终端设备，无线传输器和终端设备通过有线数据电缆连接，对收到的测量数据进行实时存储和监测，在终端设备中安装专用软件，根据试验需要对所获取的数据进行分类排序和处理分析，作为试验评价和决策的依據。

4 技术难点与实现方案

由于安全壳穹顶的球形结构不利于无线电信号的定向传播，对于高频电磁波而言，就相当于是一个凸面镜，电磁波信号几乎都被发散到了高空，无法到达地面的数据监测中心。并且，由于安全原因以及供电的问题，安全壳区域的无线通信装置所使用的发射功率必须是微功率，一般不允许超过20 dBm，所使用的频率也只能是ISM频段的频率，这也给无线信号的传输增加了困难。项目组调研发现，之前也有相关组织进行过类似的无线传输实验和尝试，均未找到满意的实现方案。

为了解决无线信号较弱且容易向空中发散的问题，该方案将中继传输模块的接收天线与主机分开布置，接收天线安装在安全壳穹顶中心最高点的护栏上，而中继模块的主机与发送天线則固定在女儿墙的外侧，中继模块的接收天线与主机之间采用有线高频传输电缆连接。

通过这样的布置，位于中心最高点的接收天线就可以接收所有无线测量节点发送出来的数据，并通过有线高频电缆将数据从穹顶中心传输至女儿墙的主机传输器，并通过发送天线向地面的监测中心发送数据信号。位于地面的数据监测中心也需要选择恰当的工作位置，要求其与安全壳女儿墙上中继模块的发送天线可以通视，在该位置安装数据监测中心的天线来接收穹顶的数据信号，最后通过有线高频数据电缆将数据传输至监测中心的终端设备。裂缝远程监测系统的总体架构和现场布置如图2所示。

系统配件的具体选择：位移传感器采用LVDT差动变压器式位移传感器，量程5 mm，分辨率0.001 mm ， 线性度0.2%，LVDT表示的是线性可变差动变压器，属于直线位移传感器;微控制器选择的是超低功耗、高可靠性的MCU芯片Si8051;有线电缆采用50 Ω的高频数据传输电缆，要求在433 MHz频率上，100 m范围内的信号衰减不超过15 dB;无线传输模块选用的是Si4432，最大发射功率20 dBm，工作在433 MHz的ISM频段，接收灵敏度-120 dBm;中继传输模块和数据测量节点，均在本地配置锂聚合物电池供电，经计算与实测，容量12 Wh的电池，在每分钟测量一次的频度下，可以连续工作2个月，完全满足试验的持续时间要求。

5 结语

针对安全壳穹顶的特殊环境，为了实现高效可靠的数据自动传输，该项目研发的裂缝远程动态监测系统，在测量节点、中继模块和监测终端3个部分灵活采用有线与无线相结合的数据传输方式，通过2种传输方式互相配合，有效地解决了穹顶的数据收集以及从穹顶到地面的数据传送问题。从而成功实现裂缝数自动测量、收集传输和远程监测，在地面工作点即可以随时鸡窝裂缝的变化情况，不仅能够节约人工，降低现场作业风险，极大地提升了安全壳打压试验的实施效率，同时，在试验数据的实时性、完整性和可靠性等方面亦有明显提高。

参考文献

[1 ] 核工业标准化研究所.NB/T 20097—2012，压水堆核电厂混凝土安全壳功能设计要求[S]. 北京：原子能出版社，2012.

[2]张涛.核电站渡槽伸缩缝监测系统设计[J].武汉：测绘地理信息，2017（2）：98-100.

[3]王苏昇.某核电站闸门口应力分析及裂缝监测技术研究[J].北京：工业建筑，2013（S1）：327-329.

[4]徐亚明.无线传感器网络变形监测研究综述[J].武汉：测绘地理信息，2016（5）：1-7.

[5]核工业标准化研究所.NB/T20017—2010，压水堆核电厂结构整体性试验[S].北京：原子能出版社，2010.

[6]高鹏.无线通信技术与网络规划实践[M].北京：人民邮电出版社，2016.