核电厂安全壳钢筋保护层厚度的雷达探测技术

2020-12-19吴金锋袁书现吴传侠

无损检测 2020年3期

吴金锋，袁书现，吴传侠

(1.中广核检测技术有限公司，苏州 215026；2.上海中森建筑与工程设计顾问有限公司，上海 200062)

核电厂安全壳是核反应堆的保护结构，是继核燃料包壳、一回路压力边界之后的第3道安全屏障，其设计要求能承受压力、热和机械作用导致的载荷。核电厂安全壳的功能是当一回路管道发生破裂甚至失水事故时，将放射性物质限制在其内部。CPR1000型核电机组采用的是带密封钢衬里的单层预应力混凝土安全壳[1]，底部用钢筋混凝土底板密封，顶部用准球形的预应力混凝土穹顶封闭，其内表面覆盖一层6 mm厚的焊接钢板。

对钢筋混凝土构件而言，合适的混凝土保护层起着非常重要的作用，其既能保证钢筋在混凝土构件中的受力位置，以发挥其承载能力，又能保证钢筋不易锈蚀，还能保证钢筋混凝土构件满足防火要求。由于构件抗弯承载力与保护层厚度呈负线性相关关系，当钢筋混凝土保护层厚度大于设计要求厚度时，其受弯承载力降低;当钢筋混凝土保护层厚度小于设计要求厚度时，混凝土对钢筋的约束力不够，会造成整体力学性能降低，两种情况都会使得钢筋混凝土构件处于不安全状态[2]。

在对安全壳进行安全裕度计算时，安全壳各方面的零点数据均需充分考虑，因此有效科学的检测方法就变得尤为重要。笔者使用雷达探测技术对钢筋混凝土保护层厚度进行检测，为安全壳老化机理研究提供足够可靠的数据，可为核电厂安全以及延寿提供足够的科学依据。

1 雷达探测技术原理

雷达探测技术是一种新型的无损检测技术，具有检测效率高、分辨率高等特点，被广泛应用于非金属材料的检测中。该技术对混凝土的穿透能力强，可检测深度大，且能够相当直观地完成快速和实时检测，对建设工程的质量保证具有重要的现实意义。

雷达探测技术是基于电磁波的传播原理，对物体内不可见的目标体进行定位的广谱电磁技术，探测系统由主机、天线及数据处理软件等组成。雷达探测技术原理为：利用发射天线将高频电磁波以宽频带短脉冲的形式送入待测构件内部，当遇到待测钢筋时会反射电磁波，其反射系数主要由介质的相对介电常数决定，通过对接收的反射信号进行处理和图像解释，确定被检钢筋的位置、直径、长度等特征(见图1)。

图1 雷达探测技术原理示意

雷达波是一种电磁波，影响电磁波在介质中传播的两个主要物理量为电导率σ和介电常数ε，其中电导率σ是决定电磁波吸收衰减的主因，介电常数ε对电磁波的传播速度v起决定作用[3]。电磁波在特定介质中的传播速度如式(1)所示。

(1)

式中：c为电磁波在真空中的传播速度，为0.3 m·ns-1；εr为介质的相对介电常数。

自然界中几乎所有的物质都有独特的介电常数，表1为几种混凝土结构检测中常见材料的相对介电常数。

表1 混凝土结构检测中常见材料的相对介电常数及其中的电磁波速度

实际工程中,可通过取芯法得到混凝土芯样高度和电磁波双程传播时间的关系，求得混凝土构件的相对介电常数[4]。

电磁波在特定介质中的传播速度是不变的, 根据反射波与入射波的时间差t, 可计算出目标深度H, 即钢筋混凝土的保护层厚度，计算公式为

(2)

2 雷达探测技术在安全壳检测中的应用

依据标准GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》及标准GB/T 50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》，不同环境构件中的普通钢筋及预应力钢筋的混凝土保护层厚度均有相应规定，最小混凝土保护层厚度为15～90 mm。标准GB 50204-2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》规定必须对重要部位进行结构实体检验，主要检验混凝土强度和钢筋保护层厚度，需要对重要构件，特别是悬挑梁和板构件，以及易发生钢筋位移和易露筋的部位，采用非破损或局部破损的方法检验，梁类构件的纵向受力钢筋保护层厚度的允许偏差为-7～+10 mm，板类构件的纵向受力钢筋保护层厚度的允许偏差为-5～+8 mm。

现有对钢筋混凝土保护层厚度检测的研究多集中在100 mm以内。赵晖等[5]使用钢筋探测仪Profometer 5检测，结果表明: 0～60 mm内的钢筋保护层厚度检测平均误差一般为±2 mm；60～100 mm的钢筋保护层厚度检测平均误差一般为±5 mm，且随着钢筋保护层厚度的增加，检测精度逐渐降低。

核电厂安全壳厚度达到900 mm，其钢筋保护层也较一般建筑工程的厚。采用雷达探测技术对安全壳模型进行检测，来获得该技术在安全壳混凝土保护层检测中的精度。

2.1 钢筋混凝土模型设计

2个钢筋混凝土模型尺寸(长×宽×高)为1 000 mm×750 mm×900 mm，1 000 mm×750 mm×450 mm，模型中布置直径为20 mm的单层钢筋、双层钢筋、十字交叉钢筋，底部贴合6 mm厚的P256GH钢板，钢筋混凝土模型结构示意如图2所示。

图2 钢筋混凝土试块结构示意

2.2 检测方法

采用LTD-2100探地雷达主机配GC1500，GC900 MHz的天线，分别对两块安全壳试块的最外层钢筋保护层厚度进行检测。发射和接收天线与混凝土表面密贴，测线垂直于钢筋的走向布置，钢筋雷达剖面图如图3所示。由雷达主机高速发射雷达脉冲，进行快速连续采集，记录电磁波双程走时和动力学特征，经过精细的数据处理与分析，根据反演电性分界面和电性突变点的埋藏深度来判定混凝土的保护层厚度，该方法具有分辨率高、图像直观、勘探周期短等优点。

图3 钢筋雷达剖面图

2.3 检测结果

检测前，分别在钢筋的两端测量其实际埋藏深度,取深度的平均值作为该钢筋的保护层厚度，再用探地雷达进行检测，检测的雷达图形以脉冲反射波的形式记录，以波形或灰度显示钢筋探地雷达垂直剖面图(见图4)，精确读出时间标尺数值。调转雷达天线方向进行反向检测，经公式计算可得到混凝土保护层厚度，雷达检测结果如表2所示。

图4 钢筋探地雷达垂直剖面图

测量两块安全壳试块的实际厚度，在无设计缺陷的位置用探地雷达对其厚度进行检测，得到两块安全壳试块的钢板界面(见图5)，经处理得到安全壳厚度，将检测结果列入表2。

图5 两块试块的钢板界面

表2 雷达检测结果 mm

由表2可知，在进行安全壳钢筋保护层检测时，正向检测与反向检测重复性较好。保护层厚度为100 mm左右时，检测偏差为1～3 mm；保护层厚度为200 mm左右时，检测偏差为2～6 mm。在进行安全壳厚度检测时，安全壳厚度为450 mm左右时，检测偏差为0～5 mm；安全壳厚度为900 mm左右时，检测偏差为2～7 mm。

无论是安全壳厚度的检测还是钢筋保护层厚度的检测，检测偏差均为正向偏差，将检测数据导入EXCEL表格生成拟合曲线(见图6)。