一种基于分布式传感技术的核电厂安全壳整体性能评价方法技术

本发明专利技术涉及重大土木结构工程安全监测和核安全领域，具体涉及一种基于分布式传感技术的核电厂安全壳整体性能评价方法，包括如下步骤：在安全壳上铺设传感光纤；获取筒体的真实应变值及径向位移值；获得筒体的理论应变值及径向位移值；对安全壳进行性能评价，判断安全壳是否满足整体强度要求，本专利基于分布式传感技术评价安全壳整体性能的方法，可实现即使安全壳混凝土结构预埋振弦传感器失效的情况下仍可以进行整体性能评价，且具有多区域铺设、长距离、数据丰富，可消除局部位置的偶然误差等创新点和优点，可满足现有预埋应变监测传感器补充和失效前升级改造需要，为核电厂的长寿期运行提供保证。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分布式传感技术的核电厂安全壳整体性能评价方法
本专利技术涉及重大土木结构工程安全监测和核安全领域，具体涉及一种基于分布式传感技术的核电厂安全壳整体性能评价方法。
技术介绍
光纤传感技术具有众多优势，它体积小、抗电磁干扰无漂移、耐久性好、传输距离远，其中分布式传感器基于布里渊散射原理，可进行大范围、长距离、分布式应变实时监测等优点，目前已逐渐在结构健康监测领域得到应用，是一种潜在应用于土木工程结构长期健康监测的良好传感器。目前已被广泛应用在隧道、桥梁、管道等结构。传统安全壳结构整体性评价主要基于安全壳建造阶段预埋的若干数量振弦应力计，通过日常运行期间安全壳强度试验和十年大修打压试验期间的安全壳强度试验来进行评价和预测，其中混凝土应变是非常重要的指标之一，然而预埋振弦传感器随着服役时间增长发生失效且无法维修或更换的可能性和严重程度均会增加。IAEA(国际原子能机构)指出“法国核电站此类传感器平均故障率约为每年2％”，目前部分核电厂预埋振弦式应变监测传感器也出现一定比例失效，当失效比例进一步扩大，则监测数据的有效性不足以准确评价安全壳性能和安全状态，将最终导致核电站运行期间安全壳的结构性能不处于有效监测状态下，不符合核安全监管的要求。预埋传感器的失效不可逆转且无法实现修复和更换，且目前国内核电厂正在申请延长二十年运行时间，对安全壳结构性能监测提出了更高的要求。
技术实现思路
本专利技术基于现有技术存在缺陷提供一种基于分布式传感技术的核电厂安全壳整体性能评价方法。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于分布式传感技术的核电厂安全壳整体性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在安全壳上铺设传感光纤，具体为：在筒体的顶部、中部和筏基部位的表面沿环向分别铺设水平传感光纤；所述筒体自其顶部到中部间隔铺设多条竖向传感光纤；在所述水平传感光纤和所述竖向传感光纤的铺设位置分别铺设温度补偿光纤，每一根传感光纤均一一相应的设有与其相配合的一根温度补偿光纤；2)获取筒体的真实应变值及径向位移值2.1)对铺设好的传感光纤进行数据采集，当光栅移动时背向散射光显示出多普勒频率移动特性，布里渊频移vB和局部的声波速度相关，取决于材料局部的温度和应变，其关系如下：vB＝2nVa/λ0(1)式(1)中，Va—声子的声速；λ0—入射光的波长；n—传感光纤的有效折射率系数；n和Va随传感光纤的应变和温度变化而变化，布里渊频移vB如公式(2)，ΔvB＝vB(ε0，T)-vB(0,0)＝Cεε0+CTT(2)式(2)中，ΔvB—布里渊频移增量；vB(ε0，T)—布里渊频移时变量；vB(0,0)—没有温度和应变施加时的布里渊频移；Cε—应变系数；ε0—初始应变；CT—温度系数；T—温度/℃；传感光纤上每隔LSI距离测点的平均应变，LSI为采样间隔，空间分辨率LSR为布里渊分析得到的LSI长度的平均应变，式(3)中，c—光波在真空中传播的波速；τ—入射光脉冲的持续时间；如果布里渊测点成为连续测点，整段传感光纤的变形Δl如下式：如果布里渊测点是离散的，通过把离散的测点的应变相加，得到整段传感光纤的变形Δl为：式(5)中，N—测点数；2.2)采用温度补偿光纤对上述传感光纤的实测应变值进行修正，即获得修正后筒体沿水平方向的真实应变值ε0x和筒体沿竖直方向的真实应变值ε0y；2.3)通过式(6)获得筒体的真实径向位移ΔR1：ΔR1＝R×ε0x(6)其中，R为筒体直径；3)获得筒体的理论应变值及径向位移值3.1)根据受力平衡方程，在水平切线方向有：PR＝Δσc(t)Ac+ΔσL(t)AL+Δσs(t)As+Δσp(t)AP(7)Δσc(t)—混凝土单位面积应力增量；ΔσL(t)—钢衬里单位面积应力增量；Δσs(t)—钢筋单位面积应力增量；Δσp(t)—预应力钢束土单位面积应力增量；混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：εx—筒体水平切线方向应变；E—弹性模量；σx—筒体水平切线方向应力；ν—泊松比；σyY轴竖直方向应力；安全壳在内压下有：由式(7)、式(8)和式(9)得水平切线方向应变为：νc—混凝土泊松比；νL—钢衬里碳钢泊松比；根据受力平衡方程，在筒体竖直方向有：Δσd(t)—预应力钢束套管单位面积应力增量；混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：εy—Y轴竖直方向应变；安全壳在内压下有：由式(10)、式(11)和式(12)得筒体竖直方向应变为：上述式(7)至式(12)中：PR—内压下混凝土水平切线方向单位长度集中力；—内压下混凝土竖直方向单位长度集中力；Ec、ES、EL、EP、Ed—混凝土、钢筋、钢衬里、钢束、钢束套管对应的弹性模量；Ac、AS、AL、AP、Ed—混凝土、钢筋、钢衬里、钢束、钢束套管单位长度对应的截面面积；3.2)通过式(13)获得筒体的理论径向位移ΔR2：ΔR2＝R×εx(t)(13)4)安全壳性能评价当同时满足以下两个条件时，安全壳满足整体强度要求：条件一，修正后筒体在水平及竖直方向的真实应变值以及径向位移值不超过相应的理论计算值的30％；条件二，修正后筒体在水平及竖直方向的真实应变值以及径向位移值随安全壳内压力变化呈现线弹性特征。进一步的，采用卡尔曼滤波法对采集的数据进行处理。进一步的，采集数据间隔不低于15min，空间分辨率不低于20cm，采样间隔不低于5cm。进一步的，数据采集前进行归零处理，消除传感光纤在黏结过程中产生的初始应变。进一步的，步骤1中，水平光纤分别设于筒体标高为+42.00m、+26.00m和-6.7m的位置。进一步的，步骤1中，在筒体上铺设竖直光纤时，每两个扶壁柱之间铺设1-4根竖直传感光纤。进一步的，步骤2.2中的修正方法为：将传感光纤测得的初始应变值减去同位置与其配合铺设的温度补偿光纤测得的应变值，即得修正后的真实应变值。进一步的，步骤1中，在安全壳穹顶上沿其经线方向布设相互交叉的多条顶部传感光纤，所有的所述顶部传感光纤均一一相应的设有与其相配合的一根温度补偿光纤，监测所述顶部传感光纤的应变值并通过温度补偿光纤进行修正。进一步的，所述安全壳穹顶上均匀间隔铺设三根相互交叉的所述顶部传感光纤，步骤4中需满足顶部传感光纤经修正后的应变值不大于理论计算值的30％且顶部传感光纤修正后的应变值随安全壳内压力变化呈现线弹性特性。进一步的，铺设于穹顶的顶部传感光纤的理论应变值其计算方法包括：假定在内压作用下各构件应变相同，根据受力平衡方程有混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：安全壳在内压下有：解(11)(12)(13)得：其中：εDx—穹顶沿圆弧面切线方向的应变；σDx—穹顶沿圆弧面切线方向的应力；σDy—穹顶沿竖直方向的应力；εD(t)—混凝土强度试验下应变的改变量：—内压下穹顶混凝土截面单位长度集中力。采用以上技术方案后，本专利技术与现有技术相比具有如下优点：本专利技术首次实现将分布式传感光纤技术应用到安全壳性能监测，且监测效果较好；现场安装、铺设与维护简单；监测区域大，可实施长距离和多区域监测；数据量大、理论精度高，且铺设光纤长度越长精度越高；不需要破坏安全壳混凝土结构，仅在表面铺设即可，不会造成安全壳损伤和影响日常生产与运行；可连续监测，评价方法也比较准确直观，不需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分布式传感技术的核电厂安全壳整体性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在安全壳上铺设传感光纤，具体为：在筒体的顶部、中部和筏基部位的表面沿环向分别铺设水平传感光纤；所述筒体自其顶部到中部间隔铺设多条竖向传感光纤；在所述水平传感光纤和所述竖向传感光纤的铺设位置分别铺设温度补偿光纤，每一根传感光纤均一一相应的设有与其相配合的一根温度补偿光纤；2)获取筒体的真实应变值及径向位移值2.1)对铺设好的传感光纤进行数据采集，当光栅移动时背向散射光显示出多普勒频率移动特性，布里渊频移vB和局部的声波速度相关，取决于材料局部的温度和应变，其关系如下：vB＝2nVa/λ0                                  (1)式(1)中，Va—声子的声速；λ0—入射光的波长；n—传感光纤的有效折射率系数；n和Va随传感光纤的应变和温度变化而变化，布里渊频移vB如公式(2)，ΔvB＝vB(ε0，T)‑vB(0,0)＝Cεε0+CTT                   (2)式(2)中，ΔvB—布里渊频移增量；vB(ε0，T)—布里渊频移时变量；vB(0,0)—没有温度和应变施加时的布里渊频移；Cε—应变系数；ε0—初始应变；CT—温度系数；T—温度/℃；传感光纤上每隔LSI距离测点的平均应变，LSI为采样间隔，空间分辨率LSR为布里渊分析得到的LSI长度的平均应变，...

【技术特征摘要】
1.一种基于分布式传感技术的核电厂安全壳整体性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在安全壳上铺设传感光纤，具体为：在筒体的顶部、中部和筏基部位的表面沿环向分别铺设水平传感光纤；所述筒体自其顶部到中部间隔铺设多条竖向传感光纤；在所述水平传感光纤和所述竖向传感光纤的铺设位置分别铺设温度补偿光纤，每一根传感光纤均一一相应的设有与其相配合的一根温度补偿光纤；2)获取筒体的真实应变值及径向位移值2.1)对铺设好的传感光纤进行数据采集，当光栅移动时背向散射光显示出多普勒频率移动特性，布里渊频移vB和局部的声波速度相关，取决于材料局部的温度和应变，其关系如下：vB＝2nVa/λ0(1)式(1)中，Va—声子的声速；λ0—入射光的波长；n—传感光纤的有效折射率系数；n和Va随传感光纤的应变和温度变化而变化，布里渊频移vB如公式(2)，ΔvB＝vB(ε0，T)-vB(0,0)＝Cεε0+CTT(2)式(2)中，ΔvB—布里渊频移增量；vB(ε0，T)—布里渊频移时变量；vB(0,0)—没有温度和应变施加时的布里渊频移；Cε—应变系数；ε0—初始应变；CT—温度系数；T—温度/℃；传感光纤上每隔LSI距离测点的平均应变，LSI为采样间隔，空间分辨率LSR为布里渊分析得到的LSI长度的平均应变，式(3)中，c—光波在真空中传播的波速；τ—入射光脉冲的持续时间；如果布里渊测点成为连续测点，整段传感光纤的变形Δl如下式：如果布里渊测点是离散的，通过把离散的测点的应变相加，得到整段传感光纤的变形Δl为：式(5)中，N—测点数；2.2)采用温度补偿光纤对上述传感光纤的实测应变值进行修正，即获得修正后筒体沿水平方向的真实应变值ε0x和筒体沿竖直方向的真实应变值ε0y；2.3)通过式(6)获得筒体的真实径向位移ΔR1：ΔR1＝R×ε0x(6)其中，R为筒体直径；3)获得筒体的理论应变值及径向位移值3.1)根据受力平衡方程，在水平切线方向有：PR＝Δσc(t)Ac+ΔσL(t)AL+Δσs(t)As+Δσp(t)AP(7)Δσc(t)—混凝土单位面积应力增量；ΔσL(t)—钢衬里单位面积应力增量；Δσs(t)—钢筋单位面积应力增量；Δσp(t)—预应力钢束土单位面积应力增量；混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：εx—筒体水平切线方向应变；E—弹性模量；σx—筒体水平切线方向应力；ν—泊松比；σy—Y轴竖直方向应力；安全壳在内压下有：由式(7)、式(8)和式(9)得水平切线方向应变为：νc—混凝土泊松比；νL—钢衬里碳钢泊松比；根据受力平衡方程，在筒体竖直方向有：Δσd(t)—预应力钢束套管单位面积应力增量；混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：εy—筒体竖直方向应变；安全壳在内压下有：由式(10)、式(11)和式(12)得筒体竖直方向应变为：上述式(7)至式(12)中：PR—内压下混凝土水平切线方向单位长度集中力；—内压下混凝土竖直方向单位长度集中力；Ec、E...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖开星，孔祥龙，薛飞，陈志林，李毅，费克勋，
申请(专利权)人：苏州热工研究院有限公司，中国广核集团有限公司，中国广核电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32