2017, Vol. 42引用本文 |
| 核电站渡槽伸缩缝监测系统设计 |  [PDF全文] |
2. 精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室，湖北 武汉，430079;
3. 中国广东核电大亚湾核电站，广东 深圳，518108
2. Key Laboratory of Precise Engineering and Industry Surveying, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Wuhan 430079, China;
3. Daya Bay Nuclear Power Plant, China General Nuclear Power Corporation, Shenzhen 518108, China
引水渡槽承担着为核电站输送冷却水的功能，架设在导流明渠上。一旦渡槽发生较大的形变导致漏水事故发生，将直接影响冷却水的温度，从而降低发电的功效。特别严重时，可导致发电机组停机，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。渡槽伸缩缝的位移监测数据可以在一定程度上反映渡槽的整体变形情况。所以对渡槽伸缩缝变化情况的实时连续监测显得尤为重要[1-5]。
1 原理结构与实现某核电站引水渡槽总跨度为100 m，由4个箱涵组成，每个箱涵25 m，相邻箱涵间由止水伸缩缝连接，加上边界伸缩缝，一共有5条伸缩缝。
本系统的设计目标为：① 实时监测并记录箱涵之间的相对位置变化，包含X、Y、Z方向；② 定期通过互联网传输监测数据；③ 可以通过网络进行访问，以获取数据及进行配置。系统的整体结构如图 1所示。
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| 图 1 渡槽伸缩缝实时监测系统结构图 Figure 1 Block Diagram of the Aqueduct Expansion Joint Monitoring System |
系统采用工控机将15个位移传感器的数据定期采集并存储，通过无线AP提供短距离非接触访问，以及通过Internet远程传输数据。工控机上运行的apache WWW server可以提供在线数据查询和一些相关的配置工作。由于设备安装位置不易靠近，因此工控机连接无线AP，操作员可以使用平板电脑等设备连接无线AP之后访问工控机。工控机上还安装有互联网接入设备，供发送电子邮件使用。工控机上运行监控程序，该监控程序作为一个系统服务运行，其作用为：① 每隔1 h向15个位移传感器发起轮询，采集15个位移传感器的测量结果，并将其存储在本地数据库中；② 每天定时将前一天的监测数据发到指定的电子邮箱内，既作为数据备份，又让管理员及时了解监测结果；③ 每月第一天将上一个月的监测数据作为邮件附件发送到预先设定的电子邮箱内。
本系统中，传感器的性能直接影响到监测精度和可靠性，因此其选型非常重要。经初步选型，拟采用防水型LVDT位移传感器进行测量。由于正常情况下伸缩缝的相对变化主要由热胀冷缩引起，因此其正常变化量可以粗略估计。
箱涵的主要构成材料为钢筋混凝土，其温度膨胀系数为4.76×10-6 ~1.21×10-5[1]，当地室外地面温度范围约在-10 ℃~-70 ℃，因此，位移传感器的量程应为1.21×10-5×25 000×80=24.2 mm。由于安装时间一般会避开极端温度时间，传感器量程需大于24.2 mm，经综合考虑，最终选择SDVH20-50型号的LVDT位移传感器，其量程为50 mm, 16位分辨率 (即0.001 mm)，线性度0.25%。
系统在每条伸缩缝安装3个位移传感器，互相呈90°安装，构成三维直角坐标系的3个轴，分别测量X、Y、Z方向的位置相对变化。其安装支架如图 2所示。其中X方向测量伸缩缝宽度变化，Y方向测量伸缩缝两边的水平位移，Z方向测量伸缩缝两边的垂直位移。
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| 图 2 每条伸缩缝上安装3个位移传感器 Figure 2 Three Displacement Sensers of Each Expansion Joint |
2 监测数据分析
已经安装到现场并连续运行的实时监测系统采集到一些数据。下面根据其中的几段数据做初步的分析。其中一条伸缩缝的3个传感器在某一天的连续采样数据如图 3所示，采样间隔为1 h。
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| 图 3 一条伸缩缝X、Y、Z方向24 h位移数据 Figure 3 24 Hours Displacement Data of One Expansion Joint (X, Y, Z Directions) |
经查询当地气象数据，当日最高气温33.8 ℃，最低气温27.2 ℃，温差6.6 ℃。从图 3中可以看出，X方向变化最大，为0.377 mm，而且其变化曲线连续性很好，按照一般的气温规律，一天中在凌晨5点左右达到最低气温，在下午14点左右达到最高气温，因此，可以看出伸缩缝宽度与一天中的温度变化密切相关，由于无法得到当地24 h气温数据，因此无法做进一步分析，但是由于渡槽构件的温度应该滞后于气温变化，其X方向的位移变化应该是略微滞后于气温变化的，而Y方向以及Z方向的位移变化量较小，Y方向位移变化量为0.114 mm，Z方向位移变化量为0.078 mm。Y方向与Z方向的位移变化量与X方向有着较好的同步性，据此推断其位移原因依然主要是温度。一条伸缩缝一个月的监测数据如图 4所示，采样时间为每天的7点钟。
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| 图 4 一条伸缩缝X、Y、Z方向一个月逐日位移与温度数据 Figure 4 31 Days Displacement Data of One Expansion Joint (X, Y, Z Directions) and Temperature |
从图 4可以看到，X方向位移 (即伸缩缝宽度) 与温度有着密切联系，但是由于位移量太小，这个关系不是非常明显，而Y方向以及Z方向的位移由于非常微小，所以无法体现。为了能够更明显地看到X、Y、Z方向的位移变化与温度的关系，在对数据进行调理后再次绘图，方法是将温度除以一个系数4。
经过调理后的月逐日位移变化如图 5所示，此时可以明显看到X方向位移与温度的相关性，即伸缩缝的宽度与温度的相关性，应该属于正常的位移。同时可以看到，Y方向与Z方向的位移量非常微小。另外可以发现，位移变化略微滞后于温度变化。
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| 图 5 调理后的一条伸缩缝X、Y、Z方向一个月逐日位移与温度数据 Figure 5 31 Days Displacement Data of One Expansion Joint (X, Y, Z Directions) and Temperature After Adjustment |
从以上数据也可以看出，目前该渡槽的健康状况基本良好，其各个方向的位移变化原因主要是热胀冷缩引起的，无明显异常。
3 结束语对工业构筑物的实时监测意义重大，特别是核电站相关的构筑物，其健康与否直接关系到核电站的安全。通过设计安装合适的系统来对这些构筑物进行实时监测，可以及时获取构筑物的变形数据，便于评价构筑物的健康与否，同时也可以积累一些数据来研究不同环境下建筑材料的温度特性，对以后的工业构筑物的建设提供基础数据。
| [1] | 张艳聪, 田波, 彭鹏, 等. 水泥混凝土线膨胀系数实验研究[J]. 公路, 2011, (9): 201–205 |
| [2] | 李勇, 张俊安. 一种LVDT信号调理电路的研究[J]. 微电子学, 2007, 37(3): 320–325 |
| [3] | 邓扬, 李爱群, 丁幼亮, 等. 基于长期监测数据的大跨桥梁结构伸缩缝损伤识别[J]. 东南大学学报 (自然科学版), 2011, 41(2): 336–341 |
| [4] | 刘鹏. 桥梁伸缩缝设计选型要点[J]. 山西建筑, 2009, 35(31): 333–334 DOI: 10.3969/j.issn.1009-6825.2009.31.207 |
| [5] | 张伟. 赵山渡渡槽伸缩缝处理方案设计[J]. 大坝与安全, 2009, (3): 84–86 |