刘志双 白朝阳 苏 杰 代四飞
中国核工业二三建设有限公司 深圳 518120
摘 要：通过分析用传统方法安装在役核电站环行起重机自备检修拱架存在的问题，设计了一种用于核电站受限空间的专用顶升设备。该设备顶升高度高、顶升载荷大且可以实现远程遥控操作。根据设备的顶升需求，创新性的开发了可垂直顶升的伸缩臂系统和具有两个自由度的夹具系统，并采用解析算法和Ansys 有限元软件，对其强度和刚度进行计算分析，确保设备的安全高效。
关键词：核电站；受限空间；顶升设备；设计
0 引言
核电站环行起重机（以下简称核环吊）在设计上有自备检修拱架（见图1），自备检修拱架位于桥架之上，中央拱架一侧，拱架上配备电动葫芦，用于检修运行小车的部件。自备检修拱架本应在核岛建造阶段，安全壳穹顶吊装前安装，由于干涉碰撞和工程进度等原因，目前某核岛内核环吊在核岛建造阶段未安装自备检修拱架，需要在核电检修窗口期进行安装。
常规的安装方式是通过在核环吊的中央拱架上安装卷扬系统对自备检修拱架进行吊装。但中央拱架位于反应堆厂房中心，下方有压力容器等重要核级设备，需要进行有效隔离，起重吊装作业安全风险大。中央拱架卷扬系统安装法，人力投入多，且工期长。另外，此项工程位于电站大修的关键路径，必须要在一周内完成拱架的现场安装和调试任务，不得占用其他维修任务的时间窗口，不得延长机组停堆时间。对于商运发电的机组，工期延长将会造成极大的商业损失。
另外，由于核岛内部为封闭受限空间，自备检修拱架与安全壳穹顶间的距离很小，且自备检修拱架自重大，安装高度高，现有成熟的移动式起重机和高空作业平台都不能满足。所以，必须要开发一种专用高效的非标顶升设备。针对国内某在役核电站核岛内核环吊自备检修拱架的更换，非标研发了一种受限空间专用顶升设备。
1 专用顶升设备的总体方案和性能参数
如图2 所示，受限空间专用顶升设备由支腿、车架、回转机构、回转平台、动力单元、臂架系统、夹具系统、液压系统与控制系统等组成。整机由电动机提供动力，采用液压传动系统，远程无线遥控操作。整机有回转、变幅、伸缩等3 个动作，夹具有摆动和加持两个工作。臂架系统和夹具系统是整机的两个核心部件。
2 臂架系统设计
臂架系统是实现大高度安装自备检修拱架的核心部件，可现实垂直顶升。其结构形式为正八边形结构的四节伸缩臂，保证臂架的各向刚度，防止在顶升过程中出图1 核环吊自备检修拱架安装布置示意图
图1 核环吊自备检修拱架安装布置示意图
现较大变形，影响自备检修拱架安装就位精度。臂架内部布置3 根伸缩液压缸，实现臂架的顺序伸缩。臂架变幅液压缸连接臂架与回转平台，采用双向液压缸作用实现臂架从-2°～ 92°的变幅，方便实现对于自备检修拱架安装过程中的调整。
臂架90°全伸姿态为最危险工况，受力简图见图3，此时臂架承受轴向垂直载荷，顶升物风载荷产生的端部侧向载荷，臂架风载荷产生的侧向均布载荷。四节伸缩臂的截面尺寸如图所示。
臂架采用BS700 高强板材， 屈服强度
图3 臂架受力简图与臂架截面简图
2.1 臂架解析计算
1）臂架轴向载荷计算
臂架轴向载荷可表示为
式中：Qmax 为最大额定顶升质量，Qmax ＝ 12 t；Gb为臂架自重，Gb ＝ 8.2 t；φ 1 为臂架自重冲击系数1.05；φ 2 为起升载荷动载系数1.06。
2）臂架侧向载荷计算
臂架侧向载荷可表示为顶升物偏摆侧向力为式中：θ 为重物的偏摆角1°；Cb 为臂架风力系数，根据文献[3] 取1.9 ；PI 为工作状态计算风压，根据文献[3] 计算得125 N/m2；Ab 为臂架垂直于风向的实体迎风面积约23.4m2；Cd 为顶升物风力系数，根据文献[3] 取1.2；Ad 为顶升物垂直于风向的实体迎风面积约14.3m2。
3）臂架危险截面强度计算
在垂直顶升工况中，臂架属于双向压弯构件，承受轴向垂直载荷和侧向载荷，由于根部承受的载荷最大，故需校核危险截面A 处的臂架强度。即
由此可知，计算应力小于许用应力，臂架危险截面的强度满足要求。
4）臂架整体稳定性计算
臂架所受应力为
式中：φ 为压杆稳定性系数，根据假想长细比及文献[3] 计算得φ ＝ 0.019。
由此可知，计算应力小于许用应力，臂架整体稳定性满足要求。
2.2 臂架有限元计算
采用Ansys 软件，对臂架垂直全伸姿态进行建模分析计算。臂架为钢板焊接的箱形结构，采用板壳单元Shell 63 建模，建模遵循以下原则：
1）各板件厚度方向位置以板厚中分面位置来确定；
2）为保证焊接工艺而设计的板边缘对计算结果影响很小，建立有限元模型时不予考虑；
3）在两相连臂节间滑块处建立耦合模拟臂节间连接。臂架有限元应力计算结果如图4 所示，最大应力发生在基本臂上的根部铰耳与转台连接处，应力值为204MPa，小于材料的许用应力。臂架有限元位移计算结果如图5 所示，臂架最大位移为112 mm，小于臂架许用变形。
图4 臂架整体应力云图
图5 臂架整体位移云图
3 夹具计算
夹具系统是该设备的核心，夹具上布置有夹紧液压缸与摆动液压缸。夹紧液压缸即可实现对自备检修拱架的夹紧，避免在顶升过程中出现自备检修拱架滑移，亦可避免人员的高空作业。摆动液压缸可实现自备检修拱架在一定角度范围内进行调整，配合臂架的变幅实现自备检修拱架的水平安装，可保证安装精度。
对夹具进行有限元分析，采用板壳单元Shell 63 建模，用杆单元Link 10 模拟液压缸。经过计算，夹具有限元应力计算结果如图6 所示，最大应力为129 MPa，小于材料的许用应力。夹具有限元位移计算结果如图7所示，最大位移为1.5 mm，刚性好。
图6 夹具整体应力云图
图7 夹具整体位移云图
4 结论
为了解决受限空间核环吊自备检修拱架的安全高效的安装需求，本文设计了一种核电站受限空间专用的顶升设备，该设备具有顶升高度高、顶升载荷大等优点，可适用于各行各业的受限空间高空安装需求。目前，该设备已经成功通过国家工程机械质量监督检验中心的检验，目前某核岛的自备检修拱架中成功应用。
参考文献
[1] 核电厂质量保证安全规定 国家核安全局令第一号，1991.
[2] JB8716 － 1998 汽车起重机和轮胎起重机安全规程[S].
[3] GB/T 3811 － 2008 起重机设计规范[S].
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