AP1000環吊防單一故障設計特征淺析

南小飛

（山東核電有限公司 山東煙臺）

一、概述

AP1000環吊運行在安全殼廠房的環形軌道上，是一個雙橋架、電機驅動的吊車，主起升和副起升安裝在能夠沿著橋架上平行軌道運行的小車上，橋架包括兩根支持小車軌道的主梁和裝有驅動輪的端梁，能夠360°旋轉。主起升和副起升電動機通過減速器連接到鋼絲繩卷筒上。鋼絲繩穿過上、下部滑輪組，下部滑輪組安裝有吊鉤以加載負荷。環吊可以通過司機室或無線控制單元進行控制。橋架額定承載727 t，能夠承載使用專用提升設備更換蒸汽發生器過程中產生的負荷。

二、主要技術參數

AP1000環吊重464.932 t，跨距37.795 m，主起升設計額定負荷272 t，最大關鍵載荷215.5 t，起升高度41.758 m。副起升設計額定負荷及最大關鍵載荷22.7 t，起升高度43.282 m。

三、防單一故障設計特征

環吊用于在反應堆上方吊運一體化頂蓋、堆內構件等設備。若所吊運的載荷能夠直接或間接地引起放射性的釋放，這樣的載荷稱之為關鍵載荷。為了確保吊運關鍵載荷的安全性，環吊設計須滿足防單一故障準則。即：單一故障不會影響環吊安全保持載荷的能力。環吊僅主副起升系統，大、小車剎車系統滿足防單一故障設計準則。其他承重部件，如橋架按照保守設計，不必考慮防單一故障設計。

2005年，美國核工業報告總結2000-2004年期間的核電廠載荷跌落事故，發現大多數不是由于提升機構失效，而是由動定滑輪碰磨、載荷阻礙引起的嚴重過載造成的，另外，鋼絲繩錯繞引起的鋼絲繩失效也是引起載荷跌落的一個重要原因。上述信息說明，設計一種能夠主動承受而不是被動防止此類事故發生的吊車，是從根本上解決由于動定滑輪碰磨和載荷阻礙等原因引起載荷跌落事故的最終途徑。

核電站環吊載荷跌落造成的后果非常嚴重，為防止載荷跌落，AP1000環吊采用了超安全和監測系統（X-SAM）設計。

1.X-SAM故障監測系統

X-SAM故障監測系統能夠確保環吊起升機構在突破諸如起升上限位、起升下限位等傳統的限位保護或發生鋼絲繩錯繞、斷繩、起升超速等故障后能夠安全停車，上述錯誤信號出現后，除非使用鑰匙重置這些保護，否則，即使重新上電，起升系統也不會動作。

當故障監測系統探測到起升機構出現有可能導致載荷跌落事故的鋼絲繩錯繞、斷繩、超速、達到冗余上、下極限位置信號時，環吊控制系統會自動切斷電機電源，啟動電機側正常剎車。

（1）鋼絲繩纏繞監測。鋼絲繩錯繞會導致載荷不按預定的路徑行走，導致鋼絲繩受力不均，嚴重的甚至導致載荷跌落。如圖1所示為AP1000環吊鋼絲繩纏繞監測系統，一旦出現鋼絲繩錯繞，卷筒鋼槽內疊錯的鋼絲繩便會撬動與卷筒外沿密切貼合的鋼管，隨后觸發限位開關，產生鋼絲繩錯繞信號。

（2）起升超速監測。電機或卷筒超速意味著控制系統故障或機械傳動鏈故障。為此，在電機和卷筒軸端分別裝有超速開關用以監測超速信號，如圖1所示。

（3）斷繩監測。為防止單股鋼絲繩斷裂導致載荷跌落，AP1000環吊采用了雙股鋼絲繩纏繞。每股鋼絲繩可獨立地承擔所有負荷。在液壓平衡缸兩端各裝有一個斷繩監測限位，任何一股鋼絲繩斷裂都可以造成液壓平衡缸活塞移位，進而導致斷繩監測限位動作，如圖2所示。

（4）起升冗余上限位監測。吊鉤在達到上極限位置之前的兩個標高上設置了兩道電限位保護，第一道保護為蝸輪蝸桿限位，第二道保護為冗余的重錘限位，能夠直接切斷起升電機電源，阻止吊鉤進一步上升，如圖3所示。

圖1 鋼絲繩纏繞監測系統布置圖

圖2 斷繩監測系統布置圖

（5）起升冗余下限位監測。吊鉤在達到下極限位置之前的兩個標高上設置了兩道電限位保護，第一道保護為安裝在起升減速器上的蝸輪蝸桿限位，第二道保護為安裝在卷筒上的冗余蝸輪蝸桿限位，如圖4所示。

2.能量吸收扭矩限制器

為防止動定滑輪碰磨，AP1000環吊吊鉤在接近上極限位置之前的兩個標高設置了兩道電限位保護，如果吊鉤觸發了這兩道電限位后起升電機依然不能安全地停下來，動定滑輪碰磨便會不可避免地發生。AP1000環吊能量吸收扭矩限制器能夠保證發生動定滑輪碰磨時安全地保持載荷，同時使鋼絲繩等部件不致因為過載承受過大的應力而損壞。由于扭矩限制器內部的滑動，使起升電機的輸出有了一個出口，不會產生電機堵轉燒毀的事故。

動定滑輪碰磨時，位于減速箱內能量吸收扭矩限制器直接將起升機構的高速動能轉化為熱能，同時起到能量吸收器及扭矩限制器的作用，在不發生過載事故工況下，扭矩限制器承擔標準齒輪的角色，將電動機的扭矩放大并傳送至卷筒。其布置如圖4所示。

圖3 起升冗余上限位監測

3.卷筒帶式應急剎車

圖4 能量吸收扭矩限制器

AP1000起升機構擁有兩套相互獨立的剎車系統，分別為位于電機輸出軸側的正常剎車和位于起升卷筒一側的應急帶式應急剎車。應急帶式剎車作為正常剎車的冗余，能夠使起升系統安全可靠地停車并能夠保持住載荷，一旦電機高速軸和卷筒之間的機械傳動鏈不連續，便會自動觸發應急剎車。其觸發裝置為一個能測量傳動鏈速比的純機械裝置，出現異常速比后，應急剎車驅動氣缸內處于壓縮狀態的彈簧便會動作，帶式剎車緊緊抱住卷筒，起到剎車作用。采用壓縮空氣將驅動裝置內彈開的彈簧重新進行壓縮，帶式剎車便得到釋放。緊急狀態下，可以通過控制進入驅動裝置的空氣量來控制帶式剎車的開度，將載荷緩慢降至安全位置。布置見圖5所示。

4.機械傳動鏈連續性監測

圖5 卷筒帶式應急剎車

正常運行工況下，由于起升機構機械傳動鏈的連續性，電機與卷筒之間保持一個恒定的速比。因此，一旦出現異常的速比，即表示出現了諸如卷筒斷軸，正常剎車失靈，減速器斷齒等破壞機械傳動鏈連續性的故障。而這些故障都會導致載荷跌落。機械傳動鏈連續性監測裝置就是通過持續監測起升機構卷筒與驅動電機之間的速比來監測傳動鏈的連續性。異常速比會啟動環吊卷筒帶式應急剎車，保證在載荷跌落之初能及時阻止載荷進一步跌落，確保了設備及載荷的安全。布置見圖6所示。

為確保環吊停車斷電后依然能夠監測機械傳動鏈連續性，控制系統切斷機械傳動鏈監測系統的離合剎車電源，使軟軸與電機斷開，保證斷電后機械傳動鏈不連續時能夠啟動卷筒應急剎車，阻止載荷跌落。

圖6 機械傳動鏈連續性監測

四、結論

采用X-SAM系統的AP1000環吊能夠主動承受而不是被動防止由于動定滑輪碰磨和載荷阻礙導致的載荷跌落事故，其應急帶式剎車的觸發僅僅依靠純機械的傳動比測量系統，完全獨立于傳統的電保護，應急帶式剎車能夠在環吊失電且正常剎車失效，卷筒斷軸等極端嚴重事故下依然能夠抱住卷筒而不發生載荷跌落事故，保證了核安全。