核電廠滿足單一故障準則起升機構設計特點分析

沈艷祥　周超　周洋

【摘 要】本文根據國內外核電廠起重機設計標準和規范，對滿足單一故障準則起升機構的設計特點進行了詳細介紹和分析，有利于提高我國核電廠起重設備的安全性能，對起重設備的設計有一定參考價值。

【關鍵詞】單一故障；起升機構；安全功能

0 前言

單一故障準則是指在單一故障情況下，部件（設備）、系統、核動力廠不能喪失預計安全功能。對于起升機構，其滿足單一故障準則的具體表現為：在發生斷電、SSE地震事件、零部件故障時，應保證不發生臨界載荷跌落事故，即在發生單一故障時，不要求設備繼續正常運行，但應有措施能夠將載荷轉移到安全區域，設備在修復后能夠恢復正常運行。本文結合國內外起重設備標準和規范，對滿足單一故障準則起升機構的設計特點進行了介紹，并做了詳細分析。

1 起升機構布置及分析[1-2]

1.1 帶安全制動器的單驅動起升機構

如圖1所布置的起升機構包含1個驅動電機、1個減速器、1個運行制動器、1個緊急制動器和1個安全制動器。緊急制動器作為備用，延遲運行制動器動作，延遲時間通過電氣設置。安全制動器位于卷筒上，當起升機構發生超速、傳動鏈損壞、停電或事故斷電時，安全制動器進行制動，直接抱住卷筒，防止載荷跌落。該布置方式的最大特點是在卷筒的輪緣上設置安全制動器，是國內起重設備廠家普遍采用的一種結構形式。

圖1 帶安全制動器的單驅動起升機構

1.2 雙減速器單驅動起升機構

圖2 雙減速器單驅動起升機構

如圖2所示，雙減速器起升機構。1個驅動電動機連接到2個獨立的減速器高速軸，機構設置1個運行制動器和1個緊急制動器，緊急制動器延時動作。這是典型的閉環布置形式，當一條起升傳動鏈失效時，另一條傳動鏈可以保持住載荷，保證載荷不會跌落。

1.3 雙起升機構

雙起升機構布置形式如圖3所示。將2個起升機構組合成1個冗余的起升機構。這種布置將2個獨立起升卷筒中的鋼絲繩卷繞到同一個滑輪組。每一個起升機構提供各自的載荷路徑，當一個起升機構載荷路徑部件失效時，另一個起升機構能夠保持載荷不跌落，從而實現安全功能。每個起升機構上都設置1個運行制動器和1個緊急制動器。

圖3 雙起升機構

2 鋼絲繩卷繞系統

滿足單一故障準則的鋼絲繩卷繞系統通常包含2根鋼絲繩，當1根鋼絲繩斷裂時，載荷由另一根鋼絲繩承擔，避免載荷跌落。如圖4所示，黑色和白色兩根獨立的鋼絲繩，通過載荷平衡裝置纏繞在卷筒、定滑輪組、動滑輪組上。載荷平衡器能夠將載荷均勻的分布在兩根鋼絲繩上，每根鋼絲繩的承載能力都以最大起升載荷進行設計，即便1根斷裂，另1根也有足夠的強度承擔載荷[1][3]。

圖4 鋼絲繩卷繞系統

3 斷軸保護

斷軸保護裝置安裝在卷筒的底部，當減速器軸或卷筒軸斷裂時，斷軸保護裝置能夠支撐住卷筒，不會發生更嚴重的跌落，保證卷筒不會與制動系統脫開，同時觸發保護開關，發出報警，啟動制動器動作，保持住載荷不跌落。如圖5所示，提供了一種斷軸保護裝置的布置形式。

圖5 斷軸支撐裝置

4 防“冒頂”事故

“冒頂”是指動滑輪組向上運動與定滑輪組發生碰撞，嚴重時可導致鋼絲繩被剪斷。為防止冒頂發生，NUREG-0554提供了兩種應對方法。第一種方法是在起升系統中設置力矩限制系統，用以吸收和控制發生碰撞時產生的動能，從而保護鋼絲繩不被剪斷。第二種方法是設置兩個相對獨立的不同型式的行程限位開關，當動滑輪組觸碰第一個行程開關時將停止起升運動；第二個為超行程開關在第一個行程開關失效時起作用，其設計理念是避免冒頂事故發生[4]。

美國針對第一種方法開發了一種安全保護系統，名為X-SAM系統，并取得了知識產權保護。這個系統在減速器油池內設置了扭矩限制器，使其具有更高的熱容量，當出現輪組碰撞、載荷卡阻等超載事故時，如果起升電機未能及時停轉，具有良好的熱容量可以為故障檢測及安全裝置動作提供時間，而不會導致扭矩限制器損壞。在整個的工作過程中，扭矩限制器不會與載荷脫開，它所執行的功能是即使出現超載的情況，仍然只傳遞額定載荷產生的扭矩，進而阻止起升卷筒繼續轉動而對起升機構產生破壞。簡而言之，第一種方法是依靠機械系統，第二種方法依靠電氣系統，隨著電氣設備可靠性的逐步提高，業界也對于這兩種方法的優略存在著分歧，而國內大部分采用的是第二種設計方法。

5 吊具

吊具是指安裝在動滑輪組上、與起升載荷連接的部件，例如，吊鉤、吊梁、軛等裝置。吊具的設計應保證能承受3倍于所吊運的最大載荷（靜載和動載）而不發生永久變形[4]。吊具安全性能主要體現在設計計算時采用較高的安全系數來實現。

6 其他安全措施

鋼絲繩防疊繞監測裝置，當鋼絲繩發生錯誤纏繞現象，鋼絲繩將碰撞防疊繞撥桿，撥桿觸動限位開關動作，從而停止起升或下降[5]。

負載保護系統，在起升機構上設置帶測力裝置的負載限制系統，其測力信號可在司機室監控工作站顯示，當起升載荷超過規定值時，將立刻切斷起升電機電源。

傳動鏈監測系統，通過兩個編碼器對比電機和卷筒的轉速，實現對傳動鏈的實時監控。當監測到故障時，立即觸發制動器動作。

超速保護裝置，在電機內部設置超速開關，當電動機超速工作時，開關動作切斷起升機構電機的電源。

7 結束語

單一故障準則起升機構在核電廠中廣泛應用，例如，環形吊車、乏燃料容器吊車、裝卸料機、新燃料升降機等，其根本要求是保證臨界載荷不發生跌落，實現其安全功能。

【參考文獻】

[1]ASME NOG-1-2010 Rules for Construction of Overhead and Gantry Cranes （Top Running Bridge， Multiple Girder）[S].

[2]NB/T 20234-2013核電廠專用起重機設計準則[S].

[3]賀小明，奚梅英，翁晨陽.核電廠橋、門式起重機防單一故障特性要求[J].起重運輸機械，2012（9）：88-94.

[4]SINGLE-FAILURE-PROOF RANES FOR NUCLEAR POWER[Z].

[5]李賀龍，梁文燾，周忠武，曹向陽，郭富強.起升機構單一故障保護的實現[J].裝備制造技術，2014（8）：282-284.

[責任編輯：王楠]