反應堆下部支承組件吊具設計與計算

譚文界　王炳炎　任荷　黃新東

【摘 要】下部支承組件是反應堆堆內重要構件，在反應堆初裝或者復裝時，需要采用專用工具將其從存放處吊入反應堆內進行安裝。本文針對反應堆內的特殊環境和下部支承組件的具體工況設計了一套專用吊具，并對該吊具的重要承力部件進行了力學分析與校核，該吊具已成功研制并在核電站中投入使用，結果表明其設計合理、性能可靠、使用方便。

【關鍵詞】下部支承；吊具；設計

0 引言

下部支承組件吊具是用于對下部支承組件進行吊運操作的專用設備。在反應堆初裝堆或復裝堆內構件時將下部支承組件從存放處吊入反應堆內進行安裝；檢修或退役時同樣使用該吊具將下部支承組件吊運出反應堆存放于指定的存放地點。M310堆型的二次下部支承組件吊具的使用工況分為：反應堆初裝堆使用、反應堆檢修及退役時使用兩種工況。反應堆初裝堆時，首先使用吊環、卸扣及吊索將下部支承組件引入堆廳，再使用下部支承組件吊具將其裝入反應堆壓力容器中；反應堆檢修時，則使用吊具將下部支承組件吊出反應堆，吊放至水下專用存放架上，待檢修完成后，再將下部支承組件吊入反應堆；反應堆退役時，則直接使用下部支承組件吊具將下部支承組件吊出反應堆，放至水下專用存放架上進行退役處理。本為針對M310堆型的下部支承組件進行設計。

1 設計原則

（1）下部支承組件吊具的結構應安全可靠，不得對反應堆堆內環境造成污染；

（2）下部支承組件吊具的設計應貫徹結構簡單、操作方便、維修可達性高的原則；

（3）重要零部件應進行計算與校核；

（4）采用貫徹標準化設計原則。

2 設計輸入

（1）下部支承組件法蘭外徑 Ф1700mm；

（2）下部支承筒體外徑 Ф1600mm；

（3）下部支承法蘭厚度 60mm；

（4）下部支承組件法蘭定位孔位置 67°、187°、307°；

（5）下部支承組件最大重量 3.5t。

3 方案設計

3.1 結構方案

由于支承組件法蘭定位孔均勻地分布在67°、187°、307°的圓周上，與之相對應的吊鉤組件也應該均勻布置在圓周方向上；由于支承組件三個導向鍵也均勻布置在圓周上，所以支承組件吊具上導向組件應與之匹配均布在圓周上?；谏鲜鰲l件確定吊具的基本結構形式為截面為圓環的立式結構。

3.2 材料選擇

考慮到反應堆的特殊性，下部支承組件吊具整體采用不銹鋼，主體材料為06Cr19Ni10，承力材料05Cr17Ni4Cu4Nb，緊固件材料主要采用12Cr13。

4 結構設計

下部支承組件吊具主要由框架組件、吊裝組件、導向組件、定位銷組件、吊鉤組件等部分組成。

（1）框架組件

框架組件由上層支架、立柱、中心支撐架、上層連接環、中層連接環、下層連接環共同連接成一個圓柱狀框架結構，作為吊具的承力主體。

（2）吊裝組件

吊裝組件由加長吊桿、吊環、吊環連接塊、U形連接件、上鎖緊環、下鎖緊環、吊桿等組成。吊桿上下兩端分別為M48×4的左旋、右旋螺紋，通過旋轉吊桿可以調節連接長度，從而對吊具的水平度進行調整。加長吊桿下端通過加長桿連接銷與吊環連接，上端則與電子秤連接。

（3）導向組件

導向組件由多組傾角和前后位置可微量調整的導向鍵槽組成，安裝在框架組件的上層連接環和中層連接環上。

（4）定位銷

定位銷安裝在吊具下層連接環上，定位銷共3組，分別分布于圓周上67°、187°、307°的三個方向。當吊具下降至下部支承組件法蘭面上時，定位銷插入支承法蘭面上的預留孔內定位，確保整個吊具在下部支承組件法蘭上準確的就位。

（5）吊鉤組件

三組吊鉤組件分別安裝在3個立柱的下端，吊鉤后端安裝有帶滑動長條孔的推動機構，由氣缸驅動該推動機構，推動鉤爪伸出或收回，實現對下部支承組件法蘭底面的鉤取和釋放操作。鎖緊機構安裝在吊鉤組件側面，由一個鎖緊氣缸和行程開關組成，當吊鉤處于抓取位置時，氣缸帶動鎖緊銷穿過立柱的側壁插入鉤爪上的定位孔，將其鎖死，防止出現意外脫鉤。

5 計算與校核

對吊具整體進行分析，確定關鍵零部件后分別對其進行計算校核范圍包括：吊環、吊環連接塊、吊桿、U形連接件、U形連接件銷子、吊鉤。

（1）吊環

吊環材料為05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本許用應力[σ]為：

吊環承受吊具和支承重力的作用，與加長吊桿連接銷連接處最大拉力F為46412.8N，吊環下端通過M90×4的螺紋與吊環連接塊進行連接，經分析，其應力圖1所示。

經計算分析，吊環最大應力為73.6MPa，安全系數：

因此，滿足安全要求。

（2）吊環連接塊

吊環連接塊材料為05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本許用應力[σ]為：

吊環連接塊承受吊具和支承重力的作用，與U型連接件連接處最大拉力F為15470.9N，共3處均布。吊環連接塊上端通過M90×4的螺紋與吊環連接，經分析，其應力如圖2所示。

圖2 吊環連接塊應力圖

經計算分析，吊環最大應力為16.5MPa，安全系數：

因此，滿足安全要求。

（3）吊桿

吊桿材料為05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本許用應力[σ]為：

吊桿受兩端螺紋拉力作用，3個吊桿每個受力為F/3，F為吊具和支承總重量46412.8N，其最大應力為：

其中A為吊桿截面積。

經計算吊桿最大應力8.55MPa，安全系數：

因此，滿足安全要求。

（4）U形連接件

U形連接件材料為05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本許用應力[σ]為：

U形連接件通過M48×4螺紋與吊桿連接，通過U形連接件連接銷與框架組件連接，受力為F/3，F為吊具和支承總重量46412.8N。其應力圖如圖3所示。

經計算，U形連接件最大應力為18.6MPa，安全系數：

因此，滿足安全要求。

（5）U形連接件銷子

U形連接件銷子受到的力為F/3，F為吊具和下部支承組件的重力46412.8N。受力如圖4所示。

U形連接件銷子材料為05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本許用應力[σ]為：

其中A為U形連接件銷子截面積，l為最大擠壓面長度。

根據計算，U形連接件銷子剪切應力為4.65MPa，安全系數：

最大擠壓應力為7.16MPa，安全系數：

因此，滿足安全要求。

（6）吊鉤

（上接第11頁）吊鉤材料為05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本許用應力[σ]為：

吊鉤同樣承受下部支承組件的重力F，3個吊鉤均布，理論上每組吊鉤受力為F/3，下部支承組件重量3045kg，F為29841N。經分析，吊鉤應力如圖5所示。

根據計算，吊鉤最大應力為119.69MPa，安全系數：

因此，滿足安全要求。

6 結論

本文針對核電站M310反應堆堆型的特殊性，充分考慮下部支承組件的使用工況，設計了一套下部支承組件的吊裝工具，并對該下部支承組件吊具的各主要承力部件進行了詳細的受力分析與校核，結果證明該套吊具滿足功能要求和環境要求；該套工具已成功在核電站檢修過程中投入使用并取得良好效果。

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[責任編輯：楊玉潔]