吊孔剪切強(qiáng)度計(jì)算方法探討

湛卉 甕松峰 董岱林

摘 要：核電廠各大型設(shè)備的安裝均需要利用吊具，吊具的吊孔強(qiáng)度校核尤其是剪切強(qiáng)度校核尤為重要。該文以AP1000核電廠壓力容器頂蓋吊具起吊連接器為例，通過理論計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，證明吊孔剪切強(qiáng)度經(jīng)典計(jì)算模型過于保守，需進(jìn)行修正。通過三維軟件應(yīng)力分析結(jié)果并結(jié)合材料力學(xué)相關(guān)知識，對計(jì)算模型做出了修正，為同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：吊孔 強(qiáng)度校核 計(jì)算對比 三維分析 模型修正

中圖分類號：TV312 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（b）-0045-03

1 壓力容器頂蓋吊具結(jié)構(gòu)介紹

頂蓋吊具是一體化堆頂組件（IHP）的組成部分，在反應(yīng)堆進(jìn)行換料或維修等期間，用于IHP的整體吊裝。吊具起吊連接器承載重量不僅包含一體化堆頂?shù)闹亓?，還有三角架及吊桿重量，其額定載荷最大。其結(jié)構(gòu)主要為兩個(gè)側(cè)板通過筋板聯(lián)接，側(cè)板上各有上下兩個(gè)吊孔，上吊孔通過銷軸和環(huán)吊連接，下吊孔通過銷軸和頂蓋吊具三角架連接。

2 經(jīng)典計(jì)算方法強(qiáng)度校核

2.1 確定剪切力F

西屋公司相關(guān)資料中明確說明，在設(shè)備安裝階段，起吊連接器不僅用于一體化堆頂?shù)霓D(zhuǎn)運(yùn)，還有可能用于其他大型設(shè)備的轉(zhuǎn)運(yùn)，其額定載荷應(yīng)和環(huán)吊保持一致。該額定載荷大于一體化堆頂重量，故以環(huán)吊額定載荷作為其額定載荷，取G=600 kip，即267 t。

核電廠所有吊具在出廠前均需要進(jìn)行載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷均高于額定載荷，載荷系數(shù)的選取一般為1.4[1]。為保證試驗(yàn)過程的安全，還需對試驗(yàn)載荷下危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度進(jìn)行校核。但是，西屋公司作為原設(shè)計(jì)方，其技術(shù)文件中明確提出起吊連接器的試驗(yàn)載荷為842 t。因西屋公司所規(guī)定的試驗(yàn)載荷高于常規(guī)選取的試驗(yàn)載荷，試驗(yàn)載荷下的強(qiáng)度計(jì)算以西屋公司規(guī)定的試驗(yàn)載荷為準(zhǔn)，即842 t。

由于側(cè)板為2個(gè)，因此側(cè)板的計(jì)算載荷為F=G/2。

2.2 受力面積

起吊連接器側(cè)板的外形結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示?？梢钥闯錾峡妆认驴赘尤菀妆黄茐?，因此只對上孔進(jìn)行受力分析。上孔的B-B為承受剪應(yīng)力危險(xiǎn)截面。

2.3 許用剪切應(yīng)力

頂蓋吊具在實(shí)際使用過程中如過失效將會帶來嚴(yán)重后果，根據(jù)GB/T 3811-2008，可選用一個(gè)高危系數(shù)達(dá)到增強(qiáng)起重設(shè)備的可靠性的目的，該設(shè)備的計(jì)算中取。因此在載荷組合為A類的情況下，材料強(qiáng)度安全系數(shù)。

可見，根據(jù)經(jīng)典方法計(jì)算，試驗(yàn)載荷為842t時(shí)，B-B截面的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的許用剪切應(yīng)力，即理論計(jì)算不支持頂蓋吊具進(jìn)行842 t提吊試驗(yàn)。

三門核電項(xiàng)目1號機(jī)組頂蓋吊具供貨方已經(jīng)與2013年完成了首臺頂蓋吊具的試驗(yàn)，其中起吊連接器在拉力機(jī)上進(jìn)行了842 t加載試驗(yàn)，試驗(yàn)后無損檢測一切正常，按時(shí)出廠。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，842 t試驗(yàn)是可以進(jìn)行的，起吊連接器的軸孔強(qiáng)度可以滿足試驗(yàn)載荷下的強(qiáng)度要求。但根據(jù)計(jì)算，B-B截面的強(qiáng)度不能滿足試驗(yàn)載荷下的要求。在理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)出現(xiàn)沖突時(shí)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)應(yīng)該更具有說服力。這說明國內(nèi)常用的經(jīng)典吊孔剪切強(qiáng)度計(jì)算方法過于保守，計(jì)算模型應(yīng)該做出調(diào)整。

3 利用三維模型進(jìn)行應(yīng)力分析

在材料選擇中新建材料A588并將MPa MPa等力學(xué)參數(shù)輸入，在144°耦合面施加421 t載荷。

為了方便選取144°角度加載，在軸孔結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改動，在144°的軸孔面上，其直徑稍稍增大0.1 mm，即在軸孔表面144°處存在臺階，因此應(yīng)力分析結(jié)果顯示，在軸孔兩側(cè)144°有明顯的應(yīng)力集中，忽略不計(jì)；而軸孔的B-B截面附近的應(yīng)力分析結(jié)果完全符合要求，證明軸孔B-B截面的三維模型應(yīng)力分析滿足強(qiáng)度要求。

4 西屋公司強(qiáng)度校核

5 調(diào)整計(jì)算模型

西屋公司的計(jì)算結(jié)果和三維模型分析共同證明，經(jīng)典算法的計(jì)算模型不夠合理，實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果更加確認(rèn)這一點(diǎn)，因此需對經(jīng)典計(jì)算模型進(jìn)行修正。在≤的計(jì)算模型中，由材料特性決定，無法更改。而F和A的確定，可以做出適當(dāng)修正。

將B-B截面所在的吊孔上半部分截取如圖3（a），其受力為如圖所示。進(jìn)一步將模型簡化，則可將其近似簡化成圖3（b）所示的簡支梁，受力如圖所示。

根據(jù)以上計(jì)算過程可知，相比經(jīng)典模型，該模型下B-B分為了左側(cè)和右側(cè)兩個(gè)截面來進(jìn)行受力分析，單個(gè)截面的受力F變成F/2，即≤，也可以看成是在受力不為F不變的情況下，選擇了夾角為0°的兩個(gè)截面，西屋公司的算法中選擇與軸線夾角為45°的兩個(gè)截面，兩種算法的截面位置選取雖然不同，但是都是兩個(gè)截面，說明該文所述軸孔的剪切強(qiáng)度校核受力面選取2個(gè)截面是比較合理的，而不是經(jīng)典算法的單一截面。

6 結(jié)論

該文針對AP1000核電廠頂蓋吊具起吊連接器上部吊孔危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度校核計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相沖突的現(xiàn)象進(jìn)行分析，結(jié)合三維軟件建模并進(jìn)行應(yīng)力分析，得出以下結(jié)論。

（1）經(jīng)典算法下，軸孔剪切強(qiáng)度的校核計(jì)算結(jié)果不支持AP1000頂蓋吊具的起吊連接器進(jìn)行842 t載荷試驗(yàn)，但是三門核電的頂蓋吊具已經(jīng)完成該試驗(yàn)并供貨，證明常用的吊孔剪切強(qiáng)度計(jì)算方法過于保守，不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

（2）通過查閱文獻(xiàn)并在文獻(xiàn)[2]結(jié)論的基礎(chǔ)上，分別在Solidworks和Inventor環(huán)境下建立側(cè)板三維模型并進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果證明頂蓋吊具起吊連接件軸孔的強(qiáng)度滿足要求。

（3）對吊孔計(jì)算模型進(jìn)行調(diào)整，提出了先分別計(jì)算B-B截面兩邊的鄰近截面應(yīng)力，再利用材料力學(xué)知識來得出B-B截面剪切應(yīng)力的方法，得出應(yīng)受力面積的計(jì)算應(yīng)為兩倍截面的結(jié)論，很好地修正了原計(jì)算方法過于保守的缺點(diǎn)，為同類吊孔剪切應(yīng)力計(jì)算提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 翁松峰，董正平.核電站核島主設(shè)備專用吊具載荷分析及系數(shù)取值方法研究[J].核動力工程，2015（4）：61-64.

[2] 任改運(yùn)，高翔，王俊華，等.軸與軸孔接觸計(jì)算在Ansys中的簡化[J].港口裝卸，2012（2）：11-13.