一種高壓加熱器人孔拆裝專用工具的改進

田冰冰

（江蘇核電有限公司維修二處，江蘇連云港 222042）

0 引言

高壓加熱器是表面式給水加熱器，其特點是加熱工質（汽輪機的抽汽）與被加熱工質（給水）相互不混合，通過換熱管管壁來傳遞熱量。管外放熱源蒸汽和疏水，管內吸熱源是給水，蒸汽放出熱量并逐漸凝結成疏水，由疏水口排出。田灣核電站3#、4#機組高壓加熱器的型號為JG-2100，共有8 臺高壓加熱器，屬于U形管表面式換熱器，每臺高壓加熱器裝有1 個人孔，人孔采用自密封結構，人孔蓋板為橢圓形（必須短邊進入人孔）。由于高加人孔法蘭密封面在水室內側，且人孔蓋板無固定機構，每次解密封時需要將人孔蓋板從人孔中取出，密封時還要將人孔蓋板回裝進人孔內部，在拆卸及回裝人孔橢圓蓋板時需要用到專用工具。根據維修大綱要求，每次大修都要完成至少1 臺高壓加熱器的解體大修。現有專用工具采用高吊點，蠻力旋轉的方式拆卸高壓加熱器人孔。具有操作費時費力、空間需求較大、密封不可靠等缺點。

針對上述情況，結合現場實際，設計出了由高精度滑軌及可升降翻轉頭組成的人孔拆裝專用工具，通過工具強度校核，根據專用工具的結構和尺寸，使用實物驗證的方式，確保了專用工具的強度要求。使用該專用工具，有效提高高加人孔密封的維修可靠性，提高勞動效率，縮短維修時間。

1 改進前拆裝方式

1.1 安裝

由于人孔蓋為橢圓形，必須短邊進入人孔：①用吊具將人孔拆卸裝置起吊至人孔蓋近處，放平人孔蓋，換上新襯墊（每打開一次人孔蓋均必須換上新墊圈），將專用工具小心地連接好帶密封墊片的人孔蓋并放置妥當，操作“裝置”將人孔蓋推入水室；②將人孔蓋板放置垂直，利用扳手帶動人孔蓋順時針旋轉90°，使蓋板到達水平方向，并留出空隙；③小心外拉工具，使蓋板密封面（帶密封墊片），與本體密封面結合，安裝到位，擰緊一邊的預緊螺母、壓板、螺栓；④松開人孔蓋與“專用工具”之間的連接螺栓，回裝另一邊的螺母、壓板、螺栓并擰緊。人孔法蘭的拆卸步驟與密封步驟相反。

1.2 缺點

根據調試期間使用舊專用工具拆卸及安裝高加人孔經驗，使用舊專用工具主要存在以下缺點：

（1）工具沉重。高加人孔蓋板重量137 kg，現有拆裝工具約82 kg，使用現有專用工具需要4～5 人才能進行人孔蓋板的拆裝，費時費力。專用工具安裝過程中，沉重的專用工具需人力搬運至高加檢修平臺上，并使用手拉葫蘆連接在吊點上，由于現場工作環境復雜，架設專用工具的過程極其浪費時間。

（2）吊點搭設困難。現有專用工具體積設計較大，使用此工具需要很高的吊點，但是現場空間有限，無法搭設高處吊點。并且現場設計時未考慮吊點問題，調試拆卸及安裝人孔蓋板時是將專用工具綁在高加給水出水管管道上進行吊裝，不符合設備管理安全要求。

（3）安裝及拆卸過程中易磕碰人孔密封面及墊片。由于高加人孔縱深比較深，專用工具在使用過程中處于懸空狀態，在使用現有專用工具拆卸及回裝橢圓人孔蓋板時會出現對中困難，存在很難確認對中狀態、回裝人孔蓋板不穩等現象，且使用現有專用工具極易磕碰人孔密封面，嚴重影響了設備密封的可靠性，調試期間就出現過一次高加人孔密封失效缺陷。

2 人孔拆裝專用工具結構改進

2.1 制定設計方案

新型高壓加熱器人孔拆裝專用工具設計時主要考慮以下功能：①可以實現半自動化拆裝，提高效率；②實現人孔蓋板拆和回裝兩個工序；③取消吊點；④考慮人孔蓋板對中及回裝人孔蓋板穩定性，提高密封可靠性；⑤考慮工具的制造材料選用較輕型材料。

根據工具要實現的功能，經過設想[1]，最終確定新型專用工具擬采用如下設計：①新型專用工具大部分擬采用航空鋁材制造；②采用高精度滑軌，利用高加人孔結構，輕松自如地可以把人孔蓋板推入或取出，以便實現人孔蓋板拆卸及回裝兩道工序；③在高精度滑軌上的工具可以隨意升降，以方便人孔法蘭對中，達到實現密封可靠性的目的；④新型人孔專用拆裝工具頂端設計旋轉平臺，方便人孔蓋板進出及在高加水室內部翻轉。

2.2 確定設計圖紙

此新型專用工具包括可調節支撐、高精度導軌和翻轉頭3個部分，其設計靈感來源于抗日戰爭時期的92 式重機槍（圖1）。為了實現無吊點即可完成人孔的拆裝，新型工具必須有個穩定的支撐，就如重機槍的支撐一樣。初始設計時專用工具支撐選擇與重機槍支撐相似，采用支架式設計；在后續的設計中為了使用高精度導軌，實現工具進入與滑出功能及降低支撐重量，就將支撐簡化為可調節高度的橫梁式支撐，選擇這種支撐也是為了更好地適應檢修平臺。

圖1 新型工具結構

為了實現快速地將人孔蓋板推入及拉出高加內部功能，并且考慮高加人孔縱深比較深的特點，設計出了現有形式的高精度滑軌。在導軌上行走的是與高加人孔蓋板連接的翻轉頭，此設計形式也是參照92 式重機槍槍身的設計，與槍身不同的是，此翻轉頭帶有可在高精度滑軌上行走的鋼輪。為實現隨意升降，以方便人孔法蘭對中，達到實現密封可靠性的目的，此翻轉頭翻轉結構設計有可調節高度裝置。在高加內部的人孔蓋板翻轉動作完成后，通過后部手輪將人孔蓋密封面貼合，擰緊人孔螺母，完成密封。

2.3 航空鋁材部件的選擇及危險受力點強度校核

考慮到減輕工具的重量，此工具大部分結構材料初步選用2A12 牌號航空鋁材，其抗拉強度σb=390 MPa，屈服極限σS=255 MPa，抗彎安全系數n1=2；許用拉應力[σ]=σS/n1=255÷2=127.5 MPa，許用剪應力[τ]=0.6×σ=76.5 MPa，剪應力為0.6～0.8的拉應力。根據設計圖紙對選用航空鋁材的部件進行危險受力點計算（圖2）[2]。

圖2 受力點分析

2.3.1 截面尺寸

高加人孔蓋重量140 kg，產生的最大力約為1400 N。

式中 [σ]——許用拉應力

F——最大受力情況

A——單純拉伸或壓縮的最小截面積

根據計算結果設計時各采用航空鋁材的部件截面積均需大于A 值。

2.3.2 危險受力點計算

（1）受力點1。該受力點截面為鋁管，主要受剪切應力，設計時尺寸選用外徑54 mm、內徑35 mm 的航空鋁材管。

抗彎截面系數：

式中 D——外徑

d——內徑

W——抗彎截面系數剪應力：

式中 F——受力，取最大為1400 N

L——力到該受力點截面的距離，取924-624+125=425 mm

W——抗彎截面系數

故[τ1]=1400×425÷12 724.32=46.76 MPa≤許用剪應力[τ]=76.5 MPa，此截面強度滿足要求。

（2）受力點2。該受力點截面為矩形，由于截面在垂直和水平時兩種狀態均受力，因此對兩種狀態均要進行計算。此結構需跟人孔蓋板連接，考慮到人孔蓋板結構，故形狀考慮為兩片叉形形式，每片叉形結構截面厚度為16 mm、高度為62 mm 的航空鋁材。

抗彎截面系數：

式中 H——與力矩平行方向的尺寸

B——力矩平行方向的尺寸

W——抗彎截面系數

垂直狀態時，取B=16 mm，H=62 mm，由式（4）求得W=10 250.67 mm3；水平狀態時，取B=62 mm，H=16 mm，由式（4）求得W=2645.33 mm3。

剪應力：

式中 F——受力，該力由兩片叉型鋁板承擔，取1400÷2=700 N

L——力到該受力點截面的距離，取160+125=285 mm

W——抗彎截面系數

垂直狀態時，由式（5）求得τ1=19.46 MPa≤許用剪應力[τ]=76.5 MPa；水平狀態時，由式（5）求得τ1=75.41 MPa≤許用剪應力[τ]=76.5 MPa。

從以上數據可以看出，此截面強度滿足要求。

（3）受力點3。由于帶輪子的翻轉頭是在高精度導軌上滑動，輪子對高精導軌上沿最大力為軌道結合件的2 個后輪對兩側移動導軌產生的一個向上的作用力F[3]。

式中 L——力F 到支點的距離，取450 mm

G——人孔蓋板重力，取1400 N

L1——G 到支點的距離，取350+125=475 mm

算出F=1400×475÷450=1477.78 N

由于滑輪為2 個輪子，每個輪子對高精度滑軌進行計算。抗彎截面系數：

式中 B——高精度滑軌截面外寬度，取40 mm

H——高精度滑軌截面外高度，取68 mm

b——高精度滑軌截面內寬度，取20 mm

h——高精度滑軌截面內高度，取43 mm

W——抗彎截面系數

剪應力：

式中 F1——受力，取1477.78÷2=738.89 N

L——力到該受力點截面的距離，取最大約為720 mm

W——抗彎截面系數

故[τ1]=738.89×720÷26 929.26=19.76 MPa≤許用剪應力[τ]=76.5 MPa，此截面強度滿足要求。

（4）受力點4。該點是支架組合件下部的2 根方管梁，按簡支梁對單根方管進行簡化計算，簡支梁的受力按集中載荷作用于梁的中部會產生最大的應力。

抗彎截面系數：

式中 B——高精度滑軌截面外寬度，取40 mm

H——高精度滑軌截面外高度，取60 mm

b——高精度滑軌截面內寬度，取30 mm

h——高精度滑軌截面內高度，取50 mm

W——抗彎截面系數

剪應力：

式中 F——受力，取1600 N（1400 N+行車小車結合件自重20 kg）

L——力到該受力點截面的距離，取1145÷2=572.5 mm

W——抗彎截面系數

故[τ1]=1600×143.125÷13 583.33=16.85 MPa≤許用剪應力[τ]=76.5 MPa，此截面強度滿足要求。

2.4 合金鋼螺紋部件的尺寸選擇

考慮到鋁材相比于合金鋼質軟且焊接性能較差，使用鋁材制作的部件如果帶螺紋強度不夠，所以個別帶螺紋部件部位采用合金鋼材料。選用的合金鋼材料為35CrMo，其抗拉強度σb=590 MPa，屈服極限σS=390 MPa，抗彎安全系數n1=2；許用拉應力[σ]=σS/n1=390÷2=195 MPa，許用剪應力[τ]=0.6×σ=117 MPa，剪應力為0.6～0.8 的拉應力。根據設計圖紙對選用35CrMo 合金鋼的部件進行危險受力點計算。

2.4.1 截面尺寸

高加人孔蓋重量140 kg，產生的最大力約為1400 N。

式中 σ——許用拉應力

F——最大受力情況

A——單純拉伸或壓縮的最小截面積

根據計算結果設計時，各采用合金鋼的部件截面積均需大于A 值。

2.4.2 危險受力點計算

（1）受力點5。該受力點為螺紋結構形式，承受的是拉力，拉桿螺母及拉桿材料為35CrMo 合金鋼，設計時選取制造的螺紋尺寸為M20×2.5。拉桿螺母所受的最大力為人孔蓋板處于垂直狀態時，受力計算如下：

式中 L——拉桿到支點的距離，取17.5+70=87.5 mm

G——人孔蓋的重力，取1400 N

L人孔蓋——人孔蓋到支點的距離，取125 mm

根據耐磨性條件確定螺母中徑d2；

式中 d2——螺桿螺紋中徑

F——拉桿螺母承受的軸向力，取F 拉桿=2828.85 N

[ρ]——許用比壓，取7.5 MPa（螺桿及螺母材料皆為35CrMo 鋼，查詢機械設計手冊，滑動速度為低速）

φ——因數，取1.2（查詢機械設計手冊，整體式螺母）

經查詢螺紋國家標準，參考中徑尺寸及保證充足的裕量，選擇M20×2.5 的螺桿。

（2）受力點6。該處為升降連接件，選用螺紋連接形式，該點所承受的是壓力F，升降連接件的材料為35CrMo 合金鋼。根據耐磨性條件確定螺母中徑d2：

式中 d2——螺桿螺紋中徑

F——此螺桿受力，取2688 N（1400 N×350÷450+1400 N+行車小車結合件自重200 N）

[ρ]——許用比壓，取7.5 MPa（螺桿及螺母材料皆為35CrMo 鋼，查詢機械設計手冊，滑動速度為低速）

φ——因數，取1.2（查詢機械設計手冊，整體式螺母）

經查詢螺紋國家標準，參考中徑尺寸及保證充足的裕量，選擇M20×2.5 的螺桿。為了保證美觀性，與受力點6 相同的部件也同樣選取M20×2.5 的螺桿。

2.5 模擬試驗

工具加工成型后，對工具進行了模擬功能試驗，選取與頂蓋結構形式相同的功能件進行人孔拆裝的試驗，實驗過程順利，改進后的專用工具完全可以實現人孔拆裝的功能，并節省了大量的工作時間，提高了密封效率。

3 改進后支撐桿現場實施及應用情況

3.1 現場實施

安裝：①搭設高壓加熱器腳手架工作平臺，首先安裝專用工具底座，將底座和工作平臺用螺栓進行連接固定，將導軌用螺栓和底座進行安裝固定，最后將翻轉頭安裝在導軌上，通過翻轉頭下部的2 個螺母，可以對翻轉頭的高度進行上下調節；②將人孔蓋用特制小推車，通過工作平臺運送到高加人孔蓋拆裝專用工具的下部，通過調節翻轉頭的高度，將高加人孔蓋和翻轉頭進行連接固定，高加人孔蓋和翻轉頭連接好后，將小推車搬離；③平行移動翻轉頭，將高加人孔蓋推入臥式高壓加熱器內，推至人孔蓋可翻轉位置，調節翻轉頭上部的調節螺母，將人孔蓋翻轉至豎直位置，調節翻轉頭的2 個高度調節螺母，將人孔蓋降低，使人孔蓋的中心和臥式高壓加熱器的中心相同；④通過翻轉頭尾部的旋轉把手，將人孔蓋旋轉90°至水平位置，水平移動翻轉頭，將人孔蓋移動到回裝位置，人孔蓋的螺栓安裝到位，與臥式高壓加熱器進行固定，再拆除翻轉頭和人孔蓋的連接螺栓，將人孔蓋的螺栓全部安裝到位。

拆除：首先進行安裝工序①，其后按照安裝工序④～②反向實施即可。

3.2 應用情況

對高壓加熱器人孔密封工具優化設計后，有效縮短了高加解體大修工期，并且該工具大大節省了維修空間，提高維修效率，提高了設備密封可靠性（表1）。

表1 工具優化前后對比分析

4 結束語

臥式自密封高壓加熱器人孔拆裝工具的改進，成功解決了高加人孔拆裝與密封操作費時費力、空間需求較大、密封不可靠的缺點，該設計方案為國內外核電站自密封高壓加熱器人孔的密封與解密封專用工具的設計提供了參考，對于其他自密封設備拆裝人孔專用工具的制作具有重要借鑒意義。