液壓抽芯工具在STR001TX中應(yīng)用的可行性

李強

【摘 要】核電廠換熱器常規(guī)的吊裝抽芯活動易造成設(shè)備的管束損傷，且芯體較重對承重件的要求極為苛刻。為實現(xiàn)非吊裝方式進行抽芯活動，減少設(shè)備的損傷并提高安全性，現(xiàn)準(zhǔn)備開發(fā)新工具。正式使用新型工具之前需對其的可靠性和適用性進行論證，論證可行則正式在核電大修期間使用該項工具。因此，論文就液壓抽芯工具在STR001TX中應(yīng)用的可行性進行了探究。

【Abstract】Conventional hoisting and core-pulling activities of heat exchangers in nuclear power plants are likely to cause damage to the tube bundle of the equipment， and the heavier cores are extremely demanding on the load-bearing parts. In order to achieve non- hoisting methods for core-pulling activities， reduce equipment damage and improve safety， it is now ready to develop new tools. Before the formal use of a new type of tool， its reliability and applicability should be demonstrated. If it is feasible， it will be officially used during the nuclear power overhaul. Therefore， the paper explores the feasibility of the application of hydraulic core-pulling tool in STR001TX.

【關(guān)鍵詞】框架;導(dǎo)軌;液壓;強度;標(biāo)準(zhǔn)

【Keywords】frame; guide rail; hydraulic pressure; strength; standard

【中圖分類號】TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）09-0175-03

1 引言

陽江1～6#核電機組蒸汽轉(zhuǎn)換器STR001TX需要定期3C抽芯進行內(nèi)部檢查。如何在保障設(shè)備和人員的安全狀態(tài)下使用新型工具完成本次的抽芯活動，滿足對維修大綱活動以及在役檢查的相關(guān)要求，是當(dāng)前首要解決的問題。現(xiàn)階段預(yù)研發(fā)一套液壓抽芯工具，本文將從工具描述、組成、理論計算以及試驗要求等四個方面對該工具的可用性進行解析和說明。

2 工具描述

如圖1所示，該工具為框架結(jié)構(gòu)，框架以及設(shè)備基座頂部安裝軌道。通過軌道上的液壓小車將STR芯體抽出至工具框架上方或推回至設(shè)備殼體。

3 組成說明

3.1 支撐框架

支撐框架為運輸導(dǎo)軌提供合適位置的支撐，并承擔(dān)整個抽芯過程中在水平方向以及垂直方向出現(xiàn)的承載。承載的有效性直接關(guān)系到抽芯活動的安全和質(zhì)量。支撐框架主要為鋁合金（6063-T5）型材8-8080/120120，在減輕工具本身重量的同時，有效提高工具的強度。框架結(jié)構(gòu)主要以門架形式組成，共計6組門架，主要包含橫梁組件、連桿組件、立柱組件以及鋼繩索組件等。門架的以STR換熱器為中心，在地面上安裝邊側(cè)立柱組件、中間立柱組件、橫梁組件和連桿組件。通過304L連接角鋼使用M8的A2-70螺栓連接各部件，并使用固定在地錨板上的鋼繩索組件拉緊來提升框架的水平承載能力。門架安裝需保障與STR換熱器基臺處于同一高度并且垂直度不大于0.5mm/m。橫梁組件頂面水平度可用底部立柱來調(diào)節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)為水平度誤差小于0.5mm/m。門架間距可以根據(jù)現(xiàn)場情況作適當(dāng)調(diào)整，保障最大間距不得超過1.6m。

3.2 運輸軌道

導(dǎo)軌由ABCD四段組成，安裝在基座頂部的為A導(dǎo)軌，其余在框架頂部。滑車組件升降機置于A導(dǎo)軌段。導(dǎo)軌A為鋁合金（6063-T5）型材8-8080，導(dǎo)軌BCD為鋁合金（6063-T5）型材120120。通過304L連接角鋼使用M8的A2-70螺栓固定在框架上。安裝時需根據(jù)中心線，對稱安裝導(dǎo)軌組件A、導(dǎo)軌組件B、導(dǎo)軌組件C、導(dǎo)軌組件D。保證導(dǎo)軌組件A中心距360mm±2mm，導(dǎo)軌組件B、導(dǎo)軌組件C、導(dǎo)軌組件D中心距500mm±2mm。導(dǎo)軌安裝好后可通過全行程滑行液壓小車，復(fù)查油缸中心與STR換熱器中心是否重合。

3.3 液壓動力系統(tǒng)

液壓動力系統(tǒng)為該設(shè)備的主要動力來源，主要包含管板夾具組件、液壓工作站組件、油缸支座組件、動力電源等。在工具完全組裝好后，液壓動力系統(tǒng)通過管板夾具組件與設(shè)備芯體相連。通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥觀察液壓系統(tǒng)壓力，以便控制系統(tǒng)的輸出力（油缸縮回拉力Ton.f=系統(tǒng)壓力MPa×0.3436，油缸伸出推力Ton.f=系統(tǒng)壓力MPa×0.5026）來實現(xiàn)芯體的抽出或裝復(fù)。如果管束組件不能被拉動，應(yīng)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，逐漸提高系統(tǒng)壓力，并實時監(jiān)測系統(tǒng)壓力。液壓系統(tǒng)最高運行壓力為22MPa，在管束拉出或推回過程中，液壓系統(tǒng)壓力過高、出現(xiàn)突變、設(shè)備出現(xiàn)異音，應(yīng)檢查確定管束組件或抽芯工具是否卡阻。

以上三部分為工具的重要構(gòu)成，因此，在材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及安裝要求上均制定了明確的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)，按要求安裝及操作能保證芯體拉出時不會對管束造成任何損傷。

4 理論計算

根據(jù)STR換熱器抽芯工具工作使用條件：管束組件自重為8Ton.f，最大水平拉力為8Ton.f。在管束組件拔出過程中，抽芯工具須逐漸承受管束組件重力直至8Ton.f，管束的回裝過程與之相反。整個工作過程中，安裝架不僅滿足靜力承載強度要求，由于該安裝架為桁架結(jié)構(gòu)，還需要進行穩(wěn)定性分析。為此，對抽芯工具進行有限元仿真分析，以驗證設(shè)計能否滿足使用要求。

抽芯工具框架主材料為鋁合金6063，其它非鋁合金材料為Q235-B，螺栓材料為A2-70。材料的力學(xué)性能見表1。許用應(yīng)力按照第三強度理論并大于屈服極限的原則，由屈服強度和抗拉強度計算得到，該計算公式為：S=min（Sy，2/3Su）。

備注：Q235-B彈性模量E取200GPa（20℃），泊松比μ取0.3

抽芯工具承受管束組件8Ton.f載荷。為了更接近實際工作狀態(tài)，拔出和回裝分五個工況進行，重力載荷依次為2、4、6、8Ton.f。水平拉力8Ton.f足夠克服換熱器內(nèi)部阻力，以此為參考，水平方向8Ton.f拉力（裝入時為壓力）恒定不變。

抽芯工具在拔出和推入各工況條件下的載荷組合和使用限制列于表2、3。

由于結(jié)構(gòu)使用材料為塑性材料，依據(jù)第三強度理論。取表1中許用應(yīng)力與計算的米塞斯應(yīng)力比較來評價結(jié)構(gòu)的安全性。

根據(jù)框架結(jié)構(gòu)，采用NXNASTRAN程序中的梁單元和桿單元建立有限元計算模型，進行仿真分析。仿真單元總數(shù)2813，節(jié)點總數(shù)2722。抽芯時約束如下：約束底板上30個腳墊的豎向自由度;鋼絲繩端頭固定約束;框架前端兩端Z向約束。

利用有限元模型，對框架進行靜力和穩(wěn)定性分析。對十種工況下橫梁與撐桿進行評定。各評定部件的最大應(yīng)力值和評定結(jié)果如表4、5所示。

評定結(jié)果顯示，抽芯開始時，橫梁應(yīng)力值與限值的最大比值為0.50，管束最終壓入時橫梁應(yīng)力值與限值的最大比值為0.356。抽芯工具的各主承力部件在各個工況下的最大應(yīng)力均小于相應(yīng)的限值。框架在抽芯與推入過程中滿足靜強度要求。

基于前面對抽芯工具框架靜強度整體進行了靜力與穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果表明，框架整體滿足使用要求。這一結(jié)果是建立在局部連接及加載部件連接可靠的基礎(chǔ)上的，為此還需對部分關(guān)鍵部件進行單獨校核。主要評定部件包括液壓支座、C型夾以及支座。拔出時橫梁和撐桿的最大應(yīng)力下主要評定部件的計算值與限值的比例分別為0.62、0.66、0.11。由于計算值與應(yīng)力限值比例都比1小，評定結(jié)果顯示，各主承力部件滿足靜強度要求。

對抽芯工具整體用梁單元和桿單元組合進行了靜強度及穩(wěn)定性分析，結(jié)構(gòu)整體滿足使用要求。對部分關(guān)鍵承力部件采用實體建模，單獨采用極限載荷進行校核計算，其結(jié)果也滿足使用要求。

綜上述，從理論計算上，該工具能夠承受8Ton.f重力和8Ton.f水平方向的拉力或推力。

5 試驗與驗證

進行拉力以及推力試驗，試驗過程中使用紅外水平儀進行結(jié)果驗收。

試驗先決條件：設(shè)備封頭已拆卸、設(shè)備滑動地腳螺栓已按固定地腳螺栓力矩進行緊固、現(xiàn)場工具已搭建好、應(yīng)用10Ton.f量程的拉力計。

提醒：在上一步試驗合格且不超過最大標(biāo)準(zhǔn)的80%的情況下方可進行下一步增力試驗。

試驗主要包含：

①拉力試驗：拉力試驗為2～8Ton.f逐步增加，待拉力穩(wěn)定后測量此時紅外水平儀的偏轉(zhuǎn)。同步驗證油壓與各拉力下的對應(yīng)關(guān)系。液壓系統(tǒng)油壓表對應(yīng)拉力計數(shù)值。

②進行推力試驗：推力為2～8Ton.f逐步增加（根據(jù)油壓表數(shù)值確認(rèn)推力），待拉力穩(wěn)定后測量此時紅外水平儀的偏轉(zhuǎn)。

驗收標(biāo)準(zhǔn)：通過紅外水平儀測量立柱的垂直度變化。由于立柱高3015mm，在滿足工具整體和局部的強度下，按照保守要求頂部到底部的垂直度偏轉(zhuǎn)不超過50mm（絕對值）。

經(jīng)過試驗驗證后，基本能判斷使用該工具進行抽芯活動的可行性。

6 結(jié)論

綜上所述，該液壓抽芯工具從設(shè)計選材、理論計算以及試驗驗證等環(huán)節(jié)來看，該新型工具的適用性以及抽芯活動的安全可靠性是能夠保障的。預(yù)計將在陽核5#機組首次大修中對工具進行實施應(yīng)用。