一種能實現精準調心功能的核電站環行起重機吊具

江蘇核電有限公司 連云港 222000

0 引言

核電站VVER機組反應堆堆芯直徑為3 600 mm，堆內部件如上部組件、保護管組件和堆芯吊籃等與堆芯豎井安裝間隙單側為1 mm左右，對裝配工藝要求極高。《VVER機組環行起重機技術規格書》7.2.3.13條規定：環行起重機（以下簡稱環吊）主起升機構吊運的反應堆設備在任何高度和主鉤最大旋轉角度范圍內，起吊直徑為3 600 mm的堆內部件同一平面高、低點差值不應大于1 mm。其作用為滿足反應堆部件吊裝需求。由于此項要求極高，環吊制造廠很難滿足此項要求。某VVER機組國產化環吊吊運保護管組件時，因環吊主鉤調平能力差，吊運保護管組件水平偏差過大，保護管組件在導向槽內卡住。回裝保護管組件時因環吊主鉤調平能力差而無法精準對中，且回裝過程中同樣會在導向槽內卡住。反應堆內部件無法拆卸，直接導致運行機組無法更換核燃料和機組無法長久運行。本文通過設計一種能實現精準調心功能的核電站環吊吊具，并經實際驗證，高效地解決了這一難題。

1 環吊主鉤調平差原因

核電站VVER機組環吊目前開始逐步實現了國產化，核電站環吊起升機構在滿足設計規范和安全規程的基礎上，起升機構鋼絲繩還需滿足下列特殊要求：采用兩根鋼絲繩交叉纏繞系統，當兩根鋼絲繩中任意的一根斷裂后，由另一根鋼絲繩承受全部載荷，且載荷轉移沒有過分的沖擊，吊具仍然維持在平衡狀態。核電站環吊為確保極高的安全性能，均采用高抗拉強度的鋼絲繩（如2 160 MPa）。由于鋼絲繩較高的抗拉強度，鋼絲繩韁性較大。起吊反應堆芯部件時，鋼絲繩受力處于無規律的拉升狀態，因鋼絲繩為交叉纏繞模式從而導致吊運的重物無法滿足吊運VVER機組反應堆堆內部件在任何位置其直徑3 600 mm的平面水平高低差值不能超過1 mm的極高要求。

2 VVER機組環吊主鉤介紹

VVER機組環吊主鉤較其它機組環吊主鉤最大的不同點為：具備主鉤自動旋轉機構和主鉤自動穿軸機構。為了保證環吊主鉤能夠旋轉±360°，設有電動旋轉機構。旋轉機構由三合一結構（電動機、減速器、制動器組合）、小齒輪、大齒輪組成。小齒輪與三合一輸出軸之間通過極限力矩聯軸器連接，大齒輪安裝在吊叉上，通過大齒輪的旋轉帶動吊叉的旋轉。為了顯示旋轉角度，在小齒輪的末端設置了編碼器。在大齒輪底部設有限位開關以防止吊具旋轉角度大于±360°而損壞電纜。為了實現吊叉與專用吊具的連接，設有電動穿軸機構。穿軸機構由三合一結構（電動機、減速器、制動器組合）、鏈輪、鏈條、絲桿和銷軸組成。銷軸端部安裝有與絲桿配套的螺母，穿軸電機轉動時，通過鏈條和鏈輪帶動絲桿旋轉，絲桿與帶螺紋的銷軸一同旋轉，因銷軸上設置了擋塊，阻止銷軸旋轉，從而帶螺紋的銷軸將旋轉運動變為直線運動，實現銷軸的進、退功能。VVER機組環吊主鉤設計圖見圖1。

3 環吊吊具設計

核電站環吊安裝在反應堆廠房內，由于核輻射的特殊性和機組商業運行盈利目的，一旦機組安裝核燃料后就無法對環吊進行耗時較長的技改工作，故必須采用便捷的方式解決環吊主鉤調平差問題。由于環吊機械結構已制造成型，無法在主起升機構上進行優化改進，故可設計一種非能動吊具，即采用具備優良自動調心功能的部件，依據重物自身重力實現自動調平。

3.1 環吊十字軸吊具

所有具備優良自動調心功能的部件中，如關節軸承和調心滾子軸承等，經試驗驗證關節軸承內圈和外圈之間為滑動摩擦，因摩擦系數較大無法實現精準調心功能。因此，需采用滾動摩擦形式的調心部件，以便減小摩擦系數，實現高精度調心功能。借鑒汽車萬向傳動節原理，采用在十字軸四端各安裝一個高精度的調心滾子軸承，從而設計了環吊十字軸吊具。額定載荷為200 t的環吊十字軸吊具設計總圖見圖2。

3.2 選型配置

額定載荷為200 t的環吊十字軸吊具吊板和連接板采用常規板材Q345C，十字軸和穿銷軸采用鍛件，材料為42CrMo，熱處理調質。4個軸承采用SKF品牌的調心滾子軸承。

3.3 調心能力計算

根據SKF軸承樣本（2017），計算調心滾子軸承摩擦阻力矩為

式中：u為軸承滑動摩擦系數,取值為0.001；Q為載荷；dk為軸承內徑，計算取160 mm。

由圖3可得：

式中：X為摩擦阻力矩與載荷力矩平衡狀態下吊物重心與吊具理想鉛垂線水平距離，計算有

即單憑吊裝的重物自重，吊重無法恢復到X=0的位置（理想鉛垂位置）。無論載荷Q為多少，只要軸承摩擦系數、軸承外徑確定，吊重在恢復豎直過程中，始終會在X=0.08 mm這一位置下停止。此時對應的角度α，可稱為死區角,見圖3。

通過取不同A值（A為重物中心至吊物回轉中心的距離），計算出死區角α，統計如表1所示。

表1 關節軸承死區角A值對應關系

對于吊裝直徑3 600 mm的反應堆部件，其水平高低差不超過1 mm的要求，換算成角度偏差為

從A值取4 m時，死區角為0.001 14°，遠小于0.016°。通過理論計算，環吊十字軸吊具能滿足吊裝直徑為3 600 mm的反應堆堆內部件，在任何位置其水平高低差值不大于1 mm要求。

4 強度計算

4.1 十字軸強度

采用仿真軟件計算出承受額定載荷時十字軸各位置的載荷應力大小，如圖4所示。十字軸為鍛件，材料為42CrMo，熱調質處理后許用應力不小于510 MPa。十字軸圓弧過渡位置載荷應力最大，約為295 MPa，但遠小于許用應力的下限值510 MPa，故十字軸強度滿足要求。

4.2 連接板強度

連接板零件圖如圖5所示，材料為Q345C，其各項參數為

按照環吊技術規格書規定安全系數ne取1.48。

4.3 上側板的計算

上側板在圖2所示A-A截面的應力計算為

軸孔的平均擠壓應力為

下側板的剪切力為

上側板零件圖如圖6所示。

4.4 下側板的計算

下側板在圖2所示A-A截面的應力計算為

軸孔的平均擠壓應力為

下側板的剪切力為

下側板零件圖如圖7所示。

5 實際使用情況

吊運反應堆保護管組件時，環吊主鉤銷軸連接十字軸吊具上吊裝孔，十字軸吊具下端穿銷機構連接保護管組件吊具。環吊主鉤吊起保護管組件吊具，并測量保護管組件吊具下端工藝面水平高低差值，通過添加配種塊的方式將保護管組件吊具水平高低差值調整至1 mm以內。保護管組件吊具連接保護管組件，環吊主鉤整體緩慢吊起保護管組件，隨著環吊主鉤旋轉或大車、小車行走，經測量保護管組件下端工藝面水平高低差值始終保持在1 mm之內。經實際驗證采用環吊十字軸吊具吊運反應堆保護鋼結構和堆芯吊籃等部件時，均滿足使用需求。采用環吊十字軸吊具吊裝反應堆堆內構件使用情況見表2。其中水平差值測量方法為：采用高精度水平尺（精度0.01 mm）,分別測量物體四個對角位置標高值，求出最大差值。

表2 環吊十字軸吊具使用數據

6 結語

環吊十字軸吊具引入十字萬向節作為高精度自動調心部件，能夠滿足對吊裝重物水平度要求極高的工藝需求。能有效解決起重機鋼絲繩韁性過大或其它因素引起的吊裝物項水平差問題。不僅限于核電站，環吊十字軸吊具同樣適用于其他對吊裝物項水平度要求極高的吊裝工藝，如航天、航空領域、軍工領域、基建等領域，可為大型吊裝機械的工程提供借鑒。