乏燃料容器垂直吊具襯套變形事件分析和設計優化

包博宇，郝建生，姚 琳

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

隨著我國核電機組投運，乏燃料貯存量增加，乏燃料的后端物流對核工業安全、高效運營起著十分重要的作用［2］。乏燃料容器作為該物流系統中的關鍵設備，對整個物流系統的性能存在很大程度的影響。

乏燃料容器垂直吊具是乏燃料容器的專用提升裝置（以下簡稱“垂直吊具”，結構示意圖見圖1），保證其性能可靠性是乏燃料容器的安全、快速操作的基礎［4］。本文通過事件分析，對垂直吊具結構做出設計優化，有利于提高乏燃料容器操作的安全性和便捷性。

圖1 垂直吊具三維結構示意圖Fig 1. 3D-model of vertical lifting yoke

1 乏燃料容器垂直吊具

1.1 垂直吊具基本結構

乏燃料容器垂直吊具是乏燃料容器（以下簡稱“容器”）的專用提升裝置，用于在運輸容器操作過程中提升、翻轉和操作空載或滿載容器。在對容器進行操作時，垂直吊具上端通過銷軸與吊車連接，下端通過兩個吊臂與容器兩個相對的提升耳軸連接。為避免容器操作過程中損傷提升耳軸表面，吊臂提升孔內設置有鋁青銅襯套，襯套下圓弧面與吊臂提升孔的下弧面直接接觸，并通過四個螺栓進行壓緊、固定（吊臂、提升孔及襯套的結構示意圖見圖2）。由于襯套受到擠壓會發生變形，需要對襯套進行定期更換。作為乏燃料容器的關鍵輔助設備，垂直吊具設計的合理性是保證容器操作過程安全和高效的重要因素。垂直吊具吊臂襯套是垂直吊具與容器提升耳軸的接口，是影響容器操作安全、高效進行的關鍵因素。

圖2 吊臂、提升孔和襯套三維結構示意圖Fig 2.3D-model of boom,lifting hole and bushing

1.2 垂直吊具結構缺陷引發的事件

國際上主流乏燃料容器的垂直吊具都存在類似的上述結構，而具有此類結構的垂直吊具曾發生以下問題：在更換襯套時，起固定作用的螺栓難以拆除，導致襯套的更換操作很不方便，延誤維護時間。為將變形的襯套及時拆除，更換新的襯套，就必須將變形襯套機械加工切除，再將固定螺栓拆除，最后完成襯套更換。

1.3 事件后果

為將變形的襯套及時拆除，更換新的襯套，操作人員不得不采取將襯套機械加工切除的方法。拆除變形的襯套需要進行大量的準備工作:為方便機械加工操作，需要將導向裝置、頂緊裝置、吊臂及安裝在吊臂上的氣壓元件等全部拆卸，增加了操作任務量；同時機械加工過程中存在對吊臂造成損壞的風險，影響垂直吊具的安全使用。這類事件影響乏燃料容器的操作安全性和高效性。因此，對此類事件及時展開根本原因分析，并采取合理、有效的措施，避免類似事件再次發生，對于乏燃料容器的順利供貨和安全使用具有重要意義。

2 事件調查

該故障事件的發生及調查處理過程參見表1。

表1 事件過程調查Table 1 Incident process investigation

事件機械加工切除部分襯套，露出螺栓固定襯套的螺栓發生扭曲變形。拆除螺栓，去掉剩余襯套安裝新的襯套、螺栓，組裝垂直吊具說明圖片images/BZ_80_699_506_1134_792.pngimages/BZ_80_700_868_1133_1430.pngimages/BZ_80_745_1521_1088_2082.png

3 根本原因分析

根據上文所述的事件過程，本文運用原因因子圖分析法對該問題進行逐層深入分析。

3.1 事件主線

首先確定事件發生主線。經分析，“使用垂直吊具進行容器操作”是初始事件，“襯套變形嚴重，無法拆除，導致無法順利更換新的襯套”是此次事件的最終事件。而按照事件發生的事件序列，可將主要事件及主要影響描述為“垂直吊具襯套發生變形，未進行更換”以及“襯套過頂螺栓扭曲變形、卡死，無法正常拆除”。

事件主線的原因因子圖如圖3所示。

圖3 事件主線Fig 3 Event main line

3.2 主要原因因子分析

3.2.1“垂直吊具襯套發生變形，未進行更換”事件原因因子分析

經分析可知，由于垂直吊具提升載荷較大（約100 t），在使用垂直吊具對容器進行提升的過程中，襯套會受到很大的擠壓力，從而產生形變；在使用垂直吊具對容器進行翻轉的過程中，襯套在摩擦力的作用下，其下圓弧面將會沿吊臂提升孔下圓弧面產生滑動趨勢，從而直接導致固定襯套的螺栓受到剪切力作用。垂直吊具在經常使用的情況下，其襯套將會承受頻繁的、較大的載荷及摩擦力作用，最終會導致螺栓發生變形，甚至可能會被切斷。螺栓發生變形后，將會卡死在螺栓孔內無法拆除，進而導致襯套的更換操作困難。因此，在每次使用垂直吊具前和使用后，均需要對襯套進行充分檢查，一旦發現變形，應立刻更換新的襯套。

查閱垂直吊具的“設備操作大綱”后，經分析可認為“垂直吊具襯套發生變形，未及時更換”的主要原因是發現大綱中并未明確襯套的檢查方式、判斷標準、何時檢查，對檢查次數也未做出明確規定。垂直吊具的施工圖紙和技術條件均無設備使用要求和注意事項的相關要求，對垂直吊具的接口要求、操作工況沒有相應的提示。顯然，設計方沒有提供可以保證設備質量、可靠性或可操作性的規定，同時設計人員經驗不足，缺少應有的培訓。因此可以看出，“缺少可以保證設備質量、可靠性或可操作性的規定”和“設計人員經驗不足，缺少充分的培訓”是此條事件分支的兩個根本原因。

該事件分支的原因因子圖如圖4所示。

圖4“垂直吊具襯套發生變形，未及時更換”事件分支原因因子圖Fig 4 Branch cause factor diagram of“vertical spreader bushing deformed and not replaced in time”

3.2.2“襯套固定螺栓扭曲變形、卡死，無法拆除”事件原因分析

對于“襯套固定螺栓扭曲變形、卡死，無法拆除”這項主要影響事件，小組成員根據設計經驗，對垂直吊具的接口條件和操作工況所涉及的因素逐個進行排查，并最終確定了“螺栓塑性變形過大”是導致該事件發生的重要因素，確定了事件發生的重要因素后，繼續對該因素的輸入原因進一步分析。

（1）對于“螺栓塑性變形過大”這一因素，經分析可認為“螺栓承載時間過長”是其根本原因。

經過對襯套使用工況分析可知，襯套及其固定螺栓的作用是為保護容器提升耳軸表面免受摩擦損傷，為犧牲部件，可更換；垂直吊具施工圖紙中襯套的材料為鋁青銅，材質較軟，固定螺栓所選用的材料為A2-70，在載荷作用下，襯套可承受適量的變形，固定螺栓可承受適量的塑性變形，均可滿足襯套使用工況的要求。但是固定螺栓在過長時間的載荷作用下，塑性變形會加大，導致嚴重扭曲變形，影響其使用要求。垂直吊具的“設備操作大綱”中缺少襯套及固定螺栓的使用次數的規定，沒有螺栓更換周期的要求。垂直吊具的施工圖紙和技術條件均無固定螺栓的使用要求和注意事項的規定，對螺栓的使用次數和更換周期沒有明確提示。顯然，設計方沒有提供可以保證設備質量、可靠性或可操作性的規定，同時涉及人員經驗不足，缺少應有的培訓。因此可以看出，“缺少可以保證設備質量、可靠性或可操作性的規定”和“設計人員經驗不足，缺少充分的培訓”是此條事件分支的兩個根本原因。

（2）對于“螺栓塑性變形過大”，分析認為“螺栓承受過大的剪切力”可能是其原因之一。小組成員經過討論、分析，在使用垂直吊具進行容器吊裝、翻轉操作時，襯套會直接承受襯套與容器耳軸之間產生的滑動摩擦力；由于襯套與垂直吊具吊臂提升孔之間為圓弧面接觸，所以襯套承受的滑動摩擦力會直接施加在襯套固定螺栓上，使螺栓承受剪切力，該剪切力是導致螺栓發生塑性變形的原因之一。經分析可知，襯套承受的載荷為容器重量，并未超過設計載荷要求。所以“垂直吊具提升載荷過大”在本事件中并未發生。

根據以上分析，本文將“襯套固定螺栓扭曲變形、卡死，無法拆除”事件分支的原因因子圖繪制如圖5。

圖5“襯套固定螺栓扭曲變形、卡死，無法拆除”事件分支原因因子圖Fig.5 Branch cause factor diagram of“bushing fixing bolt twisted,stuck and unable to be removed”

3.3 事件原因總結

3.3.1 直接原因

“襯套螺栓發生扭曲變形、卡死，無法拆除”是導致變形事件“襯套嚴重變形，無法拆除并更換新的襯套”的直接原因之一。

3.3.2 根本原因

根據3.2.1節和3.2.2節的分析，本文繪制此次垂直吊具襯套無法更換的完整原因因子圖，如圖6所示。需要說明的是，該因子圖僅列出了本次事件實際發生的原因因子。

圖6 本次垂直吊具襯套更換困難事件的原因因子圖Fig.6 Cause factor diagram of difficult replacement of vertical spreader bushing

導致質量特性波動的因素根據來源不同，將事件原因分為人（Man）、機（Machine）、料（Material）、法（Method）、環（Environment）、測（Measurement）6個方面［1］。根據本事件兩個主要原因因子分析可知，本事件原因不涉及環境因素，故將其余五個方面的因素總結為如圖7所示的因果圖。

圖7 襯套變形事件因果圖Fig.7 cause and effect diagram of bushing deformation event

4 事件糾正措施和結構優化

4.1 糾正措施

本文針對第3節中分析得出的根本原因，逐條制定了相應的糾正措施：對設備接口輸入、操作工況情況進行全面梳理，明確設備使用前后檢查的內容、要求和標準，為現場操作提供垂直吊具襯套檢查方案。針對“設計人員經驗不足，缺少充分培訓”這項根本原因，建議在后續的設計工作中繼續加強對施工圖及技術條件的審查，尤其是設備操作相關的內容要考慮全面、充分；同時加強與設備使用方的技術交流，及時溝通設備使用的注意事項及現場使用情況，避免出現類似垂直吊具襯套無法更換的情況。

4.2 經驗反饋與設計優化

從載荷角度分析，襯套變形無法拆除的可能原因有二：承載時間過長和承受載荷過大。從結構角度分析，吊臂與襯套之間圓弧面接觸的接口形式（如圖8所示），會使襯套固定螺栓直接承受剪切力。這些因素的共同作用導致了固定襯套的螺栓發生變形，襯套更換困難。為了避免固定襯套螺栓直接承受剪切力作用，在保證吊臂強度要求的前提下，相關方應對吊臂與襯套的接口結構進行優化。

圖8 吊臂提升孔與襯套接觸方式優化前Fig.8 contact mode between lifting hole and bushing of boom-before optimization

本文建議在吊臂提升孔的下圓弧面上左右各設置一個臺階，呈凹形弧面，同時在襯套的下圓弧面左右各設置一個臺階，呈凸形弧面；吊臂與襯套的接口形式由直接圓弧面接觸，變成圓弧面接觸和限位臺階，如圖9所示。

圖9 吊臂提升孔與襯套接觸方式優化后Fig.9 contact mode between lifting hole and bushing of boom-after optimization

結構優化后，可以保證在使用垂直吊具對容器進行翻轉的過程中，吊臂提升孔處設置的臺階可以直接承受襯套的切向力，從而有效減少甚至避免固定螺栓所受的剪切力，避免螺栓發生變形，保證襯套方便拆卸、更換。

5 總結

通過對國際上類似的乏燃料容器垂直吊具襯套更換困難事件的經驗反饋和根本原因分析，本文提出了乏燃料容器垂直吊具吊臂與襯套的接口形式的優化方案和垂直吊具襯套檢查方案，通過以上方案，避免在垂直吊具使用期間再次發生襯套無法更換的情況，從而保證乏燃料容器的安全操作，保證乏燃料組件的安全運輸。根本原因分析和經驗反饋對設計中的不足可以起到很好的放大作用，從而使得設計者對已有設計進行持續的質量改進，在滿足其原有功能的前提下，對提升產品質量起到積極影響。