核電廠橋式起重機鋼絲繩偏角異常事件處理分析

李今朝 張 峰 辛曉亮 王 歡 劉 倩

中廣核工程有限公司核電安全監控技術與裝備國家重點實驗室 深圳 518172

0 引言

橋式起重機（以下簡稱橋機）是核電站在建造和運行階段，為反應堆廠房內的重型設備安裝、維修提供吊運服務的特種重型橋式起重機，包括吊裝蒸汽發生器（SG）、壓力容器（RPV）、穩壓器（PZR）等大件設備。由于核電站設備閘門的限制，大件設備必須水平運輸到反應堆廠房內，通過橋機翻轉直立后再吊裝到指定位置。

某核電站橋機在現場進行起吊試驗過程中，發現鋼絲繩與動滑輪上的罩子發生摩擦（見圖1）。

鋼絲繩在使用過程中會頻繁繞入繞出滑輪槽和卷筒槽，異常摩擦會導致其使用壽命大幅度減少，嚴重時甚至會直接影響吊裝安全[2]。為盡快解決該問題，需要對異常摩擦的原因進行詳細分析。本文采用魚骨圖的分析方法（見圖2），分析該異?，F象的原因。

1 鋼絲繩偏角分析

由于設備均已安裝就位，且現場無可靠參照物，本文采用模型放樣分析的方法，確定了吊裝過程中各階段的鋼絲繩偏角大小，并對比了常用標準規范GB/T 3811—2008《起重機設計規范》[3]的要求，分析確定了鋼絲繩異常摩擦的原因。該安裝小車的基本參數為：鋼絲繩直徑d＝34 mm，卷筒槽底直徑D＝1 600 mm，卷筒計算直徑D0＝1 634 mm，卷筒上繩槽節距P＝38 mm，總起升高度H0＝35.5 m，卷筒中部無繩槽部分長度L1＝92 mm，吊環滑輪組中間2滑輪間距L2＝225 mm，滑輪倍率m＝12。鋼絲繩纏繞卷筒及動滑輪的示意如圖3所示。

由圖3分析可知，當鋼絲繩向繩圈方向偏斜時，偏角為

式中：α為與卷筒軸垂直平面之間的偏角，β為鋼絲繩中心線與卷筒繩槽中心線之間的偏角，ε為卷筒螺旋槽傾斜角度，H為卷筒中心線距動滑輪中心線的高度，L為某標高時卷筒上2組鋼絲繩之間的間距，L2為吊環滑輪組中間2滑輪間距，P為卷筒上繩槽節距，D0為卷筒計算直徑，m為滑輪倍率。

當鋼絲繩向空槽方向偏斜時，偏角按式（1）～式（3）、式（5）計算。經過計算，詳細的偏角計算結果如表1所示。

表1 典型設備的偏角計算值

GB/T 3811—2008要求：鋼絲繩繞進（出）卷筒時，鋼絲繩中心線偏離螺旋槽中心線兩側的角度不應大于3.5°。由上表可知，對于不同設備的實際吊裝，均出現了鋼絲繩偏角超出規范要求的情況，鋼絲繩異常摩擦確定是由于偏角超標導致。

2 偏角超標后果及原因分析

鋼絲繩偏角增大可能會出現鋼絲繩跳槽的事故，也不可避免地會對起升機構的各個部件造成一定的損害，包括鋼絲繩、卷筒、滑輪組等[4]。本文采用故障樹分析對偏角超標的可能后果及原因依次開展了分析，如圖4所示。

3 偏角異常影響分析

3.1 鋼絲繩是否跳槽分析

鋼絲繩在繩槽內運動時，會同時受到拉力和摩擦力的作用，當脫離繩槽方向的分力和力矩分別小于壓向繩槽方向的分力和力矩時，可認為鋼絲繩不會出現跳槽。通過鋼絲繩在最不利工作狀態下的受力分析，包括力矩平衡分析及受力平衡分析，可以判斷鋼絲繩是否跳槽。

當鋼絲繩與卷筒螺旋槽中心線之間的偏角β最大時，鋼絲繩處于最不利位置。將鋼絲繩卷入卷筒的切點位置放樣如圖5所示。圖中α2指切點處切線與鋼絲繩中心線之間的夾角，S指鋼絲繩所受拉力。

鋼絲繩受力分析示意如圖6所示。圖中α3為鋼絲繩處于最不利位置時鋼絲繩中心到接觸點連線與水平分力的夾角，F1指鋼絲繩水平分力，F2指阻止鋼絲繩跳槽的分力，F3指F2對接觸點的正壓力，F4指F2對接觸點的正壓力，L1指鋼絲繩跳槽的力臂，L2指阻止鋼絲繩跳槽的力臂，B點為鋼絲繩所處的最不利位置。

3.1.1 力矩平衡分析

鋼絲繩在卷入繩槽過程中，由于偏角原因產生的水平力矩使鋼絲繩有跳出繩槽頂部的趨勢，鋼絲繩拉力產生的繞進繩槽的力矩有克服其翻轉跳槽的趨勢。其中，跳槽力矩為

克服跳槽的力矩為

3.1.2 力平衡分析

鋼絲繩在槽頂處產生的切向摩擦力有使鋼絲繩向外跳槽的趨勢，在該處的切向分力有使鋼絲繩向卷筒卷入的趨勢。其中，跳槽力為

克服跳槽的力為

根據計算分析可得表2，由表2可知，鋼絲繩出現跳槽的風險較小。

表2 鋼絲繩是否跳槽分析

3.2 對卷筒的影響分析

3.2.1 卷筒繩槽磨損增大的影響

由于鋼絲繩偏斜過大，不可避免地增大了對卷筒螺旋槽側面的磨損，長期使用下會出現卷筒強度和穩定性降低的風險。卷筒材料為Q345C，厚度為60 mm，根據GB/T 3811—2008計算其合成應力和臨界壓應力，筒體強度的安全系數和穩定系數分別為2.5和1.64，繩槽側面的磨損對于卷筒的強度和穩定性影響較小，可以接受。

3.2.2 鋼絲繩水平作用力增大對卷筒的影響

鋼絲繩與卷筒螺旋槽中心線之間的夾角增大會使卷筒所受水平分力增大，由于卷筒形式為雙聯卷筒，兩側鋼絲繩作用在卷筒上的水平作用力相互抵消，故水平作用力增大對卷筒幾乎無影響。

3.3 對滑輪組的影響分析

根據上述分析，鋼絲繩與動滑輪軸垂直平面間的最大偏角為4.5°，符合GB/T 3811—2008中不大于5°的要求。通過對最大偏角時滑輪繩槽側面的擠壓應力及軸承所受水平力的計算，軸承許用載荷及滑輪許用應力均遠大于計算值，鋼絲繩斜偏角的增大對滑輪組的影響可以接受。

3.4 對鋼絲繩的影響分析

鋼絲繩的基本參數為：額定起升載荷QA=550 000 kg，吊環滑輪組質量QD＝10 865 kg，鋼絲繩質量Qg＝6 000 kg，滑輪倍率m＝12，滑輪組效率η1＝0.9，重力加速度g＝9.8 m/s2。

鋼絲繩的最大靜拉力為

根據用戶手冊可知鋼絲繩最小破斷力為1 055 000 N，安全系數為4.1。

考慮到鋼絲繩偏角最大時的摩擦，鋼絲繩中心線與滑輪軸垂直平面之間的最大偏角為4.5°，鋼絲繩中心線與卷筒螺旋槽中心線之間的最大偏角為4.08°，滑動摩擦系數取0.14（不考慮潤滑影響）。保守分析，鋼絲繩同時受到卷筒和滑輪之間的摩擦力之和，疊加后計算得實際拉力為1.02SA，實際安全系數為4.02。根據GB/T 3811—2008的要求，工作級別為M3的該類型鋼絲繩安全系數應大于3.55，滿足規范要求。

3.5 鋼絲繩壽命分析

根據Klaus Feyrer的理論計算模型[4]，鋼絲繩入繩傾角對其彎曲疲勞壽命的影響為

式中：D為鋼絲繩彎曲計算半徑，d為鋼絲繩公稱直徑，ψ為鋼絲繩入繩傾角，Dψ為鋼絲繩剩余彎曲疲勞壽命，N0為鋼絲繩原始壽命。

根據計算結果，實際吊裝時鋼絲繩傾角最大值為4.5°，此時Dψ＝0.41。對于12倍率的起升系統，在1個起升循環中，鋼絲繩局部承受最多彎曲疲勞周次的數量是23次，而核電站建造階段安裝小車需要完成的起升循環次數在10余次左右。所選鋼絲繩的彎曲疲勞壽命約為13～16萬次，對于僅需吊裝主設備的安裝小車來說，完全可以滿足使用需求。

4 優化方案和解決措施

由式（1）～式（5）可知，當卷筒中心線距動滑輪中心線的高度H越小時，鋼絲繩的偏角越小，故在吊裝時減小吊鉤下降的高度即可減小鋼絲繩偏角。結合吊裝主設備時吊鉤所處的最低高度，分別設計不同長度的連接工具，即可保證在吊裝過程中鋼絲繩的偏角滿足規范要求。連接工具的示意如圖7所示。

在項目現場實際翻轉過程中，該安裝小車順利完成吊裝任務，證明了理論分析的合理性，基于特定條件下的鋼絲繩偏角分析過程為后續類似情況的影響分析提供了一定的指導。

5 結論

本文以國內某項目橋機為例，提出了鋼絲繩偏角的理論計算方法，在斜偏角不滿足規范的情況下，通過對卷筒、滑輪組、鋼絲繩的影響分析。

1）通過模型放樣計算偏角的方法，解決了無法實測的問題，并發現了在試驗過程中出現鋼絲繩異常摩擦的現象是由于鋼絲繩偏角過大造成的。

2）基于故障樹分析、最不利情況受力分析及鋼絲繩疲勞壽命理論給出了偏角超標是否可接受的驗收評價準則。

3）在安裝小車鋼絲繩偏角不滿足規范要求的情況下，通過連接工具的設計可以有效減小實際吊裝過程中的鋼絲繩偏角。

4）基于特定條件下的鋼絲繩偏角分析，給后續研究不同情況下偏角的限值及可靠度提供了一定的指導。