某種容器用抓具的設計與試驗驗證

張永璐，宋林星 ，劉偉東

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

0 引言

隨著世界工業經濟的高速發展，各種結構的容器在工業生產和生活中得到廣泛應用，雖然帶來了便利，但也發生了一些爆炸、泄漏、跌落傷人等事故。尤其隨著我國核動力、核電站等日益增多，貯運帶放射性介質的容器的使用頻率越來越高，給人們的工作、生活帶來了些許安全隱患。

容器為敞口設置，運行壓力為常壓，運行時容器一般不會發生危險事故，但在制造、吊運的過程中發生跌落摔傷等事件居多。為防止容器的摔落、損傷，在容器起吊過程中都會使用到一些可靠的起吊專用工具，故起吊工具的可靠設計和試驗驗證是非常重要的。

本文針對某項目盛裝高放射性介質的容器，在制造和使用過程中均須頻繁使用起吊工具(針對此容器的特殊結構，以下將起吊工具稱為“抓具”)的情況，設計了一種適用的抓具，并闡述了抓具的設計思路、結構強度分析和試驗驗證方法，旨在拋磚引玉，為更多類似容器用工具的設計提供借鑒。

1 抓具設計

1.1 配套抓具的容器介紹

該特制容器主要由內筒體和外筒體組成，內、外筒體均為圓柱形，外筒體為直立圓柱形一端無封蓋的殼體，內筒體為內部附屬部分附件的圓柱形殼體，容器在正常運行時，內筒體內將盛裝液態金屬鉛。在事故工況下，液態金屬鉛將用來洗滌帶有高放射性的特殊結構。與此同時，裝有放射性結構的內筒需要使用抓具吊運至指定的安全場所。

考慮內、外筒體裝配間隙及設備在運行時為保證金屬鉛為液態，需要加熱而導致的熱脹冷縮等因素，內筒置入外筒后，須保證內筒外壁與外筒內壁之間有約5 mm的間隙。鑒于設備的運行情況，內、外筒間距很小，不允許在裝配或者使用時在內筒外壁焊接起吊用吊耳。另外在運輸時，為避免內、外筒體裝配一體可能發生碰撞損傷，內、外筒體是在分離狀態下單獨運輸的。

內、外筒體運輸至使用現場后，容器須進行安裝合體，且容器設備使用時，須將帶強輻射介質的內筒吊運至安全處，故抓具使用頻率較高。可靠的抓具設計是保證設備正常運行和操作人員安全的關鍵因素。內筒體與抓具連接處的結構如圖1所示。

圖1 內筒與抓具連接處結構

1.2 抓具設計思路

從內筒體與抓具連接處的形式看，為防止受力不均導致卡死而損壞，內筒體上的平臺是作為承力接觸面的最好選擇，內筒體上的凹槽僅用于防止抓具滑落和限位，而不作為主要承力接觸面。

基于該容器結構的特殊性(內部用于起吊承力部分的外形尺寸大于抓具進入通道的收口尺寸)，要實現抓具的起吊功能，抓具須具有可展開和收縮的功能結構，抓具在進入設備時須將結構收縮進入，抓具通過內筒體連接處后能伸展開，并保持承力面與內筒體平臺接觸。

本文所設計的抓具為拆卸自如、調節方便的螺紋連接結構，如圖2所示。

圖2 抓具結構

抓具由1個吊鉤組件、3組吊桿組件(按120°均布)、3個螺栓M56×195，以及相關連接和限位零件等組成。吊桿組件上設有把手，通過其實現抓具的伸展和收緊，可自由進出設備，實現對設備的起吊功能。

2 理論驗證

2.1 尺寸試算及最終確定

首先，利用材料力學基礎知識，以集中力代替實際分布力對抓具各截面的受力展開分析，確保最危險截面受力滿足要求并留適當余量。接著，建立完整的有限元分析模型，進行靜力分析、模態分析、抗震分析。最后，根據適用的分析設計標準(本文按ASME NF分卷)按應力分類法進行強度評定，最終確定滿足強度要求的結構尺寸。

2.2 螺紋連接處的強度校核

由于熱處理和選材的特殊處理，螺紋連接處的失效發生在螺母處，為此將螺紋牙展開后相當于一根懸臂梁，如圖3所示。

圖3 螺紋牙展開示意圖

螺紋副的抗擠壓強度、抗剪切強度、抗彎曲強度公式分別如下。

(1)

(2)

(3)

式中：F為軸向力，N；d1為螺紋大徑，mm；d2為螺紋中徑，mm；d為螺紋小徑，mm；b為螺紋牙底寬度，mm；h為螺紋工作高度，mm；[σp]為許用擠壓應力，MPa，通常許用擠壓應力值取許用應力；[τ]為許用切應力；[σb]為許用彎曲；應力D為內螺紋大徑，mm；b為螺紋牙底寬度；z為結合圈數，一般不大于10。

按式(1)～(3)，對螺紋結構進行強度校核，結構滿足要求。

3 靜力分析和強度評定

對螺紋結構進行適當簡化，建立有限元計算模型，用有限元分析軟件ANSYS對抓具的應力進行了分析，并參考ASME BPVC-Ⅲ-NF分卷《支承件》、ASME BPVC-Ⅲ-附錄、JB/T4732-1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》(2005年確認)對其強度進行了評定。材料本構關系為線彈性，計算方法為線性靜力計算。

3.1 計算條件

計算工況見表1；材料力學性能見表2。

表1 計算工況

表2 材料力學性能

3.2 靜力有限元分析模型

根據分析目的及起吊工具的結構建立分析模型，因收縮桿及拉桿只起一個連接作用，為減少模型計算大小，節省資源，模型中不體現該部分，僅體現所有承力結構，對于限位結構施加x、z位移約束。

為方便施加設備及介質載荷，模型中增加了與起吊工具連接的部分內筒組件，對于內筒組件還考慮了邊緣應力的作用，設置了足夠的長度。對于螺紋連接部位按經典公式計算余量充足，不單獨建立模型進行計算，將螺紋連接部位等效綁定接觸進行模擬計算。

模型采用六面體單元為主劃分網格。生成127 176個節點，31 138個單元。模型及網格如圖4所示。

圖4 抓具的模型及網格

分析坐標系說明：+x，從左指向右；+y，豎直向上；+z，從紙內指向紙外。

3.3 靜力有限元分析邊界條件及結果

采用ANSYS軟件作為求解器進行線彈性靜力分析，用ANSYS Mechanical進行結果后處理。邊界條件及總體應力云圖如圖5所示。

圖5 靜力邊界條件(左)、總體應力云圖

從結果可知，應力相對較大的區域位于吊桿與U形楔塊連接處，這是由于此處受力由螺紋結構承受，螺紋由于接觸面集中但面積較小導致應力更集中。設備起吊時，承力鉤上的力傳遞至墊板上，故墊板上的應力也很大；相反，承力鉤上的應力不大。

3.4 應力評定

3.4.1 線性化路徑

按通過零件厚度方向的原則，建立了6條應力線性化分析路徑(見圖6)。因吊鉤、U形楔塊上的應力非常小，節點應力遠小于材料屈服強度，故不進行路徑劃分。

圖6 應力線性化路徑

3.4.2 應力線性化結果

沿分析路徑的應力進行線性化處理，根據ASME-Ⅲ-NF，在設計工況下應力限制準則如下。

Pm≤1.0Sm

Pm+Pb≤1.5Sm

評定結果見表3，由表可知，設備在正常使用工況下，應力滿足規范要求。

表3 應力線性化評定結果

其中：Pm為線性化后的薄膜應力成分；Pb為線性化后的彎曲應力成分；Pm+Pb為線性化后的薄膜加彎曲應力成分。

4 抗震分析

為確保設備在地震工況下的安全性，對設備進行抗震分析。

4.1 模態分析

模型的1、2階模態結果見圖7。模態分析結果表明，其1階固有頻率為36.626 Hz，大于33 Hz，表明該結構剛性較好。抗震計算可采用等效靜力分析。提取前三階固有頻率，結果為1階模態頻率36.626 Hz，2階模態頻率77.728 Hz，3階模態頻率126.44 Hz。

圖7 一階(左)、二階(右)振型

4.2 抗震分析

邊界條件：設計工況邊界條件+x、y、z方向分別保守考慮4 g的加速度。

分析模型：模型和網格與靜力分析相同。

4.3 評定及結果

根據ASME-Ⅲ-附錄F，在設計工況下應力限制準則如下。

Pm≤max(1.2Sy，1.5Sm)

Pm+Pb≤min(1.2Sy，0.7Su)

其中，Sy值取材料的Rel，35CrMoⅢ的Su=735 MPa，35CrMoA的Su=980 MPa，30CrMoA的Su=930 MPa。

根據ASME-Ⅲ-NF，對峰值應力不要求作評價，結果滿足規范要求。

5 試驗驗證設計

鑒于抓具為動、靜結合的起吊工具，與起重機有類似功能，為確保其安全性和可靠性，參照行業標準GB/T5905-2011《起重機、試驗規范和程序》，應設置載荷試驗對設備進行驗證，通過試驗來驗證設備運動時的整體強度、剛度、穩定性是否滿足設計要求。

5.1 載荷試驗

5.1.1 空載試驗

抓具應進行收縮，自由伸入容器，伸入后展開，適當提升，保證兩者可貼合；然后收縮抓具，從容器筒體取出，確保滿足無卡塞、自由伸縮的要求。

5.1.2 動、靜載荷試驗

根據GB/T5905-2011，設置起升載荷試驗，包括動載荷試驗和靜載荷試驗，試驗方案見圖8。其中，動載荷試驗是為了驗證設備的動態特性，按額定載荷的1.25倍進行。靜載荷試驗的目的是檢驗抓具的承載能力，按額定載荷的1.4倍進行。試驗時，應特別注意加、減速度的控制。

圖8 動/靜載荷試驗示意

6 結語

本文剖析了某特制容器用抓具的設計思路，并設計出一種適用的抓具。根據使用工況條件，進行了詳細的力學分析和評定，結果滿足要求。同時，鑒于抓具的實際工作條件為動靜結合，根據起重機行業標準提出了試驗驗證方案，保證了抓具的安全性、可靠性，為類似工具的開發提供了一種設計思路和科學、有效的驗證方法。