反應(yīng)堆下部支承組件吊具設(shè)計(jì)與計(jì)算

譚文界　王炳炎　任荷　黃新東

【摘 要】下部支承組件是反應(yīng)堆堆內(nèi)重要構(gòu)件，在反應(yīng)堆初裝或者復(fù)裝時(shí)，需要采用專用工具將其從存放處吊入反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行安裝。本文針對反應(yīng)堆內(nèi)的特殊環(huán)境和下部支承組件的具體工況設(shè)計(jì)了一套專用吊具，并對該吊具的重要承力部件進(jìn)行了力學(xué)分析與校核，該吊具已成功研制并在核電站中投入使用，結(jié)果表明其設(shè)計(jì)合理、性能可靠、使用方便。

【關(guān)鍵詞】下部支承；吊具；設(shè)計(jì)

0 引言

下部支承組件吊具是用于對下部支承組件進(jìn)行吊運(yùn)操作的專用設(shè)備。在反應(yīng)堆初裝堆或復(fù)裝堆內(nèi)構(gòu)件時(shí)將下部支承組件從存放處吊入反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行安裝；檢修或退役時(shí)同樣使用該吊具將下部支承組件吊運(yùn)出反應(yīng)堆存放于指定的存放地點(diǎn)。M310堆型的二次下部支承組件吊具的使用工況分為：反應(yīng)堆初裝堆使用、反應(yīng)堆檢修及退役時(shí)使用兩種工況。反應(yīng)堆初裝堆時(shí)，首先使用吊環(huán)、卸扣及吊索將下部支承組件引入堆廳，再使用下部支承組件吊具將其裝入反應(yīng)堆壓力容器中；反應(yīng)堆檢修時(shí)，則使用吊具將下部支承組件吊出反應(yīng)堆，吊放至水下專用存放架上，待檢修完成后，再將下部支承組件吊入反應(yīng)堆；反應(yīng)堆退役時(shí)，則直接使用下部支承組件吊具將下部支承組件吊出反應(yīng)堆，放至水下專用存放架上進(jìn)行退役處理。本為針對M310堆型的下部支承組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)原則

（1）下部支承組件吊具的結(jié)構(gòu)應(yīng)安全可靠，不得對反應(yīng)堆堆內(nèi)環(huán)境造成污染；

（2）下部支承組件吊具的設(shè)計(jì)應(yīng)貫徹結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、維修可達(dá)性高的原則；

（3）重要零部件應(yīng)進(jìn)行計(jì)算與校核；

（4）采用貫徹標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則。

2 設(shè)計(jì)輸入

（1）下部支承組件法蘭外徑 Ф1700mm；

（2）下部支承筒體外徑 Ф1600mm；

（3）下部支承法蘭厚度 60mm；

（4）下部支承組件法蘭定位孔位置 67°、187°、307°；

（5）下部支承組件最大重量 3.5t。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)方案

由于支承組件法蘭定位孔均勻地分布在67°、187°、307°的圓周上，與之相對應(yīng)的吊鉤組件也應(yīng)該均勻布置在圓周方向上；由于支承組件三個導(dǎo)向鍵也均勻布置在圓周上，所以支承組件吊具上導(dǎo)向組件應(yīng)與之匹配均布在圓周上?；谏鲜鰲l件確定吊具的基本結(jié)構(gòu)形式為截面為圓環(huán)的立式結(jié)構(gòu)。

3.2 材料選擇

考慮到反應(yīng)堆的特殊性，下部支承組件吊具整體采用不銹鋼，主體材料為06Cr19Ni10，承力材料05Cr17Ni4Cu4Nb，緊固件材料主要采用12Cr13。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下部支承組件吊具主要由框架組件、吊裝組件、導(dǎo)向組件、定位銷組件、吊鉤組件等部分組成。

（1）框架組件

框架組件由上層支架、立柱、中心支撐架、上層連接環(huán)、中層連接環(huán)、下層連接環(huán)共同連接成一個圓柱狀框架結(jié)構(gòu)，作為吊具的承力主體。

（2）吊裝組件

吊裝組件由加長吊桿、吊環(huán)、吊環(huán)連接塊、U形連接件、上鎖緊環(huán)、下鎖緊環(huán)、吊桿等組成。吊桿上下兩端分別為M48×4的左旋、右旋螺紋，通過旋轉(zhuǎn)吊桿可以調(diào)節(jié)連接長度，從而對吊具的水平度進(jìn)行調(diào)整。加長吊桿下端通過加長桿連接銷與吊環(huán)連接，上端則與電子秤連接。

（3）導(dǎo)向組件

導(dǎo)向組件由多組傾角和前后位置可微量調(diào)整的導(dǎo)向鍵槽組成，安裝在框架組件的上層連接環(huán)和中層連接環(huán)上。

（4）定位銷

定位銷安裝在吊具下層連接環(huán)上，定位銷共3組，分別分布于圓周上67°、187°、307°的三個方向。當(dāng)?shù)蹙呦陆抵料虏恐С薪M件法蘭面上時(shí)，定位銷插入支承法蘭面上的預(yù)留孔內(nèi)定位，確保整個吊具在下部支承組件法蘭上準(zhǔn)確的就位。

（5）吊鉤組件

三組吊鉤組件分別安裝在3個立柱的下端，吊鉤后端安裝有帶滑動長條孔的推動機(jī)構(gòu)，由氣缸驅(qū)動該推動機(jī)構(gòu)，推動鉤爪伸出或收回，實(shí)現(xiàn)對下部支承組件法蘭底面的鉤取和釋放操作。鎖緊機(jī)構(gòu)安裝在吊鉤組件側(cè)面，由一個鎖緊氣缸和行程開關(guān)組成，當(dāng)?shù)蹉^處于抓取位置時(shí)，氣缸帶動鎖緊銷穿過立柱的側(cè)壁插入鉤爪上的定位孔，將其鎖死，防止出現(xiàn)意外脫鉤。

5 計(jì)算與校核

對吊具整體進(jìn)行分析，確定關(guān)鍵零部件后分別對其進(jìn)行計(jì)算校核范圍包括：吊環(huán)、吊環(huán)連接塊、吊桿、U形連接件、U形連接件銷子、吊鉤。

（1）吊環(huán)

吊環(huán)材料為05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本許用應(yīng)力[σ]為：

吊環(huán)承受吊具和支承重力的作用，與加長吊桿連接銷連接處最大拉力F為46412.8N，吊環(huán)下端通過M90×4的螺紋與吊環(huán)連接塊進(jìn)行連接，經(jīng)分析，其應(yīng)力圖1所示。

經(jīng)計(jì)算分析，吊環(huán)最大應(yīng)力為73.6MPa，安全系數(shù)：

因此，滿足安全要求。

（2）吊環(huán)連接塊

吊環(huán)連接塊材料為05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本許用應(yīng)力[σ]為：

吊環(huán)連接塊承受吊具和支承重力的作用，與U型連接件連接處最大拉力F為15470.9N，共3處均布。吊環(huán)連接塊上端通過M90×4的螺紋與吊環(huán)連接，經(jīng)分析，其應(yīng)力如圖2所示。

圖2 吊環(huán)連接塊應(yīng)力圖

經(jīng)計(jì)算分析，吊環(huán)最大應(yīng)力為16.5MPa，安全系數(shù)：

因此，滿足安全要求。

（3）吊桿

吊桿材料為05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本許用應(yīng)力[σ]為：

吊桿受兩端螺紋拉力作用，3個吊桿每個受力為F/3，F(xiàn)為吊具和支承總重量46412.8N，其最大應(yīng)力為：

其中A為吊桿截面積。

經(jīng)計(jì)算吊桿最大應(yīng)力8.55MPa，安全系數(shù)：

因此，滿足安全要求。

（4）U形連接件

U形連接件材料為05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本許用應(yīng)力[σ]為：

U形連接件通過M48×4螺紋與吊桿連接，通過U形連接件連接銷與框架組件連接，受力為F/3，F(xiàn)為吊具和支承總重量46412.8N。其應(yīng)力圖如圖3所示。

經(jīng)計(jì)算，U形連接件最大應(yīng)力為18.6MPa，安全系數(shù)：

因此，滿足安全要求。

（5）U形連接件銷子

U形連接件銷子受到的力為F/3，F(xiàn)為吊具和下部支承組件的重力46412.8N。受力如圖4所示。

U形連接件銷子材料為05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本許用應(yīng)力[σ]為：

其中A為U形連接件銷子截面積，l為最大擠壓面長度。

根據(jù)計(jì)算，U形連接件銷子剪切應(yīng)力為4.65MPa，安全系數(shù)：

最大擠壓應(yīng)力為7.16MPa，安全系數(shù)：

因此，滿足安全要求。

（6）吊鉤

（上接第11頁）吊鉤材料為05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本許用應(yīng)力[σ]為：

吊鉤同樣承受下部支承組件的重力F，3個吊鉤均布，理論上每組吊鉤受力為F/3，下部支承組件重量3045kg，F(xiàn)為29841N。經(jīng)分析，吊鉤應(yīng)力如圖5所示。

根據(jù)計(jì)算，吊鉤最大應(yīng)力為119.69MPa，安全系數(shù)：

因此，滿足安全要求。

6 結(jié)論

本文針對核電站M310反應(yīng)堆堆型的特殊性，充分考慮下部支承組件的使用工況，設(shè)計(jì)了一套下部支承組件的吊裝工具，并對該下部支承組件吊具的各主要承力部件進(jìn)行了詳細(xì)的受力分析與校核，結(jié)果證明該套吊具滿足功能要求和環(huán)境要求；該套工具已成功在核電站檢修過程中投入使用并取得良好效果。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]