核電專用蒸發(fā)器翻身設(shè)備研制

李開添 邱振艷

(中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201900)

核電專用蒸發(fā)器翻身設(shè)備研制

李開添 邱振艷

(中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201900)

核電專用翻身設(shè)備主要在核電蒸發(fā)容器制造過(guò)程中進(jìn)行必須的工位變化，即由直立狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)或由水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到直立狀態(tài)時(shí)應(yīng)用，現(xiàn)對(duì)該設(shè)備的研制進(jìn)行具體分析。

核電；蒸發(fā)器；翻身；研制

1 設(shè)備功能概述

本設(shè)備是核電蒸發(fā)容器制造過(guò)程中的翻身設(shè)備，主要用于蒸發(fā)器上筒體組件和管束組件的翻身，同時(shí)兼顧其他產(chǎn)品的單節(jié)筒體或筒體組件的翻身，動(dòng)力按最大承受傾翻力矩300 t·m設(shè)計(jì)。

需要翻身的蒸發(fā)容器技術(shù)參數(shù)如下：

1.1 AP1000產(chǎn)品

上部組件的直徑5 334 mm、高度7 794 mm、重量229.8 t，下部組件的直徑4 487 mm、高度12 393 mm、重量195 t。

1.2 EPR產(chǎn)品

上部組件的直徑5 170 mm、高度8 800 mm、重量217 t，下部組件的直徑3 800 mm、高度11 800 mm、重量194.3 t。

1.3 CNP1000產(chǎn)品

上部組件的直徑4 435 mm、高度7 473 mm、重量105.6 t，下部組件的直徑3 434 mm、高度12 434 mm、重量142.4 t。

2 設(shè)備研制方案

該翻身裝置按用戶要求應(yīng)能承受300 t·m力矩，總承載能力按300 t設(shè)計(jì)，當(dāng)需要進(jìn)行大工件翻轉(zhuǎn)時(shí)，可以脫開動(dòng)力裝置，用行車翻身。

根據(jù)初始條件要求該裝置要承受300 t·m力矩，在豎直位置時(shí)油缸產(chǎn)生的力矩是最小的，初選油缸的行程為4 000 mm，工作壓力選為16 MPa，在此油壓下兩個(gè)油缸產(chǎn)生的推力可達(dá)204 t，此時(shí)的輸出力矩為344 t·m，在水平位置時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算油缸的輸出力矩能夠達(dá)到816 t·m，均大于300 t·m。

以AP1000下部組件為例介紹整個(gè)裝置翻身過(guò)程。最大外徑4 487 mm，高度12 393 mm，重量195 t。當(dāng)AP1000下部組件在豎直位置時(shí)，產(chǎn)生的力矩為223 t·m，小于此時(shí)油缸產(chǎn)生的拉力矩344 t·m，可以滿足由豎起位置到水平位置的翻轉(zhuǎn)，但在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由于工件重心位置的不斷改變，產(chǎn)生的力矩增加得非?？?，當(dāng)AP1000下部組件在水平位置時(shí)，力矩達(dá)到了1 385 t·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此時(shí)油缸能產(chǎn)生的最大力矩816 t·m，不能實(shí)現(xiàn)工件從水平位置到豎起位置的翻轉(zhuǎn)。因此，此類工件還是要依靠行車來(lái)輔助翻身過(guò)程。

3 設(shè)備的組成

設(shè)備應(yīng)由以下部分組成：

(1) 底部基礎(chǔ)部分：本部分構(gòu)成底部承載基礎(chǔ)。

(2) 設(shè)備主體部分：本蒸發(fā)器翻身裝置主要由L型翻轉(zhuǎn)架、基座、V型座(兩個(gè)V型座之間距離可調(diào)、與L型翻轉(zhuǎn)架配套)、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。

(3) 設(shè)備輔助部分：由控制系統(tǒng)(液壓控制、電氣控制)組成。

(4) 設(shè)備的附屬部分：使本設(shè)備安全、平穩(wěn)運(yùn)行所必需的配套件。

3.1 基座

基座由鋼板焊接而成，焊接完成后整體去應(yīng)力熱處理，并對(duì)油缸支座部分進(jìn)行機(jī)械加工，確保連接面的平面度。

3.2 L型架及軸系設(shè)計(jì)

L形翻轉(zhuǎn)架是一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)件，由固定軸與基架鉸接在一起。

3.2.1 L型架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

3.2.1.1 狀態(tài)一：工件豎直時(shí)工況

(1) 工件最大重量3 000 kN，因此截面到支點(diǎn)的距離l=1.5 m，最大彎矩設(shè)計(jì)值Mmax=7 560 kN·m，剪力設(shè)計(jì)值Vmax=5 040 kN。

此彎矩由兩個(gè)箱體梁共同來(lái)承擔(dān)，所以每個(gè)箱體梁所承受的彎矩和剪力的設(shè)計(jì)值為：M=Mmax/2=3 780 kN·m，V=Vmax/2=2 520 kN。

控制截面梁：Ix=15.49×1010mm4；S=9.22×107mm2；σmax=24.16 MPa<265 MPa；τ=18.75 MPa<120 MPa。

3.2.1.2 狀態(tài)二：工件平放時(shí)工況

Mmax=44 604 kN·m；Vmax=5 040 kN；M=Mmax/2=22 302 kN·m；V=Vmax/2=2 520 kN。

截面核算：Ix=6.13×1010mm4；Sx=5.33×107mm2；σmax=243.74 MPa<265 MPa；τ=27.39 MPa<180 MPa。

3.2.2 軸類零件的選材及強(qiáng)度、剛度計(jì)算

所有軸的材料為45鋼，經(jīng)處理后的機(jī)械性能為：σb=665 MPa，σs=345 MPa。

取安全系數(shù)n=4，則軸(1)能承受的最大應(yīng)力為：[σw]=86.25 MPa。

初步設(shè)計(jì)中各軸軸徑如下：軸(1)為L(zhǎng)型架的固定旋轉(zhuǎn)軸，d1=320 mm；軸(2)為油缸耳環(huán)和L型架的鉸接軸，d2=200 mm；軸(3)為油缸和油缸支架的鉸接軸，d3=140 mm。

3.2.2.1 軸(1)的分析計(jì)算

由設(shè)計(jì)說(shuō)明書可知，靜止時(shí)L型架承受的最大重量為300 t，加上L型架本身的重量(按60 t計(jì)算)，此時(shí)，軸(1)主要承受工件和L型架重力(360 t)產(chǎn)生的剪力。

方案中軸(1)位置有兩根軸，因此每根軸承受180 t的重量產(chǎn)生的剪力。軸(1)的詳細(xì)受力分析：G=1.8×106N；q=4.5×106N/m；F為支座反力，根據(jù)力的平衡，F(xiàn)=1.8×106N。易知截面所受彎矩最大，即：

計(jì)算得到：Mmax=1.44×105N·m。

3.2.2.2 軸(2)的分析計(jì)算

軸(2)是油缸耳環(huán)和L型架的鉸接軸，主要承受來(lái)自油缸的推力，油缸的最大推力為：

軸(2)所受的最大彎矩依然為A—A截面所受的彎矩：

軸總長(zhǎng)l=0.18m；均布載荷q=4 267 000N/m；彈性模量E=200GPa；截面的軸慣性矩I=0.000 078 5m4；局部尺寸c=0.12m；計(jì)算得到最危險(xiǎn)截面的力矩為Mmax=1.54×104N·m。

按照直徑d2=200mm計(jì)算，該軸所受的最大截面應(yīng)力為：σw=19.6MPa<86.25MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.2.3 軸(3)的分析計(jì)算

在軸(2)的校核中，危險(xiǎn)截面的應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，但是考慮到它還要承受來(lái)自L型架的作用力，所以把直徑做到200mm。軸(3)與軸(2)的受力簡(jiǎn)圖完全相同，所受力也可以認(rèn)為完全相同，下面校核d3=140mm能否滿足油缸最大推力的要求。

Fmax=5.12×105N

按照直徑d3=140 mm計(jì)算，該軸所受的最大截面應(yīng)力為：σw=56.84 MPa<86.25 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)設(shè)備由液壓站、閥臺(tái)以及閥臺(tái)至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的所有附件等組成。液壓站布置在兩個(gè)基座中間，采用液壓站集中供油。液壓站設(shè)兩組油泵，其中一組為備用泵，即一用一備。

在設(shè)備旁邊設(shè)一個(gè)閥臺(tái)，由該液壓站負(fù)責(zé)向此閥臺(tái)供油，電磁換向閥、液控單向閥、電磁溢流閥及恒壓變量泵等采用REXROTH品牌元件。

液壓介質(zhì)：長(zhǎng)城牌46#抗磨液壓油；介質(zhì)清潔度：NAS1638 7級(jí)。

液壓缸運(yùn)行時(shí)保證工件平穩(wěn)、勻速翻轉(zhuǎn)，并符合翻轉(zhuǎn)速度小于10°/min的要求(無(wú)級(jí)可調(diào))，雙液壓缸同步驅(qū)動(dòng)，并具有急停功能(液壓系統(tǒng)故障及其他需要時(shí)，可自鎖并無(wú)沖擊)。由直立到水平或由水平到直立的狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，系統(tǒng)操作能滿足上述要求。運(yùn)行速度除標(biāo)定的10°/min以外，能適當(dāng)調(diào)節(jié)，范圍在5°～20°/min之間。

(1) 液壓站：液壓站布置在設(shè)備基座中間位置，以減少設(shè)備占用廠房空間。液壓站選用兩臺(tái)泵，一備一用。

(2) 液壓閥臺(tái)：根據(jù)液壓缸布置情況，在設(shè)備旁邊設(shè)一個(gè)液壓閥臺(tái)向各個(gè)液壓缸供油。

3.4 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由電源柜、控制柜以及操作臺(tái)等組成。重要電氣元件采用施耐德品牌，PLC控制采用西門子品牌產(chǎn)品。

設(shè)備運(yùn)行可以在電氣操作臺(tái)上操作，同時(shí)，在設(shè)備兩側(cè)增加拖線式簡(jiǎn)易操作盒的快速接口。

動(dòng)力電源為AC380 V±10%(三相五線制)，操作臺(tái)設(shè)在機(jī)旁，并在能觀察到翻身裝置運(yùn)行的合適位置上?？刂葡到y(tǒng)能實(shí)現(xiàn)啟(閉)液壓站，L型翻轉(zhuǎn)架的直立和水平轉(zhuǎn)換運(yùn)行，中途停止、自鎖及中途轉(zhuǎn)換運(yùn)行方向，急停，終點(diǎn)的自動(dòng)停止等功能，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

核電專用蒸發(fā)器翻身設(shè)備的成功開發(fā)，有效地實(shí)現(xiàn)了核電設(shè)備制造行業(yè)中蒸發(fā)容器翻身工序的自動(dòng)化，大大降低了生產(chǎn)廠家的成本，保證了翻身的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)無(wú)核電專用蒸發(fā)器翻身設(shè)備的空白，其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益不可低估。

2014-06-19

李開添(1974—)，男，福建武平人，高級(jí)工程師，研究方向：工業(yè)特種設(shè)備開發(fā)與研究。