浮動(dòng)堆旁靠吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)研究

符壯志　鄭亞雄　梁雙令

摘? 要：浮動(dòng)堆長(zhǎng)期駐泊于海上，運(yùn)行期內(nèi)的乏燃料、放射性廢物均需要吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)至運(yùn)輸船。在運(yùn)輸船上布置容器格柵，在吊裝輔助漏斗校正下，使得吊裝容器可以直接放入運(yùn)輸船的格柵中。在海洋環(huán)境下轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，浮動(dòng)堆平臺(tái)和運(yùn)輸船處于旁靠系泊狀態(tài)，兩船和吊物均會(huì)發(fā)生不同步但相互耦合的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。文章對(duì)浮動(dòng)堆平臺(tái)、吊機(jī)、運(yùn)輸船進(jìn)行建模，采用勢(shì)流理論進(jìn)行耦合分析，預(yù)報(bào)在海洋環(huán)境下三者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，分析輔助漏斗設(shè)置的可行性。

關(guān)鍵詞：浮動(dòng)堆;旁靠系泊;吊裝轉(zhuǎn)運(yùn);海洋環(huán)境

中圖分類號(hào)：TL411? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）07-0054-03

Abstract： The floating nuclear platform is moored at sea for a long term. During operation period， the spent fuel and radioactive waste should be lifted and transported to the carrier. The container grille is arranged on the transport ship， and the hoisting container can be put directly into the grille of the transport ship under the correction of the auxiliary funnel. Transport in the marine environment， floating nuclear platform and transport ship in near the mooring state， two ships and hanging are not synchronous but coupled irregular movement. The paper builds models for floating nuclear platform， crane， carrier， and use the potential flow theory of coupling analysis， to forecast the relative motion in the marine environment and feasibility analysis of auxiliary funnel.

Keywords： floating nuclear platform; alongside mooring; hoisting and transportation; marine environment

浮動(dòng)堆在運(yùn)行期間需要對(duì)核燃料進(jìn)行更換，由運(yùn)輸船負(fù)責(zé)新燃料補(bǔ)給，以及乏燃料和放射廢物的外輸。放射性物質(zhì)均放置于可靠的壓力容器，可以承受比較大的沖擊。在海洋環(huán)境下，壓力容器雖不存在碰撞沖擊引起的風(fēng)險(xiǎn)，但存在由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的放置不穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此在運(yùn)輸船上布置格柵，使容器可以在格柵內(nèi)限制運(yùn)動(dòng)。但同時(shí)，格柵也為容器的吊裝放置提高了操作難度，需要設(shè)置對(duì)容器的限位裝置。本文采用輔助漏斗作為限位的輔助裝置，以確保容器可以順利放入格柵內(nèi)。

1 浮動(dòng)堆海上吊運(yùn)特點(diǎn)

浮動(dòng)堆海上吊運(yùn)具有如下的特點(diǎn)：

（1）平臺(tái)與運(yùn)輸船噸位差別大，平臺(tái)遮蔽效應(yīng)明顯。

（2）放射性物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)要求高，不允許出現(xiàn)傾倒和翻滾。

（3）放射性物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，人因干預(yù)少。

（4）補(bǔ)給和外輸物資多，操作暴露期長(zhǎng)。

在HAD401-01-1990《核電廠放射性排出流和廢物管理》中關(guān)于廢物廠外運(yùn)輸提出如下原則[1]：

（1）確保必要的安全等級(jí)，使運(yùn)輸受到最小的特殊限制。

（2）安全措施必須適合于運(yùn)輸物質(zhì)的潛在危險(xiǎn)性。

因此在浮動(dòng)堆海上吊運(yùn)過(guò)程中，必須保證吊運(yùn)的放射性物質(zhì)的安全，避免出現(xiàn)劇烈碰撞。

在放射性物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，需進(jìn)行運(yùn)輸環(huán)境分析，其目的是定量地確定在運(yùn)輸事故中，所運(yùn)輸?shù)呢洶谑鹿蔬^(guò)程中與周圍環(huán)境之間的相互作用的嚴(yán)重程度。事故環(huán)境包括五種情況，即火燒、撞擊、擠壓、貫穿和浸沒(méi)。在海上吊運(yùn)中，需要嚴(yán)格控制容器與運(yùn)輸船之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使不發(fā)生劇烈的碰撞，以及因翻滾導(dǎo)致的落入大海而浸沒(méi)的事故情況。

2 吊裝計(jì)算模型

2.1 主尺度參數(shù)

海洋核動(dòng)力平臺(tái)和運(yùn)輸船主尺度參數(shù)如表1所示。

表1中CG_x指重心縱向位置，CG_z指重心垂向位置。浮動(dòng)堆平臺(tái)和運(yùn)輸船的初始舷邊間距為2.5m，兩船重心縱向位置相距16.94m。

2.2 設(shè)備參數(shù)

吊車位于平臺(tái)22.5m層甲板，距中縱面13m。吊機(jī)高度4.7m，吊臂長(zhǎng)度15m。

平臺(tái)與運(yùn)輸船旁靠系泊作業(yè)中，采用8條纜繩，艏尾各3條平行布置，船中2條交叉布置。在總體坐標(biāo)系中，纜繩在平臺(tái)和運(yùn)輸船上的系泊點(diǎn)如表2所示。

在平臺(tái)左舷設(shè)有四個(gè)靠球，總體坐標(biāo)系下，運(yùn)輸船旁靠靠球初始球心分別為（73.72，14.50，8.10）m，（83.72，14.50，8.10）m，（109.68，14.50，8.10）m，（119.68，14.50，8.10）m。

轉(zhuǎn)運(yùn)容器包括乏燃料容器、放射性廢物容器和新燃料容器， 不同容器尺寸大小有所區(qū)別。

2.3 環(huán)境參數(shù)

放射性轉(zhuǎn)運(yùn)具有計(jì)劃性，在制定計(jì)劃時(shí)會(huì)結(jié)合氣象預(yù)報(bào)，選擇海洋環(huán)境較溫和的時(shí)間開(kāi)展。以渤海為例，海況常年在3級(jí)及以下。因此選用3級(jí)海況作為轉(zhuǎn)運(yùn)工作工況，具體風(fēng)浪流參數(shù)如表3所示。

其中風(fēng)浪流方向規(guī)定與總體坐標(biāo)系x軸逆時(shí)針夾角為正，順時(shí)針為負(fù)。在分析時(shí)，主要考慮風(fēng)生浪和風(fēng)生流，即風(fēng)浪流同向，如圖1所示。

3 結(jié)果分析

平臺(tái)與轉(zhuǎn)運(yùn)船吊裝燃料容器示意圖如圖2所示。

3.1 平臺(tái)和運(yùn)輸船耦合運(yùn)動(dòng)

在3級(jí)海況條件下，平臺(tái)和運(yùn)輸船在平衡位置處的橫搖、縱搖和垂蕩耦合運(yùn)動(dòng)的最大值如表4所示。

3.2 容器和運(yùn)輸船相對(duì)運(yùn)動(dòng)

3.2.1 相對(duì)平動(dòng)位移

相對(duì)平動(dòng)位移主要分析燃料容器質(zhì)心點(diǎn)與其靜止?fàn)顟B(tài)在轉(zhuǎn)運(yùn)船甲板上的投影點(diǎn)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為避免相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起碰撞，假設(shè)燃料容器與運(yùn)輸船甲板在靜止時(shí)垂直距離1.0m。在方向組合下，燃料容器與甲板上垂直對(duì)應(yīng)點(diǎn)在x和y方向上的相對(duì)位移如圖3所示。

由圖3可知，x方向平均相對(duì)位移為-0.005m，最大相對(duì)位移為1.6m;y方向平均相對(duì)位移為-2.6m，最大相對(duì)位移為3.8m。

燃料容器與甲板上垂直對(duì)應(yīng)點(diǎn)在z方向上的相對(duì)位移如圖4所示。其中，當(dāng)z>0時(shí)，表示燃料容器處于甲板上面;當(dāng)z<0時(shí)，表示燃料容器與甲板已經(jīng)發(fā)生碰撞。

3.2.2 相對(duì)速度

相對(duì)速度分量主要分析燃料容器底部型心點(diǎn)與其靜止?fàn)顟B(tài)在轉(zhuǎn)運(yùn)船甲板上的投影點(diǎn)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為使燃料容器與運(yùn)輸船甲板接近發(fā)生碰撞的條件，假設(shè)燃料容器與運(yùn)輸船甲板在靜止時(shí)相距0.1m。在總體坐標(biāo)系中，燃料容器與運(yùn)輸船甲板上垂直對(duì)應(yīng)點(diǎn)在兩者碰撞前一時(shí)刻各自的速度分量最大值如表5所示。

4 輔助漏斗設(shè)計(jì)

4.1 漏斗設(shè)計(jì)主要參數(shù)

根據(jù)容器與運(yùn)輸船甲板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，漏斗適合設(shè)計(jì)成偏心橢圓形。其中橢圓形的長(zhǎng)軸長(zhǎng)3.1m，短軸長(zhǎng)2.3m，焦點(diǎn)距離2.1m，離心率0.68。漏斗頸部中心在長(zhǎng)軸上，距一端1m處。漏斗高度為3m。

4.2 漏斗適用性分析

漏斗與格柵相連接，可以起到容器輔助放入的功能，使容器在放入過(guò)程中，避免受外界擾動(dòng)，出現(xiàn)傾倒和劇烈碰撞。漏斗的輔助功能，提高了吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)的安全性和可靠性。

漏斗在實(shí)際應(yīng)用中，由于需要同格柵頻繁的插拔，降低了漏斗的工作效率。由于運(yùn)輸船格柵附近不宜布置吊機(jī)等高聳設(shè)備，因此只能從格柵的設(shè)計(jì)考慮如何實(shí)現(xiàn)漏斗移動(dòng)的自動(dòng)化。

5 結(jié)論

本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，分析浮動(dòng)堆平臺(tái)和運(yùn)輸船旁靠吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)放射性物質(zhì)時(shí)，平臺(tái)、運(yùn)輸船和吊物的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)吊物和運(yùn)輸船甲板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，提出漏斗型輔助工具以及基本參數(shù)，保證容器平穩(wěn)可靠的放置于運(yùn)輸船，得出結(jié)論如下：

（1）浮動(dòng)堆平臺(tái)與運(yùn)輸船旁靠系泊情況下，由于船體尺度差異，相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值較大。吊裝燃料容器時(shí)，與運(yùn)輸船甲板相對(duì)運(yùn)動(dòng)范圍較大，必須設(shè)置輔助限位設(shè)施保證精確到位。

（2）根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，燃料容器在甲板面的投影為近似橢圓形，因此在設(shè)計(jì)限位輔助漏斗時(shí)，為達(dá)到限位效果及減輕碰撞，開(kāi)口處應(yīng)設(shè)計(jì)為偏心橢圓形。

（3）實(shí)際吊裝過(guò)程中，物件數(shù)目較多，為提高轉(zhuǎn)運(yùn)效率，還應(yīng)在輔助漏斗與格柵的換裝自動(dòng)化中進(jìn)一步開(kāi)展工作。

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