核電汽輪機(jī)高中壓缸350 噸通用起吊橫梁的改制特點(diǎn)及使用方法

謝龍飛， 劉祥， 吳攀， 卞文， 張斌， 羅霞

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000 )

0 引言

就目前而言, 核電汽輪機(jī)大型零部件、 組合件的起吊索具及起吊方式在技術(shù)、 安全、 效率等方面存在不少問題, 行業(yè)和電廠差不多也是這種情況。 滿足起吊精度、 保證吊具和起吊方法的基本要求下, 利用核電汽輪機(jī)、 燃機(jī)庫存撐筋、 型材料頭, 把205 t 閑置、 禁用橫梁改制成1 套額定載荷350 t、 通用、 具有撐吊復(fù)合特點(diǎn)的多功能起吊橫梁。 吊梁上掛繩長度按定長配備,下掛繩長度、吊點(diǎn)位置可調(diào)。 不僅滿足核電汽輪機(jī)高中壓缸上下半單缸的起吊, 也滿足上下半合缸后的起吊,同時還可用于轉(zhuǎn)子及其他靜子零部件、 大噸位組合件的吊運(yùn)。

1 現(xiàn)存起吊方式及存在的主要問題

1.1 引進(jìn)型HD1755A 高中壓缸上下半平吊情況

圖1 為H1-990T01400 高中壓汽缸起吊設(shè)備,額定載荷205 t, 工字梁結(jié)構(gòu)。 上掛繩的4 個吊點(diǎn)在梁中心線上, 繩子活掛在軸銷R35 淺圓弧槽內(nèi),吊繩為繩圈結(jié)構(gòu), 繞掛在吊鉤上； 下掛繩繞掛在梁背部滑塊的2 個R40 定位槽中, 吊繩為直繩結(jié)構(gòu), 直繩兩端的繩套與葫蘆的掛鉤、 卸扣相連,形成繩圈結(jié)構(gòu)。 上下掛繩吊點(diǎn)在垂直方向相距995 mm, 起吊中實(shí)際情況是梁在垂直（重力）方向始終有一定傾斜量, 晃動過大時, 存在側(cè)翻隱患。 汽缸并非完全對稱、 毛坯制造誤差又往往偏大, 故工件實(shí)物重心在垂直方向始終落在汽缸軸向中心線以外, 下掛繩左右吊點(diǎn)受力大小不相等, 形成周向滑動外力, 全靠下掛繩與滑塊相接觸的摩擦力來阻止繩子的周向滑動, 繩子為浸油繩, 摩擦力很小, 汽缸調(diào)水平時, 存在側(cè)翻隱患。 缸自身的傾斜也會增大垂直方向工件的重心相對于汽缸軸向中心線的距離, 同樣形成下掛繩周向滑動外力, 進(jìn)一步增加了汽缸側(cè)翻的可能。 特別是下半汽缸在實(shí)缸狀態(tài)扣合上半的時, 一旦出現(xiàn)下半缸內(nèi)的某個工件頂撞上半的異常情況, 上半汽缸出現(xiàn)滑落的可能性幾乎無法避免, 帶來重大安全、質(zhì)量事故。 更危險(xiǎn)的隱患是, 滑塊在梁上的固定全靠兩顆M20 的小螺栓側(cè)壓實(shí)現(xiàn), 力量太小, 滑塊在梁上實(shí)為沒定位, 一旦吊梁軸向水平傾角大于鋼對鋼約6°左右的摩擦角, 外加工件的起落、晃動等因素, 滑塊串動將無法避免并引發(fā)工件滑落, 這種定位方式的吊梁在吊運(yùn)毛坯轉(zhuǎn)子時曾發(fā)生過轉(zhuǎn)子滑落事故, 吊梁已閑置、 禁用。

圖1 HD1755A 高中壓缸上半蓋缸圖

1.2 引進(jìn)型HD1080A/HD1120A 高中壓缸上半平吊情況

圖2 所示為HD1080A/HD1120A 高中壓缸上下半的平吊方式, 看似簡潔, 但同樣存在問題：（1）4 根吊繩夾角偏大, 特別是2 個50 t 的葫蘆所承受拉力已接近額定載荷, 汽缸調(diào)平時容易出現(xiàn)瞬時超載現(xiàn)象, 有一定安全風(fēng)險(xiǎn)； （2）只用2 個葫蘆來調(diào)平汽缸其精度有限, 經(jīng)常發(fā)生汽缸下半實(shí)缸狀態(tài)扣合上半過程中隔板與汽缸的配合面拉傷。

圖2 HD1080A/HD1120A 高中壓缸上半平吊圖

1.3 自主型HD1520A 高中壓缸上下半平吊情況

圖3 所示的吊點(diǎn)和上掛繩套繩方式均較合理,但下掛繩存在不足和汽缸調(diào)平過程中的隱患依然與引進(jìn)型HD1755A 高中壓缸平吊相近。

圖3 HD1520A 高中壓缸上下半平吊圖

2 吊梁改制

分析當(dāng)前和后續(xù)產(chǎn)品制造過程中的起吊特點(diǎn)及要求, 總體考慮是將原橫梁改制設(shè)計(jì)成尺寸、噸位合理, 功能多, 通用性好的起吊橫梁。

2.1 備料

（1）梁本體： H1-990T01400 高中壓汽缸起吊設(shè)備橫梁, 焊接件, 材料Q345-B；

（2）橫向吊軸, 撐腳, 工藝吊耳： 核電汽輪機(jī)庫存件, 材料Q345-B；

（3）縱向吊軸： 燃機(jī)庫存件, 材料25#鋼；

（4）縱向支承軸： 核電汽輪機(jī)庫存件, 材料15CrMoA；

（5）筋板, 撐筋, 支撐隔筋, 護(hù)管, 擋管, 吊帶護(hù)角, 擋軸, H 鋼： 型材料頭, 材料Q235-B；

（6）熔焊金屬,焊絲：AWS ER70S-6 φ1.2,800 kg。

2.2 吊梁的就料設(shè)計(jì)及安全系數(shù)的校核

根據(jù)廠房高度和承重, 吊車噸位和吊鉤尺寸,工件重量、 幾何形狀和尺寸, 選定梁的額定載荷為350 t； 為減小梁的彎曲應(yīng)力, 上下掛繩的吊點(diǎn)按重合方式設(shè)計(jì), 梁的總體受力特點(diǎn)與撐梁接近。上掛繩吊點(diǎn)比下掛繩低, 分別比橫向吊軸、 縱向吊軸、 附件軸低448 mm、 599 mm、 644 mm, 有利于工件的起吊高度。 下掛繩4 個吊點(diǎn)的位置、范圍與核電汽輪機(jī)高中壓缸的4 個吊耳相對應(yīng),梁的總體結(jié)構(gòu)形式實(shí)為通用撐、 吊復(fù)合梁, 吊點(diǎn)無棱角, 鋼絲繩和吊帶均可, 能滿足核電汽輪機(jī)各機(jī)型大件的吊運(yùn)要求, 同時滿足核電、 燃機(jī)、火電靜子和轉(zhuǎn)子零部件以及各種組合件的吊運(yùn)。梁的詳盡結(jié)構(gòu)和吊點(diǎn)的具體位置見圖4, 上下掛繩夾角要求見圖5。

圖4 350 t 起吊橫梁改制圖

圖5 350 t 起吊橫梁上下掛繩夾角圖

考慮到工件起落時存在中度以下沖擊載荷,故動載荷系數(shù)按1.2 選取, 安全系數(shù)根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)按靜載荷≥3.6 或動載荷≥3 選定（本文按靜載荷n≥3.6 校核安全系數(shù)）, 由于是就料改制, 需分析、 計(jì)算并找出安全系數(shù)小于3.6 的部位加以完善。 由于上下掛繩吊點(diǎn)重合, 梁身受到的彎曲應(yīng)力、 軸向壓應(yīng)力相對于梁的結(jié)構(gòu)、 幾何尺寸來講很小, 其安全系數(shù)遠(yuǎn)超3.6。 吊梁兩端共8 根橫向吊軸同時分擔(dān)350 t 額定載荷和吊梁自重產(chǎn)生的剪、 彎應(yīng)力, 經(jīng)計(jì)算, 其安全系數(shù)遠(yuǎn)大于3.6。 計(jì)算極端載荷下, 縱向吊軸、 橫向吊軸端頭滿焊的擋軸和擋管的剪、 彎應(yīng)力, 安全系數(shù)也遠(yuǎn)大于3.6。

再分析計(jì)算縱向吊軸在極端載荷下的安全系數(shù), 中間段遠(yuǎn)大于3.6, 兩懸伸端偏小, 計(jì)算結(jié)果如下： 首先計(jì)算在額定載荷下吊點(diǎn)部位的最大理論載荷, 當(dāng)重量為350 t 的工件一頭掛縱向吊軸外側(cè)懸伸端, 另一頭掛縱向吊軸內(nèi)側(cè)懸伸端, 梁水平時, 縱向吊軸內(nèi)側(cè)懸伸端最大理論載荷P=350/2×5 100/（5 100+3 800）=100.281 t =982.753 kN,此值為Pmax； 縱向吊軸外側(cè)懸伸端最大理論載荷P=350÷4=87.5 t=857.5 kN。 第二步是計(jì)算吊點(diǎn)部位水平方向安全系數(shù), Mmax=Pmaxl=982.753×tan22.5°×0.161=65.538 3 kNm, Wz=πd3/32, σmax=Mmax/Wz=65.538 3×1000/（0.163π/32）=162.980 1 MPa, 25#鋼屈服強(qiáng)度σs≥275 MPa, 安全系數(shù)n=275/162.9801≈1.687。 有2 種完善方案可保證350 t 額定載荷下安全系數(shù)≥3.6： （1）將縱向吊軸兩懸伸端下掛繩橫向夾角0±45°收窄至0±21.5°, 安全系數(shù)即為3.68, 這樣處理簡單易行, 但梁的使用范圍略受影響； （2）當(dāng)縱向吊軸兩懸伸端下掛繩橫向夾角＞±21.5°～±45°時, 在縱向吊軸兩端頭加裝φ120雙弧面墊塊, 下掛繩吊點(diǎn)的懸伸長度l=161 mm 減小至76 mm, 見圖5, 此時縱向吊軸內(nèi)側(cè)懸伸端最大 理 論 載 荷P=350/2×5016.5/（5016.5+3883.5）=98.639 t =966.663 kN, 此值為Pmax, 用前面方法計(jì)算安全系數(shù), 其值為3.63。 這樣處理, 梁的使用范圍幾乎不受影響。 φ120 雙弧面墊塊和緊固件材料均選用35CrMoA。 通過比較分析, 將方案（2）作為首選并使用。 為確保吊梁使用安全, 避免誤用,八件φ120 雙弧面墊塊須一直裝在吊梁上, 有特殊起吊要求時可取下使用, 用后裝上。 至此, 梁的改制設(shè)計(jì)基本完成, 滿足使用要求。

2.3 吊梁附件軸的設(shè)計(jì)

為擴(kuò)展吊梁的使用范圍, 優(yōu)化吊梁的起吊性能,方便不同結(jié)構(gòu)繩索的直掛, 設(shè)計(jì)了附件軸組件,共四套,單套重量與50 t 葫蘆500 kg 的自重相當(dāng),當(dāng)用葫蘆起吊工件時,可作為沒葫蘆吊點(diǎn)的配重塊。如直接將下掛繩繞掛在縱向吊軸上使用, 在φ120雙弧面墊塊裝上情況下, 當(dāng)懸伸端重力方向吊重為966.663 kN 時, 水平方向會受到等同的彎曲外力, 經(jīng)計(jì)算, 安全系數(shù)約為1.14； 同樣, 當(dāng)中間部位達(dá)到350/2×5016.5/（5016.5+4357.5）=93.651 t=917.783 kN 類似吊重時, 水平方向同樣受到等同的彎曲外力, 經(jīng)計(jì)算, 安全系數(shù)約為1.21。 要保證安全系數(shù)≥3.6, 要么減小吊重, 要么改變受力部位結(jié)構(gòu)提高強(qiáng)度。 由于兩處計(jì)算部位安全系數(shù)都偏小, 選用降低吊重的技術(shù)措施無法滿足改制要求, 故選用增加附件軸組件的技術(shù)方案, 見圖4、 圖6。 吊梁裝上附件軸組件后, 下掛繩可采用繞掛方式, 見圖7。 附件軸材料42CrMoA, 屈服強(qiáng)度δs≥930 MPa, 其他各零件材料為35CrMoA,屈服強(qiáng)度δs≥835 MPa。 按簡支梁計(jì)算吊梁在水平狀態(tài)下, 承受350 t 的極端額定載荷時, 附件軸垂直方向受到彎曲應(yīng)力時的安全系數(shù), 中間部位大于4.04, 兩懸伸端大于4.22； 附件軸在水平方向與縱向吊軸為疊放壓緊狀態(tài), 彎曲外力雙軸承受,計(jì)算總彎曲應(yīng)力時可忽略。

圖6 吊梁附件軸組件圖結(jié)構(gòu)圖

圖7 改制梁裝附件軸兩葫蘆平吊HD1520A 高中壓缸上半

縱向吊軸與橫向吊軸正交部位的焊縫可能承受的最大剪切力為966.663 kN, 此處為滿焊熔透焊縫, 截面為≥160 mm×150 mm 的矩形, 焊材屈服強(qiáng)度與橫向吊軸的屈服強(qiáng)度δs≥315 MPa 相當(dāng),故取縱向吊軸的屈服強(qiáng)度δs≥275 MPa 校核此處的剪 切 安 全 系 數(shù)n, n=0.16×0.15×275×0.6×103/966.663≈4.09。 梁本體及附件軸的強(qiáng)度及安全系數(shù)均符合改制設(shè)計(jì)要求。

2.4 吊梁改制工藝流程及質(zhì)量控制

吊梁改制工序較多, 最重要的工序是焊接、探傷和熱處理。 其工藝流程為： 按橫向吊軸外圓實(shí)測尺寸照配加工安裝孔—按圖焊接—探傷消缺—整體去應(yīng)力回火—探傷消缺—油漆（主承力焊縫暫不油漆, 最后補(bǔ)漆）—起吊試驗(yàn)—試用—按使用要求完善—探傷消缺—再試用直至滿足使用要求—編寫使用說明文件—編寫重要及典型零部件起吊操作指導(dǎo)書。

3 吊梁的使用

吊繩、 葫蘆重量不計(jì), 吊梁自重27 t。 為保證使用安全, 八件φ120 雙弧面墊塊須一直裝在吊梁上, 有特殊起吊要求時可取下使用, 此時須注意縱向吊軸懸伸端下掛繩的吊重及夾角要求, 用后裝上。 另外, 凡下掛繩采用繞掛方式起吊工件,均須裝上附件軸組件和八件φ120 雙弧面墊塊, 裝附件軸時須先緊M20 側(cè)壓螺栓, 再緊M30 下拉螺栓。 下掛繩在附件軸上的繞掛位置要求在φ120 雙弧面墊塊之間, 掛點(diǎn)的尺寸范圍≤1 165 mm。 裝上附件軸后, 下掛繩可同時直掛在附件軸和縱向吊軸上, 這樣受力效果更好, 掛繩同樣方便。 當(dāng)用葫蘆起吊工件時,沒葫蘆的吊點(diǎn)還可裝上附件軸作為梁的配重塊。 一般情況下, 附件軸不會影響下掛繩的直掛, 故避免了反復(fù)裝拆附件軸的麻煩。

上掛繩長寬方向間距為8 900 mm 和1 280 mm, 吊點(diǎn)固定。 下掛繩長度方向間距為7 600～10 200 mm, 裝上φ120 雙圓弧定位塊后為7 767～10 033 mm； 寬度方向間距1 280～1 920 mm, 裝上附件軸組件后為1 280～2080 mm, 間距內(nèi)吊點(diǎn)可自由選擇。 由于下掛繩縱向、 橫向夾角范圍較大, 故工件可大可小。 為確保起吊安全, 工件起吊前, 注意先計(jì)算工件的實(shí)際重心、 吊點(diǎn)到重心的尺寸和吊繩夾角, 再選取吊繩在吊梁上的懸掛位置。 因工件存在制造誤差, 設(shè)計(jì)圖中給出的理論重心在起吊中可作為參考, 切忌盲目起吊。

3.1 吊梁上掛繩長度要求及掛法

為做到安全、 規(guī)范, 無論是用高強(qiáng)度繩圈還是環(huán)型吊帶, 4 根上掛繩折后長度均要求≥7.5 m,考慮到起吊高度要求, 核電高中壓缸的起吊選定7.5 m 的繩長。 有2 種掛法： （1）用4 根15 m 等長繩圈, 繩圈在鉤上的掛法可補(bǔ)償?shù)觞c(diǎn)的位置誤差和繩圈的等長誤差, 達(dá)到各繩圈受力均勻；（2）用2根15 m 等長繩圈子和一根30 m 繩圈。 長30 m 的繞掛在扁鉤的一個鉤槽, 另兩根15 m 的直掛在扁鉤的另一鉤槽, 梁的受力效果與對稱掛三個點(diǎn)相近。 2 種掛法上掛繩夾角均為87°, 符合改制設(shè)計(jì)要求的≤90°。 為減輕吊掛人員掛繩勞動強(qiáng)度, 吊繩的大小可根據(jù)工件重量加外吊梁自重選取, 吊點(diǎn)固定在吊梁的內(nèi)掛槽中。

3.2 吊梁下掛繩的4 種掛法

下掛繩的掛法需根據(jù)工件起吊要求選擇。 平吊核電汽輪機(jī)高中壓缸上下半時, 要求4 個吊點(diǎn)繩的折后長度7.5±0.5 m, 繩的額定載荷根據(jù)工件重量計(jì)算選取。 有4 種掛繩方法可選擇： （1）上掛繩與下掛繩掛點(diǎn)一致, 均同時繞掛吊梁的內(nèi)掛槽中； （2）套掛縱向吊軸中間段, 直掛兩懸伸端；（3）掛橫向吊軸單槽或雙槽； （4）裝上附件軸組件后直掛或繞掛。

3.3 核電高中壓缸的平吊方式

核電汽輪機(jī)高中壓缸在生產(chǎn)和電廠安裝過程中的平吊, 不同工序中分面的水平要求差異較大。下半實(shí)缸狀態(tài)扣合上半缸時的水平精度要求最高,一般為2～4 mm。 針對不同要求, 總結(jié)了3 種平吊方式： （1）缸的汽機(jī)側(cè)左、 右吊耳用50 t 的葫蘆懸掛, 電機(jī)側(cè)用34 m 長的繩圈對折繞掛, 汽缸的受力狀態(tài)與對稱掛3 個吊點(diǎn)相近, 梁不承受扭曲外力, 是最合理的平吊方式, 調(diào)平效率及精度理想。（2） 缸的四個吊耳單獨(dú)掛繩, 3 個點(diǎn)掛葫蘆, 一個點(diǎn)掛吊繩, 也可4 個點(diǎn)均掛葫蘆, 此方式汽缸的調(diào)平也較方便, 見圖8。 （3）缸的四個吊耳單獨(dú)掛繩, 汽機(jī)側(cè)左右吊點(diǎn)掛葫蘆, 電機(jī)側(cè)左右吊點(diǎn)單獨(dú)掛等長吊繩, 此方式缸的調(diào)平精度做到2～4 mm有時較困難, 見圖9。 3 種平吊方式最大優(yōu)點(diǎn)是汽缸可在懸空狀態(tài)直接精調(diào)水平。

圖8 改制梁三葫蘆平吊HD1520A 高中壓缸上半

圖9 改制梁兩葫蘆平吊HD1520A 高中壓缸上半

4 結(jié)論

350 t 通用起吊橫梁的就料改制和在核電汽輪機(jī)高中壓缸及轉(zhuǎn)子起吊中的成功應(yīng)用, 圓滿解決了公司目前及以后核電汽輪機(jī)大件及組合件的平吊問題。 吊梁完全按通用起吊橫梁設(shè)計(jì)改制, 吊點(diǎn)可自由選擇, 不存在產(chǎn)品變化后不能使用的情況, 向電廠供貨的起吊橫梁可參照本梁設(shè)計(jì), 即將吊缸、 吊轉(zhuǎn)子的兩套吊梁合二為一, 這樣可大幅降低吊具費(fèi)用。 目前, 在制核電汽輪機(jī)高中壓缸單半實(shí)際重量接近175 t, 吊梁除護(hù)管外全為厚板、 厚管和實(shí)芯棒料, 焊縫高度尺寸30～80 mm,主焊縫全為熔透性焊縫或大尺寸焊縫, 經(jīng)嚴(yán)格檢驗(yàn), 實(shí)物質(zhì)量全部合格, 故吊梁正常使用三、 四十年毫無問題。 上掛繩與吊鉤吊梁、 下掛繩與吊梁為死套方式, 下掛繩與工件為直掛方式, 起吊中不存在吊梁及工件滑落的安全隱患。 原來的平吊方式, 缸的調(diào)平時間一般在8～16 h, 現(xiàn)在1 h不到, 效率高, 勞動強(qiáng)度低, 操方便。 梁實(shí)為廢舊利用, 成本僅為新購的三分之一。 吊梁獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 先進(jìn)的改制方法、 充分的質(zhì)量保證和近于完美的使用效果, 為后續(xù)類似吊梁的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)或采購提供了經(jīng)驗(yàn)和方向。