核電廠橋式起重機(jī)鋼絲繩偏角異常事件處理分析

李今朝 張 峰 辛?xí)粤?王 歡 劉 倩

中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳 518172

0 引言

橋式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)橋機(jī)）是核電站在建造和運(yùn)行階段，為反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的重型設(shè)備安裝、維修提供吊運(yùn)服務(wù)的特種重型橋式起重機(jī)，包括吊裝蒸汽發(fā)生器（SG）、壓力容器（RPV）、穩(wěn)壓器（PZR）等大件設(shè)備。由于核電站設(shè)備閘門(mén)的限制，大件設(shè)備必須水平運(yùn)輸?shù)椒磻?yīng)堆廠房?jī)?nèi)，通過(guò)橋機(jī)翻轉(zhuǎn)直立后再吊裝到指定位置。

某核電站橋機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行起吊試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鋼絲繩與動(dòng)滑輪上的罩子發(fā)生摩擦（見(jiàn)圖1）。

鋼絲繩在使用過(guò)程中會(huì)頻繁繞入繞出滑輪槽和卷筒槽，異常摩擦?xí)?dǎo)致其使用壽命大幅度減少，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)苯佑绊懙跹b安全[2]。為盡快解決該問(wèn)題，需要對(duì)異常摩擦的原因進(jìn)行詳細(xì)分析。本文采用魚(yú)骨圖的分析方法（見(jiàn)圖2），分析該異?，F(xiàn)象的原因。

1 鋼絲繩偏角分析

由于設(shè)備均已安裝就位，且現(xiàn)場(chǎng)無(wú)可靠參照物，本文采用模型放樣分析的方法，確定了吊裝過(guò)程中各階段的鋼絲繩偏角大小，并對(duì)比了常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]的要求，分析確定了鋼絲繩異常摩擦的原因。該安裝小車(chē)的基本參數(shù)為：鋼絲繩直徑d＝34 mm，卷筒槽底直徑D＝1 600 mm，卷筒計(jì)算直徑D0＝1 634 mm，卷筒上繩槽節(jié)距P＝38 mm，總起升高度H0＝35.5 m，卷筒中部無(wú)繩槽部分長(zhǎng)度L1＝92 mm，吊環(huán)滑輪組中間2滑輪間距L2＝225 mm，滑輪倍率m＝12。鋼絲繩纏繞卷筒及動(dòng)滑輪的示意如圖3所示。

由圖3分析可知，當(dāng)鋼絲繩向繩圈方向偏斜時(shí)，偏角為

式中：α為與卷筒軸垂直平面之間的偏角，β為鋼絲繩中心線與卷筒繩槽中心線之間的偏角，ε為卷筒螺旋槽傾斜角度，H為卷筒中心線距動(dòng)滑輪中心線的高度，L為某標(biāo)高時(shí)卷筒上2組鋼絲繩之間的間距，L2為吊環(huán)滑輪組中間2滑輪間距，P為卷筒上繩槽節(jié)距，D0為卷筒計(jì)算直徑，m為滑輪倍率。

當(dāng)鋼絲繩向空槽方向偏斜時(shí)，偏角按式（1）～式（3）、式（5）計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算，詳細(xì)的偏角計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 典型設(shè)備的偏角計(jì)算值

GB/T 3811—2008要求：鋼絲繩繞進(jìn)（出）卷筒時(shí)，鋼絲繩中心線偏離螺旋槽中心線兩側(cè)的角度不應(yīng)大于3.5°。由上表可知，對(duì)于不同設(shè)備的實(shí)際吊裝，均出現(xiàn)了鋼絲繩偏角超出規(guī)范要求的情況，鋼絲繩異常摩擦確定是由于偏角超標(biāo)導(dǎo)致。

2 偏角超標(biāo)后果及原因分析

鋼絲繩偏角增大可能會(huì)出現(xiàn)鋼絲繩跳槽的事故，也不可避免地會(huì)對(duì)起升機(jī)構(gòu)的各個(gè)部件造成一定的損害，包括鋼絲繩、卷筒、滑輪組等[4]。本文采用故障樹(shù)分析對(duì)偏角超標(biāo)的可能后果及原因依次開(kāi)展了分析，如圖4所示。

3 偏角異常影響分析

3.1 鋼絲繩是否跳槽分析

鋼絲繩在繩槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)同時(shí)受到拉力和摩擦力的作用，當(dāng)脫離繩槽方向的分力和力矩分別小于壓向繩槽方向的分力和力矩時(shí)，可認(rèn)為鋼絲繩不會(huì)出現(xiàn)跳槽。通過(guò)鋼絲繩在最不利工作狀態(tài)下的受力分析，包括力矩平衡分析及受力平衡分析，可以判斷鋼絲繩是否跳槽。

當(dāng)鋼絲繩與卷筒螺旋槽中心線之間的偏角β最大時(shí)，鋼絲繩處于最不利位置。將鋼絲繩卷入卷筒的切點(diǎn)位置放樣如圖5所示。圖中α2指切點(diǎn)處切線與鋼絲繩中心線之間的夾角，S指鋼絲繩所受拉力。

鋼絲繩受力分析示意如圖6所示。圖中α3為鋼絲繩處于最不利位置時(shí)鋼絲繩中心到接觸點(diǎn)連線與水平分力的夾角，F(xiàn)1指鋼絲繩水平分力，F(xiàn)2指阻止鋼絲繩跳槽的分力，F(xiàn)3指F2對(duì)接觸點(diǎn)的正壓力，F(xiàn)4指F2對(duì)接觸點(diǎn)的正壓力，L1指鋼絲繩跳槽的力臂，L2指阻止鋼絲繩跳槽的力臂，B點(diǎn)為鋼絲繩所處的最不利位置。

3.1.1 力矩平衡分析

鋼絲繩在卷入繩槽過(guò)程中，由于偏角原因產(chǎn)生的水平力矩使鋼絲繩有跳出繩槽頂部的趨勢(shì)，鋼絲繩拉力產(chǎn)生的繞進(jìn)繩槽的力矩有克服其翻轉(zhuǎn)跳槽的趨勢(shì)。其中，跳槽力矩為

克服跳槽的力矩為

3.1.2 力平衡分析

鋼絲繩在槽頂處產(chǎn)生的切向摩擦力有使鋼絲繩向外跳槽的趨勢(shì)，在該處的切向分力有使鋼絲繩向卷筒卷入的趨勢(shì)。其中，跳槽力為

克服跳槽的力為

根據(jù)計(jì)算分析可得表2，由表2可知，鋼絲繩出現(xiàn)跳槽的風(fēng)險(xiǎn)較小。

表2 鋼絲繩是否跳槽分析

3.2 對(duì)卷筒的影響分析

3.2.1 卷筒繩槽磨損增大的影響

由于鋼絲繩偏斜過(guò)大，不可避免地增大了對(duì)卷筒螺旋槽側(cè)面的磨損，長(zhǎng)期使用下會(huì)出現(xiàn)卷筒強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低的風(fēng)險(xiǎn)。卷筒材料為Q345C，厚度為60 mm，根據(jù)GB/T 3811—2008計(jì)算其合成應(yīng)力和臨界壓應(yīng)力，筒體強(qiáng)度的安全系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)分別為2.5和1.64，繩槽側(cè)面的磨損對(duì)于卷筒的強(qiáng)度和穩(wěn)定性影響較小，可以接受。

3.2.2 鋼絲繩水平作用力增大對(duì)卷筒的影響

鋼絲繩與卷筒螺旋槽中心線之間的夾角增大會(huì)使卷筒所受水平分力增大，由于卷筒形式為雙聯(lián)卷筒，兩側(cè)鋼絲繩作用在卷筒上的水平作用力相互抵消，故水平作用力增大對(duì)卷筒幾乎無(wú)影響。

3.3 對(duì)滑輪組的影響分析

根據(jù)上述分析，鋼絲繩與動(dòng)滑輪軸垂直平面間的最大偏角為4.5°，符合GB/T 3811—2008中不大于5°的要求。通過(guò)對(duì)最大偏角時(shí)滑輪繩槽側(cè)面的擠壓應(yīng)力及軸承所受水平力的計(jì)算，軸承許用載荷及滑輪許用應(yīng)力均遠(yuǎn)大于計(jì)算值，鋼絲繩斜偏角的增大對(duì)滑輪組的影響可以接受。

3.4 對(duì)鋼絲繩的影響分析

鋼絲繩的基本參數(shù)為：額定起升載荷QA=550 000 kg，吊環(huán)滑輪組質(zhì)量QD＝10 865 kg，鋼絲繩質(zhì)量Qg＝6 000 kg，滑輪倍率m＝12，滑輪組效率η1＝0.9，重力加速度g＝9.8 m/s2。

鋼絲繩的最大靜拉力為

根據(jù)用戶(hù)手冊(cè)可知鋼絲繩最小破斷力為1 055 000 N，安全系數(shù)為4.1。

考慮到鋼絲繩偏角最大時(shí)的摩擦，鋼絲繩中心線與滑輪軸垂直平面之間的最大偏角為4.5°，鋼絲繩中心線與卷筒螺旋槽中心線之間的最大偏角為4.08°，滑動(dòng)摩擦系數(shù)取0.14（不考慮潤(rùn)滑影響）。保守分析，鋼絲繩同時(shí)受到卷筒和滑輪之間的摩擦力之和，疊加后計(jì)算得實(shí)際拉力為1.02SA，實(shí)際安全系數(shù)為4.02。根據(jù)GB/T 3811—2008的要求，工作級(jí)別為M3的該類(lèi)型鋼絲繩安全系數(shù)應(yīng)大于3.55，滿足規(guī)范要求。

3.5 鋼絲繩壽命分析

根據(jù)Klaus Feyrer的理論計(jì)算模型[4]，鋼絲繩入繩傾角對(duì)其彎曲疲勞壽命的影響為

式中：D為鋼絲繩彎曲計(jì)算半徑，d為鋼絲繩公稱(chēng)直徑，ψ為鋼絲繩入繩傾角，Dψ為鋼絲繩剩余彎曲疲勞壽命，N0為鋼絲繩原始?jí)勖?/p>

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，實(shí)際吊裝時(shí)鋼絲繩傾角最大值為4.5°，此時(shí)Dψ＝0.41。對(duì)于12倍率的起升系統(tǒng)，在1個(gè)起升循環(huán)中，鋼絲繩局部承受最多彎曲疲勞周次的數(shù)量是23次，而核電站建造階段安裝小車(chē)需要完成的起升循環(huán)次數(shù)在10余次左右。所選鋼絲繩的彎曲疲勞壽命約為13～16萬(wàn)次，對(duì)于僅需吊裝主設(shè)備的安裝小車(chē)來(lái)說(shuō)，完全可以滿足使用需求。

4 優(yōu)化方案和解決措施

由式（1）～式（5）可知，當(dāng)卷筒中心線距動(dòng)滑輪中心線的高度H越小時(shí)，鋼絲繩的偏角越小，故在吊裝時(shí)減小吊鉤下降的高度即可減小鋼絲繩偏角。結(jié)合吊裝主設(shè)備時(shí)吊鉤所處的最低高度，分別設(shè)計(jì)不同長(zhǎng)度的連接工具，即可保證在吊裝過(guò)程中鋼絲繩的偏角滿足規(guī)范要求。連接工具的示意如圖7所示。

在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，該安裝小車(chē)順利完成吊裝任務(wù)，證明了理論分析的合理性，基于特定條件下的鋼絲繩偏角分析過(guò)程為后續(xù)類(lèi)似情況的影響分析提供了一定的指導(dǎo)。

5 結(jié)論

本文以國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目橋機(jī)為例，提出了鋼絲繩偏角的理論計(jì)算方法，在斜偏角不滿足規(guī)范的情況下，通過(guò)對(duì)卷筒、滑輪組、鋼絲繩的影響分析。

1）通過(guò)模型放樣計(jì)算偏角的方法，解決了無(wú)法實(shí)測(cè)的問(wèn)題，并發(fā)現(xiàn)了在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)鋼絲繩異常摩擦的現(xiàn)象是由于鋼絲繩偏角過(guò)大造成的。

2）基于故障樹(shù)分析、最不利情況受力分析及鋼絲繩疲勞壽命理論給出了偏角超標(biāo)是否可接受的驗(yàn)收評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

3）在安裝小車(chē)鋼絲繩偏角不滿足規(guī)范要求的情況下，通過(guò)連接工具的設(shè)計(jì)可以有效減小實(shí)際吊裝過(guò)程中的鋼絲繩偏角。

4）基于特定條件下的鋼絲繩偏角分析，給后續(xù)研究不同情況下偏角的限值及可靠度提供了一定的指導(dǎo)。