于喜年， 王 衍， 袁 雷

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連116028； 2.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司， 遼寧 大連 116013)

某核電站控制廠房整體吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于喜年1， 王 衍1， 袁 雷2

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連116028； 2.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司， 遼寧 大連 116013)

為使核電站控制廠房整體平穩(wěn)吊入限定的預(yù)制基礎(chǔ)空間內(nèi)，保證吊裝過程中底面傾角不大于0.115°，設(shè)計(jì)了吊裝平衡系統(tǒng)構(gòu)架為焊接H型鋼截面梁，利用高度傳感器與液壓千斤頂和柔性鋼絞線組合方式實(shí)現(xiàn)吊點(diǎn)高度同步調(diào)平。對(duì)吊裝構(gòu)架進(jìn)行有限元分析和模擬加載試驗(yàn)。結(jié)果表明：平衡梁最大應(yīng)力223.050 MPa，小于材料許用應(yīng)力值。吊裝底架最大應(yīng)力160.000 MPa，小于材料屈服極限，為彈性變形。吊裝梁軸、孔接觸最大拉應(yīng)力171.000 MPa、最大壓應(yīng)力217.585 MPa，接觸應(yīng)力值小于材料屈服極限，表現(xiàn)為邊緣效應(yīng)。吊裝系統(tǒng)最大位移變量3.46 mm，符合起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的撓度值。吊裝系統(tǒng)加載及調(diào)平試驗(yàn)，驗(yàn)證了核電站控制廠房吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、安全可靠。

核電站廠房； 焊接H型鋼； 同步調(diào)平； 吊裝構(gòu)架； 邊緣效應(yīng)

某核電站控制廠房?jī)?nèi)部安裝有重要的核控制設(shè)施，要使其側(cè)壁順利進(jìn)入預(yù)制基礎(chǔ)的導(dǎo)向定滑輪所限定的安裝位置，吊裝施工要求極其嚴(yán)格。為保證核電站控制廠房施工建設(shè)安全可靠、預(yù)防吊裝過程中可能發(fā)生的變形甚至破壞，采用提升調(diào)平吊裝工藝方案，并通過有限元分析，對(duì)吊裝構(gòu)件中的平衡梁、吊裝底架及軸孔接觸部位等進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。對(duì)提升調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行模擬加載試驗(yàn)。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

圖1為核電站控制廠房吊裝示意。該控制廠房為型鋼框架式結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)寬高尺寸規(guī)格17 m×13 m×5 m。吊裝時(shí)要求控制廠房底平面最大傾斜允角0.115°，長(zhǎng)度方向的高度允差為0.34 m，寬度方向的高度允差為0.26 m?？刂茝S房主體及內(nèi)部附屬設(shè)備總重190 t，按核電站吊裝施工內(nèi)控相關(guān)規(guī)定，設(shè)定動(dòng)載系數(shù)和不穩(wěn)定系數(shù)均為1.16，吊裝調(diào)平系統(tǒng)重28 t。經(jīng)計(jì)算，施加于吊裝系統(tǒng)的當(dāng)量載荷為293 t，調(diào)平裝置按水平傾斜75°吊裝。

圖1 核電站控制廠房吊裝示意

2 設(shè)計(jì)方案

為避免控制廠房頂梁變形影響其使用功能和內(nèi)部設(shè)備安全，圖2所示為吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，主要包括吊耳、提升千斤頂、吊裝平衡梁等結(jié)構(gòu)部件，采用焊接H型鋼底架連接控制廠房頂梁。吊裝平衡梁主體結(jié)構(gòu)采用H型鋼截面梁，具有良好抗彎性，可以避免吊裝過程中調(diào)平機(jī)構(gòu)的水平搖擺和旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定問題。吊裝底架與平衡梁之間的提升調(diào)平系統(tǒng)，選擇柔性鋼絞線及液壓千斤頂，利用柔性鋼絞線和夾持器與底架連接，千斤頂為動(dòng)力部件，吊裝過程中，將控制廠房緩慢提升并脫離安放平臺(tái)一定高度，主吊點(diǎn)設(shè)定預(yù)調(diào)平高度作為其他副吊點(diǎn)的參照點(diǎn)，由位移高度傳感器發(fā)出信號(hào)設(shè)定副吊點(diǎn)提升高度，控制器接收信號(hào)并由計(jì)算機(jī)按設(shè)計(jì)的動(dòng)作流程處理后，發(fā)出指令傳送至液壓泵站改變提升千斤頂油路方向和流量，迫使千斤頂活塞伸縮及夾持器的夾緊、松開，夾持器與提升千斤頂?shù)膭?dòng)作配合實(shí)現(xiàn)吊裝副吊點(diǎn)的提升和下放，待四個(gè)提升吊點(diǎn)達(dá)到相同高度后，保持控制廠房底面相對(duì)水平，將控制廠房平穩(wěn)落入預(yù)制基礎(chǔ)內(nèi)。整個(gè)吊裝系統(tǒng)為閉路循環(huán)，四吊點(diǎn)提升調(diào)平控制過程如圖3所示[1-4]。

圖2 吊裝系統(tǒng)

a 左側(cè)千斤頂

b 右側(cè)千斤頂

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吊裝系統(tǒng)平衡梁及底架等為控制廠房提升調(diào)平關(guān)鍵承重部件，基本結(jié)構(gòu)為焊接H型鋼，采取理論計(jì)算和模擬分析相結(jié)合的方法確定基本尺寸。圖4為平衡梁模型，表1為H型鋼截面尺寸。

a

b c

K/mm截面尺寸/mmHBt1t2S/cm2Iz/cm4810004001425333575400

如圖4所示,將焊接H型鋼簡(jiǎn)化為鋼梁結(jié)構(gòu)并建模添加約束和載荷，其中起重機(jī)吊鉤吊點(diǎn)全約束，經(jīng)分析認(rèn)為A-A、D-D垂向截面所受彎矩最大，為危險(xiǎn)截面，載荷Fz引起A-A截面應(yīng)力情況為彎曲正應(yīng)力與拉力產(chǎn)生的正應(yīng)力疊加而成，a點(diǎn)切應(yīng)力最大，b點(diǎn)承受正應(yīng)力及切應(yīng)力，載荷Fz和F1引起D-D截面僅為正應(yīng)力，c′點(diǎn)正應(yīng)力最大，因此 選取A-A截面a、b點(diǎn)和D-D截面c′點(diǎn)作強(qiáng)度校核。

按正應(yīng)力強(qiáng)度條件計(jì)算模型危險(xiǎn)截面模數(shù)，根據(jù)焊接H型鋼標(biāo)準(zhǔn)[5]選擇截面尺寸應(yīng)滿足材料許用應(yīng)力要求。

將表1尺寸參數(shù)代入文獻(xiàn)[6]相關(guān)公式，算得A-A截面a、b點(diǎn)處相當(dāng)應(yīng)力σca(a)為 167.92 MPa、σca(b)為205.59 MPa，小于[σ]，滿足強(qiáng)度條件；D-D截面c′點(diǎn)處正應(yīng)力σc′為176.70 MPa，小于[σ]，滿足強(qiáng)度條件。

吊裝梁等結(jié)構(gòu)采用Q420B高強(qiáng)度鋼焊接而成，σb=630 MPa，σs=420 MPa，其基本許用應(yīng)力[σ]按《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的[σ]=(0.5σs+0.35σb)/n計(jì)算，安全系數(shù)n取1.34，經(jīng)計(jì)算[σ]=306 MPa；卸扣軸采用42CrMo鋼，σb=1 080 MPa，σs=980 MPa，其許用應(yīng)力[σ]=513 MPa。

4 構(gòu)架受力分析

4.1 邊界條件設(shè)置

利用HyperMesh軟件對(duì)吊裝系統(tǒng)中各構(gòu)架單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件[7]、約束條件。其中梁及底架單元類型為Shell181，材料屬性為Q420B鋼彈性模量2.10×105MPa，泊松比0.30，密度7 850 kg/m3；萬向吊耳提升罐籠單元類型為Solid185，材料屬性同梁及底架；卸扣軸單元類型為Solid185，材料屬性42CrMo鋼彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.28，密度7 850 kg/m3；質(zhì)量元為Mass；約束及載荷采用吊點(diǎn)全約束，Rigid交匯處施加Mass，底架施加垂向當(dāng)量載荷。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)部件有限元分析

由于篇幅所限，僅進(jìn)行靜力學(xué)分析。利用ANSYS軟件對(duì)吊裝系統(tǒng)主要關(guān)鍵部件進(jìn)行受力分析以驗(yàn)證其可靠性。圖5為焊接H型鋼吊裝梁應(yīng)力及位移云圖，最大正應(yīng)力223.05 MPa<[σ]，發(fā)生在與吊索連接的卸扣銷軸處，最大位移發(fā)生在吊裝梁兩端，位移值為3.457 mm，在垂向z方向位移表征為梁的最大撓度的弦高，位移變量小于文獻(xiàn)[8]規(guī)定的撓度值要求(f≤L/750=8.43 mm)。圖6為平衡梁應(yīng)力、位移云圖。分析圖6可知，平衡梁最大相當(dāng)應(yīng)力207.64 MPa，最大應(yīng)力位置在兩端吊點(diǎn)的腹板區(qū)域，應(yīng)力整體分布沿上、下吊點(diǎn)“∧”形連線方向區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力值小于許用應(yīng)力。合位移為0.85 mm，主要呈現(xiàn)彎曲效應(yīng)，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，所以抗彎能力強(qiáng)，位移變化小，滿足參考文獻(xiàn)[8]要求的撓度值。吊裝梁、平衡梁等采用焊接H型鋼并進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，承載截面積增大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，彎曲應(yīng)力減小，從而使吊裝系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度、剛度得到提高[9]。

吊裝梁軸、孔接觸的孔殼接觸應(yīng)力分布如圖7所示，最大拉應(yīng)力171.000 MPa，發(fā)生在孔殼上部?jī)啥诉吘壧?，最大壓?yīng)力-217.585 MPa，發(fā)生在孔殼下部?jī)啥诉吘壧?。吊裝軸接觸分析與孔殼一致，故略去受力分析云圖。

a 應(yīng)力

b 位移

a 應(yīng)力

b 位移

圖7 孔殼接觸應(yīng)力云圖

根據(jù)文獻(xiàn)[8]相關(guān)理論公式計(jì)算，軸孔接觸σb≈56 MPa。將理論計(jì)算與ANSYS有限元分析結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)孔殼及卸扣軸的實(shí)際接觸應(yīng)力表現(xiàn)為邊緣效應(yīng)，即軸、孔的邊緣接觸應(yīng)力急劇增大，而軸、孔內(nèi)部接觸應(yīng)力趨于平緩，應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，表明吊裝卸扣軸、孔直徑設(shè)計(jì)合理，其接觸應(yīng)力分布規(guī)律如圖8所示。圖8a為下部拉應(yīng)力，圖8b為上部壓應(yīng)力。圖9為吊裝底架應(yīng)力、位移云圖。

a 下部拉應(yīng)力

b 上部壓應(yīng)力

a 應(yīng)力

b 位移

吊裝底架由4根H型鋼組對(duì)焊接而成，與核電站控制廠房頂梁及萬向吊耳的連接則采用高強(qiáng)螺栓緊固。圖9為吊裝底架所受應(yīng)力和位移云圖，最大應(yīng)力、位移均發(fā)生在與萬向吊耳連接處，應(yīng)力值約為160 MPa，小于材料屈服極限，其位移為彈性變形，位移變量1.145 mm，滿足《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求[8]。

對(duì)于提升罐籠等其他構(gòu)架單元受力分析結(jié)果表明，其應(yīng)力、位移值同樣滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，文中省略萬向吊耳等構(gòu)架單元的ANSYS軟件分析云圖，表2所示為相關(guān)構(gòu)架單元有限元分析結(jié)果。

表2 構(gòu)架單元應(yīng)力及位移值

5 吊裝系統(tǒng)加載試驗(yàn)

根據(jù)核電站控制廠房預(yù)制基礎(chǔ)具體位置及吊裝方案，確定吊裝場(chǎng)地起重機(jī)中心坐標(biāo)，制定施工方案及吊裝場(chǎng)地安全評(píng)估。在吊裝系統(tǒng)各部件整體安裝后，進(jìn)行控制廠房的動(dòng)、靜載荷吊裝模擬調(diào)平試驗(yàn)，檢驗(yàn)吊裝系統(tǒng)的可靠性。

靜載荷試驗(yàn)：按控制廠房重量1.25倍施加試驗(yàn)載荷，將試驗(yàn)載荷施加于連接底架的承重點(diǎn)，按照調(diào)平工藝流程對(duì)提升千斤頂及鋼絞線實(shí)施水平度調(diào)節(jié)操作，待模擬的連接底架水平度達(dá)到吊裝要求后，起重機(jī)大臂緩慢舉高，離開地面100 mm后保持靜止?fàn)顟B(tài)約10 min后再緩慢降落地面。

動(dòng)載荷試驗(yàn)：按控制廠房重量1.1倍施加試驗(yàn)載荷，試驗(yàn)動(dòng)載荷位置與施加靜載荷位置相同，起升速度為400 mm/min，離開地面400 mm后迅速制動(dòng)保持時(shí)間10 min再下降，速度為400 mm/min，添加配重進(jìn)行動(dòng)載荷試驗(yàn)的起吊、下降各三次。靜載與動(dòng)載荷試驗(yàn)，需檢查吊裝系統(tǒng)的連接底架、平衡梁、萬向吊耳、提升罐籠等部件是否有裂紋、屈服變形以及其他對(duì)使用性能與安全有影響的損壞，同時(shí)檢查起重機(jī)吊裝用的繩扣、卡環(huán)以及吊索等有無異?，F(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)動(dòng)、靜載荷模擬加載試驗(yàn)，液壓同步調(diào)平控制系統(tǒng)各吊點(diǎn)提升基本保持同步，調(diào)整方便靈活，滿足控制廠房底平面傾斜允角0.115°的調(diào)整要求。

6 結(jié) 論

(1)吊裝梁、平衡梁及吊裝底架等所有構(gòu)架中最大應(yīng)力223.050 MPa<[σ]，滿足強(qiáng)度要求；各構(gòu)件中最大位移3.46 mm小于起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的撓度值，滿足剛度要求。采用焊接H型鋼并進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，承載截面積及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，彎曲應(yīng)力減小，使吊裝系統(tǒng)彎曲變形能力得到加強(qiáng)。

(2)吊裝軸、孔接觸最大拉應(yīng)力171.000 MPa、壓應(yīng)力-217.585 MPa，接觸應(yīng)力表現(xiàn)為邊緣效應(yīng)，應(yīng)力值小于所用材料屈服極限，表明吊裝軸、孔直徑及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

(3)液壓同步調(diào)平系統(tǒng)的模擬調(diào)平過程中，各吊點(diǎn)保持位移同步、水平度調(diào)整方便靈活，驗(yàn)證了核電站控制廠房吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、安全可靠。

[1] 沈杏林. 計(jì)算機(jī)控制液壓同步提升技術(shù)在大型門式起重機(jī)安裝中的應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械， 2007(11)： 84-87．

[2] 楊文彬. 多液壓缸同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其控制策略研究[D]. 中南大學(xué)， 2014．

[3] 倪 敬， 項(xiàng)占琴， 潘曉弘， 等. 多缸同步提升電液系統(tǒng)建模和控制[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2006(11)： 81-87．

[4] 劉 鑫. 液壓同步頂升系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制策略研究[D]. 天津： 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)， 2015．

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(編輯 晁曉筠 校對(duì) 王 冬)

Integral hoisting system design for nuclear power plant

YuXinian1,WangYan1,YuanLei2

(1.School of Mechanical Engineening, Dalian Jiaotong University, Dalain 116028, China； 2.Dalian Huarui Heavy Industry Group Co. Ltd, Dalain 116013, China)

This paper is motivated by the need for hoisting the control room of nuclear power plant into prefabricated basic space as is desired, and ensuring that the bottom angle of the hoisting process is no more than 0.115°. The study involves selecting the welded H-beam for the hoisting balance system architecture; using the combination of the level sensor, hydraulic jack and flexible steel strand to achieve the synchronous balance of lifting point height; and performing the finite element analysis of the lifting frame and load simulation test. The results show that the balance beam has a maximum stress of 223.050 MPa, less than the material allowable stress value; the lifting chassis has a maximum stress of 160.000 MPa, less than the yield limit, behaving as elastic deformation; the hoisting beam axis and hole has a maximum tensile stress of 171.000 MPa，and the maximum compressive stress of 217.585 MPa, with the contact stress value of less than the material yield limit, manifested as the edge effect; and the hoisting system offers a maximal displacement variable of 3.46 mm, conforming to the deflection value as is required by the crane design specification. The test of the load and leveling for the hoisting system indicate that the design is reasonable, safe and reliable for the hoisting system for the nuclear power control plant.

nuclear power plant; welded H-beam; synchronous leveling; hoisting frame; edge effect

2017-01-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375063)

于喜年(1958-)，男，遼寧省大連人，教授，研究方向：機(jī)械裝備設(shè)計(jì)理論及制造技術(shù)、大型工程吊裝技術(shù)，E-mail：xny1960@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.01.018

TL372.2

2095-7262(2017)01-0082-05

A