核电专用蒸发器翻身设备研制
2014-09-01李开添邱振艳
李开添 邱振艳
(中冶宝钢技术服务有限公司，上海 201900)
核电专用蒸发器翻身设备研制
李开添 邱振艳
(中冶宝钢技术服务有限公司，上海 201900)
核电专用翻身设备主要在核电蒸发容器制造过程中进行必须的工位变化，即由直立状态翻转到水平状态或由水平状态翻转到直立状态时应用，现对该设备的研制进行具体分析。
核电；蒸发器；翻身；研制
1 设备功能概述
本设备是核电蒸发容器制造过程中的翻身设备，主要用于蒸发器上筒体组件和管束组件的翻身，同时兼顾其他产品的单节筒体或筒体组件的翻身，动力按最大承受倾翻力矩300 t·m设计。
需要翻身的蒸发容器技术参数如下：
1.1 AP1000产品
上部组件的直径5 334 mm、高度7 794 mm、重量229.8 t，下部组件的直径4 487 mm、高度12 393 mm、重量195 t。
1.2 EPR产品
上部组件的直径5 170 mm、高度8 800 mm、重量217 t，下部组件的直径3 800 mm、高度11 800 mm、重量194.3 t。
1.3 CNP1000产品
上部组件的直径4 435 mm、高度7 473 mm、重量105.6 t，下部组件的直径3 434 mm、高度12 434 mm、重量142.4 t。
2 设备研制方案
该翻身装置按用户要求应能承受300 t·m力矩，总承载能力按300 t设计，当需要进行大工件翻转时，可以脱开动力装置，用行车翻身。
根据初始条件要求该装置要承受300 t·m力矩，在竖直位置时油缸产生的力矩是最小的，初选油缸的行程为4 000 mm，工作压力选为16 MPa，在此油压下两个油缸产生的推力可达204 t，此时的输出力矩为344 t·m，在水平位置时，经过计算油缸的输出力矩能够达到816 t·m，均大于300 t·m。
以AP1000下部组件为例介绍整个装置翻身过程。最大外径4 487 mm，高度12 393 mm，重量195 t。当AP1000下部组件在竖直位置时，产生的力矩为223 t·m，小于此时油缸产生的拉力矩344 t·m，可以满足由竖起位置到水平位置的翻转，但在旋转过程中由于工件重心位置的不断改变，产生的力矩增加得非常快，当AP1000下部组件在水平位置时，力矩达到了1 385 t·m，远远大于此时油缸能产生的最大力矩816 t·m，不能实现工件从水平位置到竖起位置的翻转。因此，此类工件还是要依靠行车来辅助翻身过程。
3 设备的组成
设备应由以下部分组成：
(1) 底部基础部分：本部分构成底部承载基础。
(2) 设备主体部分：本蒸发器翻身装置主要由L型翻转架、基座、V型座(两个V型座之间距离可调、与L型翻转架配套)、电控系统、液压系统等组成。
(3) 设备辅助部分：由控制系统(液压控制、电气控制)组成。
(4) 设备的附属部分：使本设备安全、平稳运行所必需的配套件。
3.1 基座
基座由钢板焊接而成，焊接完成后整体去应力热处理，并对油缸支座部分进行机械加工，确保连接面的平面度。
3.2 L型架及轴系设计
L形翻转架是一个焊接结构件，由固定轴与基架铰接在一起。
3.2.1 L型架结构强度计算
3.2.1.1 状态一：工件竖直时工况
(1) 工件最大重量3 000 kN，因此截面到支点的距离l=1.5 m，最大弯矩设计值Mmax=7 560 kN·m，剪力设计值Vmax=5 040 kN。
此弯矩由两个箱体梁共同来承担，所以每个箱体梁所承受的弯矩和剪力的设计值为：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 状态二：工件平放时工况
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 轴类零件的选材及强度、刚度计算
所有轴的材料为45钢，经处理后的机械性能为：σb=665 MPa，σs=345 MPa。
取安全系数n=4，则轴(1)能承受的最大应力为：[σw]=86.25 MPa。
初步设计中各轴轴径如下：轴(1)为L型架的固定旋转轴，d1=320 mm；轴(2)为油缸耳环和L型架的铰接轴，d2=200 mm；轴(3)为油缸和油缸支架的铰接轴，d3=140 mm。
3.2.2.1 轴(1)的分析计算
由设计说明书可知，静止时L型架承受的最大重量为300 t，加上L型架本身的重量(按60 t计算)，此时，轴(1)主要承受工件和L型架重力(360 t)产生的剪力。
方案中轴(1)位置有两根轴，因此每根轴承受180 t的重量产生的剪力。轴(1)的详细受力分析：G=1.8×106N；q=4.5×106N/m；F为支座反力，根据力的平衡，F=1.8×106N。易知截面所受弯矩最大，即：
计算得到：Mmax=1.44×105N·m。
3.2.2.2 轴(2)的分析计算
轴(2)是油缸耳环和L型架的铰接轴，主要承受来自油缸的推力，油缸的最大推力为：
轴(2)所受的最大弯矩依然为A—A截面所受的弯矩：
轴总长l=0.18m；均布载荷q=4 267 000N/m；弹性模量E=200GPa；截面的轴惯性矩I=0.000 078 5m4；局部尺寸c=0.12m；计算得到最危险截面的力矩为Mmax=1.54×104N·m。
按照直径d2=200mm计算，该轴所受的最大截面应力为：σw=19.6MPa<86.25MPa，满足设计要求。
3.2.2.3 轴(3)的分析计算
在轴(2)的校核中，危险截面的应力远小于许用应力，但是考虑到它还要承受来自L型架的作用力，所以把直径做到200mm。轴(3)与轴(2)的受力简图完全相同，所受力也可以认为完全相同，下面校核d3=140mm能否满足油缸最大推力的要求。
Fmax=5.12×105N
按照直径d3=140 mm计算，该轴所受的最大截面应力为：σw=56.84 MPa<86.25 MPa，满足设计要求。
3.3 液压系统
液压系统设备由液压站、阀台以及阀台至各执行机构的所有附件等组成。液压站布置在两个基座中间，采用液压站集中供油。液压站设两组油泵，其中一组为备用泵，即一用一备。
在设备旁边设一个阀台，由该液压站负责向此阀台供油，电磁换向阀、液控单向阀、电磁溢流阀及恒压变量泵等采用REXROTH品牌元件。
液压介质：长城牌46#抗磨液压油；介质清洁度：NAS1638 7级。
液压缸运行时保证工件平稳、匀速翻转，并符合翻转速度小于10°/min的要求(无级可调)，双液压缸同步驱动，并具有急停功能(液压系统故障及其他需要时，可自锁并无冲击)。由直立到水平或由水平到直立的状态转变时，系统操作能满足上述要求。运行速度除标定的10°/min以外，能适当调节，范围在5°～20°/min之间。
(1) 液压站：液压站布置在设备基座中间位置，以减少设备占用厂房空间。液压站选用两台泵，一备一用。
(2) 液压阀台：根据液压缸布置情况，在设备旁边设一个液压阀台向各个液压缸供油。
3.4 电气控制系统
电气控制系统由电源柜、控制柜以及操作台等组成。重要电气元件采用施耐德品牌，PLC控制采用西门子品牌产品。
设备运行可以在电气操作台上操作，同时，在设备两侧增加拖线式简易操作盒的快速接口。
动力电源为AC380 V±10%(三相五线制)，操作台设在机旁，并在能观察到翻身装置运行的合适位置上。控制系统能实现启(闭)液压站，L型翻转架的直立和水平转换运行，中途停止、自锁及中途转换运行方向，急停，终点的自动停止等功能，从而保证系统的正常运行。
4 结语
核电专用蒸发器翻身设备的成功开发，有效地实现了核电设备制造行业中蒸发容器翻身工序的自动化，大大降低了生产厂家的成本，保证了翻身的安全性、稳定性、可靠性，填补了国内无核电专用蒸发器翻身设备的空白，其带来的经济效益和社会效益不可低估。
2014-06-19
李开添(1974—)，男，福建武平人，高级工程师，研究方向：工业特种设备开发与研究。
