反应堆下部支承组件吊具设计与计算

谭文界　王炳炎　任荷　黄新东

【摘 要】下部支承组件是反应堆堆内重要构件，在反应堆初装或者复装时，需要采用专用工具将其从存放处吊入反应堆内进行安装。本文针对反应堆内的特殊环境和下部支承组件的具体工况设计了一套专用吊具，并对该吊具的重要承力部件进行了力学分析与校核，该吊具已成功研制并在核电站中投入使用，结果表明其设计合理、性能可靠、使用方便。

【关键词】下部支承；吊具；设计

0 引言

下部支承组件吊具是用于对下部支承组件进行吊运操作的专用设备。在反应堆初装堆或复装堆内构件时将下部支承组件从存放处吊入反应堆内进行安装；检修或退役时同样使用该吊具将下部支承组件吊运出反应堆存放于指定的存放地点。M310堆型的二次下部支承组件吊具的使用工况分为：反应堆初装堆使用、反应堆检修及退役时使用两种工况。反应堆初装堆时，首先使用吊环、卸扣及吊索将下部支承组件引入堆厅，再使用下部支承组件吊具将其装入反应堆压力容器中；反应堆检修时，则使用吊具将下部支承组件吊出反应堆，吊放至水下专用存放架上，待检修完成后，再将下部支承组件吊入反应堆；反应堆退役时，则直接使用下部支承组件吊具将下部支承组件吊出反应堆，放至水下专用存放架上进行退役处理。本为针对M310堆型的下部支承组件进行设计。

1 设计原则

（1）下部支承组件吊具的结构应安全可靠，不得对反应堆堆内环境造成污染；

（2）下部支承组件吊具的设计应贯彻结构简单、操作方便、维修可达性高的原则；

（3）重要零部件应进行计算与校核；

（4）采用贯彻标准化设计原则。

2 设计输入

（1）下部支承组件法兰外径 Ф1700mm；

（2）下部支承筒体外径 Ф1600mm；

（3）下部支承法兰厚度 60mm；

（4）下部支承组件法兰定位孔位置 67°、187°、307°；

（5）下部支承组件最大重量 3.5t。

3 方案设计

3.1 结构方案

由于支承组件法兰定位孔均匀地分布在67°、187°、307°的圆周上，与之相对应的吊钩组件也应该均匀布置在圆周方向上；由于支承组件三个导向键也均匀布置在圆周上，所以支承组件吊具上导向组件应与之匹配均布在圆周上。基于上述条件确定吊具的基本结构形式为截面为圆环的立式结构。

3.2 材料选择

考虑到反应堆的特殊性，下部支承组件吊具整体采用不锈钢，主体材料为06Cr19Ni10，承力材料05Cr17Ni4Cu4Nb，紧固件材料主要采用12Cr13。

4 结构设计

下部支承组件吊具主要由框架组件、吊装组件、导向组件、定位销组件、吊钩组件等部分组成。

（1）框架组件

框架组件由上层支架、立柱、中心支撑架、上层连接环、中层连接环、下层连接环共同连接成一个圆柱状框架结构，作为吊具的承力主体。

（2）吊装组件

吊装组件由加长吊杆、吊环、吊环连接块、U形连接件、上锁紧环、下锁紧环、吊杆等组成。吊杆上下两端分别为M48×4的左旋、右旋螺纹，通过旋转吊杆可以调节连接长度，从而对吊具的水平度进行调整。加长吊杆下端通过加长杆连接销与吊环连接，上端则与电子秤连接。

（3）导向组件

导向组件由多组倾角和前后位置可微量调整的导向键槽组成，安装在框架组件的上层连接环和中层连接环上。

（4）定位销

定位销安装在吊具下层连接环上，定位销共3组，分别分布于圆周上67°、187°、307°的三个方向。当吊具下降至下部支承组件法兰面上时，定位销插入支承法兰面上的预留孔内定位，确保整个吊具在下部支承组件法兰上准确的就位。

（5）吊钩组件

三组吊钩组件分别安装在3个立柱的下端，吊钩后端安装有带滑动长条孔的推动机构，由气缸驱动该推动机构，推动钩爪伸出或收回，实现对下部支承组件法兰底面的钩取和释放操作。锁紧机构安装在吊钩组件侧面，由一个锁紧气缸和行程开关组成，当吊钩处于抓取位置时，气缸带动锁紧销穿过立柱的侧壁插入钩爪上的定位孔，将其锁死，防止出现意外脱钩。

5 计算与校核

对吊具整体进行分析，确定关键零部件后分别对其进行计算校核范围包括：吊环、吊环连接块、吊杆、U形连接件、U形连接件销子、吊钩。

（1）吊环

吊环材料为05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本许用应力[σ]为：

吊环承受吊具和支承重力的作用，与加长吊杆连接销连接处最大拉力F为46412.8N，吊环下端通过M90×4的螺纹与吊环连接块进行连接，经分析，其应力图1所示。

经计算分析，吊环最大应力为73.6MPa，安全系数：

因此，满足安全要求。

（2）吊环连接块

吊环连接块材料为05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本许用应力[σ]为：

吊环连接块承受吊具和支承重力的作用，与U型连接件连接处最大拉力F为15470.9N，共3处均布。吊环连接块上端通过M90×4的螺纹与吊环连接，经分析，其应力如图2所示。

图2 吊环连接块应力图

经计算分析，吊环最大应力为16.5MPa，安全系数：

因此，满足安全要求。

（3）吊杆

吊杆材料为05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本许用应力[σ]为：

吊杆受两端螺纹拉力作用，3个吊杆每个受力为F/3，F为吊具和支承总重量46412.8N，其最大应力为：

其中A为吊杆截面积。

经计算吊杆最大应力8.55MPa，安全系数：

因此，满足安全要求。

（4）U形连接件

U形连接件材料为05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本许用应力[σ]为：

U形连接件通过M48×4螺纹与吊杆连接，通过U形连接件连接销与框架组件连接，受力为F/3，F为吊具和支承总重量46412.8N。其应力图如图3所示。

经计算，U形连接件最大应力为18.6MPa，安全系数：

因此，满足安全要求。

（5）U形连接件销子

U形连接件销子受到的力为F/3，F为吊具和下部支承组件的重力46412.8N。受力如图4所示。

U形连接件销子材料为05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本许用应力[σ]为：

其中A为U形连接件销子截面积，l为最大挤压面长度。

根据计算，U形连接件销子剪切应力为4.65MPa，安全系数：

最大挤压应力为7.16MPa，安全系数：

因此，满足安全要求。

（6）吊钩

（上接第11页）吊钩材料为05Cr17Ni4Cu4Nb，其σ0.2/σb>0.7，材料基本许用应力[σ]为：

吊钩同样承受下部支承组件的重力F，3个吊钩均布，理论上每组吊钩受力为F/3，下部支承组件重量3045kg，F为29841N。经分析，吊钩应力如图5所示。

根据计算，吊钩最大应力为119.69MPa，安全系数：

因此，满足安全要求。

6 结论

本文针对核电站M310反应堆堆型的特殊性，充分考虑下部支承组件的使用工况，设计了一套下部支承组件的吊装工具，并对该下部支承组件吊具的各主要承力部件进行了详细的受力分析与校核，结果证明该套吊具满足功能要求和环境要求；该套工具已成功在核电站检修过程中投入使用并取得良好效果。

【参考文献】

[1]薛智，张治民，于建民，吴耀金.30CrMnSiNi2A钢的动态屈服强度研究[J].兵器材料科学与工程，2009，1：10-13.

[2]温正，张文电，等. ANSYS有限元分析权威指南[M].1版.北京：机械工业出版社，2013：71-75.

[责任编辑：杨玉洁]