一种能实现精准调心功能的核电站环行起重机吊具

江苏核电有限公司 连云港 222000

0 引言

核电站VVER机组反应堆堆芯直径为3 600 mm，堆内部件如上部组件、保护管组件和堆芯吊篮等与堆芯竖井安装间隙单侧为1 mm左右，对装配工艺要求极高。《VVER机组环行起重机技术规格书》7.2.3.13条规定：环行起重机（以下简称环吊）主起升机构吊运的反应堆设备在任何高度和主钩最大旋转角度范围内，起吊直径为3 600 mm的堆内部件同一平面高、低点差值不应大于1 mm。其作用为满足反应堆部件吊装需求。由于此项要求极高，环吊制造厂很难满足此项要求。某VVER机组国产化环吊吊运保护管组件时，因环吊主钩调平能力差，吊运保护管组件水平偏差过大，保护管组件在导向槽内卡住。回装保护管组件时因环吊主钩调平能力差而无法精准对中，且回装过程中同样会在导向槽内卡住。反应堆内部件无法拆卸，直接导致运行机组无法更换核燃料和机组无法长久运行。本文通过设计一种能实现精准调心功能的核电站环吊吊具，并经实际验证，高效地解决了这一难题。

1 环吊主钩调平差原因

核电站VVER机组环吊目前开始逐步实现了国产化，核电站环吊起升机构在满足设计规范和安全规程的基础上，起升机构钢丝绳还需满足下列特殊要求：采用两根钢丝绳交叉缠绕系统，当两根钢丝绳中任意的一根断裂后，由另一根钢丝绳承受全部载荷，且载荷转移没有过分的冲击，吊具仍然维持在平衡状态。核电站环吊为确保极高的安全性能，均采用高抗拉强度的钢丝绳（如2 160 MPa）。由于钢丝绳较高的抗拉强度，钢丝绳缰性较大。起吊反应堆芯部件时，钢丝绳受力处于无规律的拉升状态，因钢丝绳为交叉缠绕模式从而导致吊运的重物无法满足吊运VVER机组反应堆堆内部件在任何位置其直径3 600 mm的平面水平高低差值不能超过1 mm的极高要求。

2 VVER机组环吊主钩介绍

VVER机组环吊主钩较其它机组环吊主钩最大的不同点为：具备主钩自动旋转机构和主钩自动穿轴机构。为了保证环吊主钩能够旋转±360°，设有电动旋转机构。旋转机构由三合一结构（电动机、减速器、制动器组合）、小齿轮、大齿轮组成。小齿轮与三合一输出轴之间通过极限力矩联轴器连接，大齿轮安装在吊叉上，通过大齿轮的旋转带动吊叉的旋转。为了显示旋转角度，在小齿轮的末端设置了编码器。在大齿轮底部设有限位开关以防止吊具旋转角度大于±360°而损坏电缆。为了实现吊叉与专用吊具的连接，设有电动穿轴机构。穿轴机构由三合一结构（电动机、减速器、制动器组合）、链轮、链条、丝杆和销轴组成。销轴端部安装有与丝杆配套的螺母，穿轴电机转动时，通过链条和链轮带动丝杆旋转，丝杆与带螺纹的销轴一同旋转，因销轴上设置了挡块，阻止销轴旋转，从而带螺纹的销轴将旋转运动变为直线运动，实现销轴的进、退功能。VVER机组环吊主钩设计图见图1。

3 环吊吊具设计

核电站环吊安装在反应堆厂房内，由于核辐射的特殊性和机组商业运行盈利目的，一旦机组安装核燃料后就无法对环吊进行耗时较长的技改工作，故必须采用便捷的方式解决环吊主钩调平差问题。由于环吊机械结构已制造成型，无法在主起升机构上进行优化改进，故可设计一种非能动吊具，即采用具备优良自动调心功能的部件，依据重物自身重力实现自动调平。

3.1 环吊十字轴吊具

所有具备优良自动调心功能的部件中，如关节轴承和调心滚子轴承等，经试验验证关节轴承内圈和外圈之间为滑动摩擦，因摩擦系数较大无法实现精准调心功能。因此，需采用滚动摩擦形式的调心部件，以便减小摩擦系数，实现高精度调心功能。借鉴汽车万向传动节原理，采用在十字轴四端各安装一个高精度的调心滚子轴承，从而设计了环吊十字轴吊具。额定载荷为200 t的环吊十字轴吊具设计总图见图2。

3.2 选型配置

额定载荷为200 t的环吊十字轴吊具吊板和连接板采用常规板材Q345C，十字轴和穿销轴采用锻件，材料为42CrMo，热处理调质。4个轴承采用SKF品牌的调心滚子轴承。

3.3 调心能力计算

根据SKF轴承样本（2017），计算调心滚子轴承摩擦阻力矩为

式中：u为轴承滑动摩擦系数,取值为0.001；Q为载荷；dk为轴承内径，计算取160 mm。

由图3可得：

式中：X为摩擦阻力矩与载荷力矩平衡状态下吊物重心与吊具理想铅垂线水平距离，计算有

即单凭吊装的重物自重，吊重无法恢复到X=0的位置（理想铅垂位置）。无论载荷Q为多少，只要轴承摩擦系数、轴承外径确定，吊重在恢复竖直过程中，始终会在X=0.08 mm这一位置下停止。此时对应的角度α，可称为死区角,见图3。

通过取不同A值（A为重物中心至吊物回转中心的距离），计算出死区角α，统计如表1所示。

表1 关节轴承死区角A值对应关系

对于吊装直径3 600 mm的反应堆部件，其水平高低差不超过1 mm的要求，换算成角度偏差为

从A值取4 m时，死区角为0.001 14°，远小于0.016°。通过理论计算，环吊十字轴吊具能满足吊装直径为3 600 mm的反应堆堆内部件，在任何位置其水平高低差值不大于1 mm要求。

4 强度计算

4.1 十字轴强度

采用仿真软件计算出承受额定载荷时十字轴各位置的载荷应力大小，如图4所示。十字轴为锻件，材料为42CrMo，热调质处理后许用应力不小于510 MPa。十字轴圆弧过渡位置载荷应力最大，约为295 MPa，但远小于许用应力的下限值510 MPa，故十字轴强度满足要求。

4.2 连接板强度

连接板零件图如图5所示，材料为Q345C，其各项参数为

按照环吊技术规格书规定安全系数ne取1.48。

4.3 上侧板的计算

上侧板在图2所示A-A截面的应力计算为

轴孔的平均挤压应力为

下侧板的剪切力为

上侧板零件图如图6所示。

4.4 下侧板的计算

下侧板在图2所示A-A截面的应力计算为

轴孔的平均挤压应力为

下侧板的剪切力为

下侧板零件图如图7所示。

5 实际使用情况

吊运反应堆保护管组件时，环吊主钩销轴连接十字轴吊具上吊装孔，十字轴吊具下端穿销机构连接保护管组件吊具。环吊主钩吊起保护管组件吊具，并测量保护管组件吊具下端工艺面水平高低差值，通过添加配种块的方式将保护管组件吊具水平高低差值调整至1 mm以内。保护管组件吊具连接保护管组件，环吊主钩整体缓慢吊起保护管组件，随着环吊主钩旋转或大车、小车行走，经测量保护管组件下端工艺面水平高低差值始终保持在1 mm之内。经实际验证采用环吊十字轴吊具吊运反应堆保护钢结构和堆芯吊篮等部件时，均满足使用需求。采用环吊十字轴吊具吊装反应堆堆内构件使用情况见表2。其中水平差值测量方法为：采用高精度水平尺（精度0.01 mm）,分别测量物体四个对角位置标高值，求出最大差值。

表2 环吊十字轴吊具使用数据

6 结语

环吊十字轴吊具引入十字万向节作为高精度自动调心部件，能够满足对吊装重物水平度要求极高的工艺需求。能有效解决起重机钢丝绳缰性过大或其它因素引起的吊装物项水平差问题。不仅限于核电站，环吊十字轴吊具同样适用于其他对吊装物项水平度要求极高的吊装工艺，如航天、航空领域、军工领域、基建等领域，可为大型吊装机械的工程提供借鉴。