HFETR可拆卸辐照考验装置专用吊装工具的研制

刘豪，吴瑞，冯浩志，余洁，罗文广

（中国核动力研究设计院反应堆运行与应用研究所，成都 610213）

0 引言

辐照装置主要用于燃料元件、材料等辐照考验试验[1]。完成辐照试验后，将辐照装置整体出堆，通过吊装将燃料元件拔出。辐照装置吊装过程直接影响了燃料元件的安全。

在HFETR堆内辐照考验结束后，燃料元件具有高放射性特点。由于辐照装置重约600 kg，总长约9 m，内部空间长径比达到160∶1。辐照试验后的燃料元件需要在水池或热室进行表面检查等，因此吊装期间辐照装置需具有较好的垂直度，以避免擦伤燃料元件表面。同时为尽量降低人员受辐照剂量，辐照装置上端应具有足够高度的水屏蔽层。为确保吊装过程安全、燃料元件的安全性及表面特征的完整，本文进行了吊装工具的结构设计及分析优化。

1 吊装工具设计技术

参考《EJ/T 883-2006压水堆核电厂乏燃料贮存设施设计准则》[2]中对乏燃料贮存装置要求及辐照装置吊装过程中的垂直度要求提出设计要求：1）额定载荷产生的应力小于20%抗拉强度；2）吊装工具支撑基座水平面受载后沿Y向允许偏转角小于0.1°，偏转角δ计算公式为

式中：τ为工具受载后Y向位移，mm；L为工具受载面长度，取400 mm。

2 操作工艺及吊装工具结构

吊装工具的应用对象为HFTER可拆卸辐照装置[3]，其结构如图1所示。

图1 可拆卸辐照装置

吊装工具主要包含支撑基座、高度调节部件和法兰连接部件，如图2所示。其中高度调节部件主要用于辐照装置高度微调，使其尽量接近池底，以保证足够高度的水屏蔽层，高度调节范围为0～500 mm。高度调节部件采用减速比为1∶3的直齿轮副及增速比16∶1的滚珠丝杠副作为传动部件，通过摇动手柄提升或下降承载板。材料均选用06Cr19Ni10，其屈服强度为205 MPa，抗拉强度为520 MPa（参考EN/T 883-2006标准中的许用应力为104 MPa）。

图2 专用吊装工具

燃料元件拔出操作过程中，主要的吊装状态如图3所示。在图3（a）所示吊装状态下，由操作人员拆卸顶部法兰，取出保护鼠笼等附件。完成后，利用分流管吊装工具将分流管组件悬挂后，将燃料元件抓取工具穿过分流管吊装工具及分流管组件，抓住燃料元件。在图3（b）吊装状态下，利用吊装工具的高度调节机构调整辐照装置高度，使其尽量接近保存水池池底，然后借助吊车远程操作系统将分流管吊装工具、燃料组件抓取工具、分流管及燃料组件一并拔出。

图3 辐照装置吊装主要状态示意图

3 吊装工具结构分析及优化

吊装工具中承载部件主要为支撑基座、高度调节部件中的传动部件，下文针对两处主要承载部件进行有限元分析。

3.1 支撑基座结构有限元分析及优化

由于支撑基座属于两点固定悬臂梁，因此该支撑基座为主要承载件。选取无加强筋、三角加强筋、整体加强筋等3种结构施加额定载荷6 kN进行受力分析，其结构如图4所示。

图4 不同加强筋结构示意图

3.1.1 有限元模型

有限元模型采用六面体网格，网格总数为50 000，节点数为170 000。有限元模型中分别对载荷面施加6 kN的Z向载荷，对支撑翼板施加固定约束。

3.1.2 结果分析

由图7可知，事故工况下，3种结构最大应力分别为72、84、50 MPa，其中无加强筋和三角加强筋均存在局部应力集中。无加强筋结构安全系数为1.44。整体加强筋结构在额定载荷下，应力分布更加均匀，不存在局部应力集中，最大等效应力为50 MPa，安全系数为2.08，为3种结构中安全系数最高值。

图5 吊装工具有限元模型网格划分

图6 有限元模型边界条件

图7 不同加强筋对基座mises应力的影响

由图8可知，额定工况下3种结构的Z方向位移差分别为0.7、0.1、0.2 mm，三角加强筋结构的Y方向位移差值最小。3种结构均满足吊装过程中对辐照装置垂直度的要求。

图8 不同加强筋对基座Y方向变形量的影响

3.2 传动部件有限元分析

传动部件中主要包含一对传动比为3∶1的减速直齿轮及传动比为16∶1的增速滚珠丝杠。滚珠丝杠选取承载1.5 t、导程为16 mm的标准件，其承载能力远大于额定工况，因此本文主要进行直齿轮受载能力分析，齿轮参数如表1所示。

表1 齿轮参数表

大齿轮转矩T计算公式为

式中：η为滚珠丝杠效率，取0.9；F为轴向载荷，为6 kN；L为导程。

3.2.1 有限元模型

由于直齿轮副中齿轮轴轴承间距跨度小，因此仅进行了齿轮无偏载情况下的有限元分析。有限元模型采用六面体网格，网格总数为153 702，节点总数为472 951，对小齿轮施加0.6 rad的转角，对大齿轮施加135 N·m的转矩，如图9所示。

图9 直齿轮副有限元模型

3.2.2 结果分析

由图10～图12可以看出，在额定载荷下单齿接触时，齿轮齿面接触应力、齿根弯曲应力最大，其中小齿轮齿根处等效应力最大值为62 MPa，大齿轮齿根处等效应力最大值为40 MPa。小齿轮齿面最大等效应力为79 MPa，大齿轮齿面最大等效应力为121 MPa。

图10 不同啮合点小齿轮Mises应力

图11 齿轮副接触压力分布

图12 不同啮合点大齿轮Mises应力

4 结论

本文根据燃料元件出堆需求制定了辐照装置吊装工艺路线，并根据该工艺路线设计了专用吊装工具。通过对专用吊装工具进行有限元计算，在未优化条件下，原设计安全系数为1.44。通过分析结果，对吊装工具结构进行了优化，提高了台架吊装过程、拆卸过程中的安全系数，满足现场吊装需要。