核电厂桥式起重机钢丝绳偏角异常事件处理分析

李今朝 张 峰 辛晓亮 王 欢 刘 倩

中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室 深圳 518172

0 引言

桥式起重机（以下简称桥机）是核电站在建造和运行阶段，为反应堆厂房内的重型设备安装、维修提供吊运服务的特种重型桥式起重机，包括吊装蒸汽发生器（SG）、压力容器（RPV）、稳压器（PZR）等大件设备。由于核电站设备闸门的限制，大件设备必须水平运输到反应堆厂房内，通过桥机翻转直立后再吊装到指定位置。

某核电站桥机在现场进行起吊试验过程中，发现钢丝绳与动滑轮上的罩子发生摩擦（见图1）。

钢丝绳在使用过程中会频繁绕入绕出滑轮槽和卷筒槽，异常摩擦会导致其使用寿命大幅度减少，严重时甚至会直接影响吊装安全[2]。为尽快解决该问题，需要对异常摩擦的原因进行详细分析。本文采用鱼骨图的分析方法（见图2），分析该异常现象的原因。

1 钢丝绳偏角分析

由于设备均已安装就位，且现场无可靠参照物，本文采用模型放样分析的方法，确定了吊装过程中各阶段的钢丝绳偏角大小，并对比了常用标准规范GB/T 3811—2008《起重机设计规范》[3]的要求，分析确定了钢丝绳异常摩擦的原因。该安装小车的基本参数为：钢丝绳直径d＝34 mm，卷筒槽底直径D＝1 600 mm，卷筒计算直径D0＝1 634 mm，卷筒上绳槽节距P＝38 mm，总起升高度H0＝35.5 m，卷筒中部无绳槽部分长度L1＝92 mm，吊环滑轮组中间2滑轮间距L2＝225 mm，滑轮倍率m＝12。钢丝绳缠绕卷筒及动滑轮的示意如图3所示。

由图3分析可知，当钢丝绳向绳圈方向偏斜时，偏角为

式中：α为与卷筒轴垂直平面之间的偏角，β为钢丝绳中心线与卷筒绳槽中心线之间的偏角，ε为卷筒螺旋槽倾斜角度，H为卷筒中心线距动滑轮中心线的高度，L为某标高时卷筒上2组钢丝绳之间的间距，L2为吊环滑轮组中间2滑轮间距，P为卷筒上绳槽节距，D0为卷筒计算直径，m为滑轮倍率。

当钢丝绳向空槽方向偏斜时，偏角按式（1）～式（3）、式（5）计算。经过计算，详细的偏角计算结果如表1所示。

表1 典型设备的偏角计算值

GB/T 3811—2008要求：钢丝绳绕进（出）卷筒时，钢丝绳中心线偏离螺旋槽中心线两侧的角度不应大于3.5°。由上表可知，对于不同设备的实际吊装，均出现了钢丝绳偏角超出规范要求的情况，钢丝绳异常摩擦确定是由于偏角超标导致。

2 偏角超标后果及原因分析

钢丝绳偏角增大可能会出现钢丝绳跳槽的事故，也不可避免地会对起升机构的各个部件造成一定的损害，包括钢丝绳、卷筒、滑轮组等[4]。本文采用故障树分析对偏角超标的可能后果及原因依次开展了分析，如图4所示。

3 偏角异常影响分析

3.1 钢丝绳是否跳槽分析

钢丝绳在绳槽内运动时，会同时受到拉力和摩擦力的作用，当脱离绳槽方向的分力和力矩分别小于压向绳槽方向的分力和力矩时，可认为钢丝绳不会出现跳槽。通过钢丝绳在最不利工作状态下的受力分析，包括力矩平衡分析及受力平衡分析，可以判断钢丝绳是否跳槽。

当钢丝绳与卷筒螺旋槽中心线之间的偏角β最大时，钢丝绳处于最不利位置。将钢丝绳卷入卷筒的切点位置放样如图5所示。图中α2指切点处切线与钢丝绳中心线之间的夹角，S指钢丝绳所受拉力。

钢丝绳受力分析示意如图6所示。图中α3为钢丝绳处于最不利位置时钢丝绳中心到接触点连线与水平分力的夹角，F1指钢丝绳水平分力，F2指阻止钢丝绳跳槽的分力，F3指F2对接触点的正压力，F4指F2对接触点的正压力，L1指钢丝绳跳槽的力臂，L2指阻止钢丝绳跳槽的力臂，B点为钢丝绳所处的最不利位置。

3.1.1 力矩平衡分析

钢丝绳在卷入绳槽过程中，由于偏角原因产生的水平力矩使钢丝绳有跳出绳槽顶部的趋势，钢丝绳拉力产生的绕进绳槽的力矩有克服其翻转跳槽的趋势。其中，跳槽力矩为

克服跳槽的力矩为

3.1.2 力平衡分析

钢丝绳在槽顶处产生的切向摩擦力有使钢丝绳向外跳槽的趋势，在该处的切向分力有使钢丝绳向卷筒卷入的趋势。其中，跳槽力为

克服跳槽的力为

根据计算分析可得表2，由表2可知，钢丝绳出现跳槽的风险较小。

表2 钢丝绳是否跳槽分析

3.2 对卷筒的影响分析

3.2.1 卷筒绳槽磨损增大的影响

由于钢丝绳偏斜过大，不可避免地增大了对卷筒螺旋槽侧面的磨损，长期使用下会出现卷筒强度和稳定性降低的风险。卷筒材料为Q345C，厚度为60 mm，根据GB/T 3811—2008计算其合成应力和临界压应力，筒体强度的安全系数和稳定系数分别为2.5和1.64，绳槽侧面的磨损对于卷筒的强度和稳定性影响较小，可以接受。

3.2.2 钢丝绳水平作用力增大对卷筒的影响

钢丝绳与卷筒螺旋槽中心线之间的夹角增大会使卷筒所受水平分力增大，由于卷筒形式为双联卷筒，两侧钢丝绳作用在卷筒上的水平作用力相互抵消，故水平作用力增大对卷筒几乎无影响。

3.3 对滑轮组的影响分析

根据上述分析，钢丝绳与动滑轮轴垂直平面间的最大偏角为4.5°，符合GB/T 3811—2008中不大于5°的要求。通过对最大偏角时滑轮绳槽侧面的挤压应力及轴承所受水平力的计算，轴承许用载荷及滑轮许用应力均远大于计算值，钢丝绳斜偏角的增大对滑轮组的影响可以接受。

3.4 对钢丝绳的影响分析

钢丝绳的基本参数为：额定起升载荷QA=550 000 kg，吊环滑轮组质量QD＝10 865 kg，钢丝绳质量Qg＝6 000 kg，滑轮倍率m＝12，滑轮组效率η1＝0.9，重力加速度g＝9.8 m/s2。

钢丝绳的最大静拉力为

根据用户手册可知钢丝绳最小破断力为1 055 000 N，安全系数为4.1。

考虑到钢丝绳偏角最大时的摩擦，钢丝绳中心线与滑轮轴垂直平面之间的最大偏角为4.5°，钢丝绳中心线与卷筒螺旋槽中心线之间的最大偏角为4.08°，滑动摩擦系数取0.14（不考虑润滑影响）。保守分析，钢丝绳同时受到卷筒和滑轮之间的摩擦力之和，叠加后计算得实际拉力为1.02SA，实际安全系数为4.02。根据GB/T 3811—2008的要求，工作级别为M3的该类型钢丝绳安全系数应大于3.55，满足规范要求。

3.5 钢丝绳寿命分析

根据Klaus Feyrer的理论计算模型[4]，钢丝绳入绳倾角对其弯曲疲劳寿命的影响为

式中：D为钢丝绳弯曲计算半径，d为钢丝绳公称直径，ψ为钢丝绳入绳倾角，Dψ为钢丝绳剩余弯曲疲劳寿命，N0为钢丝绳原始寿命。

根据计算结果，实际吊装时钢丝绳倾角最大值为4.5°，此时Dψ＝0.41。对于12倍率的起升系统，在1个起升循环中，钢丝绳局部承受最多弯曲疲劳周次的数量是23次，而核电站建造阶段安装小车需要完成的起升循环次数在10余次左右。所选钢丝绳的弯曲疲劳寿命约为13～16万次，对于仅需吊装主设备的安装小车来说，完全可以满足使用需求。

4 优化方案和解决措施

由式（1）～式（5）可知，当卷筒中心线距动滑轮中心线的高度H越小时，钢丝绳的偏角越小，故在吊装时减小吊钩下降的高度即可减小钢丝绳偏角。结合吊装主设备时吊钩所处的最低高度，分别设计不同长度的连接工具，即可保证在吊装过程中钢丝绳的偏角满足规范要求。连接工具的示意如图7所示。

在项目现场实际翻转过程中，该安装小车顺利完成吊装任务，证明了理论分析的合理性，基于特定条件下的钢丝绳偏角分析过程为后续类似情况的影响分析提供了一定的指导。

5 结论

本文以国内某项目桥机为例，提出了钢丝绳偏角的理论计算方法，在斜偏角不满足规范的情况下，通过对卷筒、滑轮组、钢丝绳的影响分析。

1）通过模型放样计算偏角的方法，解决了无法实测的问题，并发现了在试验过程中出现钢丝绳异常摩擦的现象是由于钢丝绳偏角过大造成的。

2）基于故障树分析、最不利情况受力分析及钢丝绳疲劳寿命理论给出了偏角超标是否可接受的验收评价准则。

3）在安装小车钢丝绳偏角不满足规范要求的情况下，通过连接工具的设计可以有效减小实际吊装过程中的钢丝绳偏角。

4）基于特定条件下的钢丝绳偏角分析，给后续研究不同情况下偏角的限值及可靠度提供了一定的指导。