某种容器用抓具的设计与试验验证

2023-01-30张永璐宋林星刘伟东

技术与市场 2023年1期

张永璐，宋林星，刘伟东

(1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川成都 611731；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川自贡 643001)

0 引言

随着世界工业经济的高速发展，各种结构的容器在工业生产和生活中得到广泛应用，虽然带来了便利，但也发生了一些爆炸、泄漏、跌落伤人等事故。尤其随着我国核动力、核电站等日益增多，贮运带放射性介质的容器的使用频率越来越高，给人们的工作、生活带来了些许安全隐患。

容器为敞口设置，运行压力为常压，运行时容器一般不会发生危险事故，但在制造、吊运的过程中发生跌落摔伤等事件居多。为防止容器的摔落、损伤，在容器起吊过程中都会使用到一些可靠的起吊专用工具，故起吊工具的可靠设计和试验验证是非常重要的。

本文针对某项目盛装高放射性介质的容器，在制造和使用过程中均须频繁使用起吊工具(针对此容器的特殊结构，以下将起吊工具称为“抓具”)的情况，设计了一种适用的抓具，并阐述了抓具的设计思路、结构强度分析和试验验证方法，旨在抛砖引玉，为更多类似容器用工具的设计提供借鉴。

1 抓具设计

1.1 配套抓具的容器介绍

该特制容器主要由内筒体和外筒体组成，内、外筒体均为圆柱形，外筒体为直立圆柱形一端无封盖的壳体，内筒体为内部附属部分附件的圆柱形壳体，容器在正常运行时，内筒体内将盛装液态金属铅。在事故工况下，液态金属铅将用来洗涤带有高放射性的特殊结构。与此同时，装有放射性结构的内筒需要使用抓具吊运至指定的安全场所。

考虑内、外筒体装配间隙及设备在运行时为保证金属铅为液态，需要加热而导致的热胀冷缩等因素，内筒置入外筒后，须保证内筒外壁与外筒内壁之间有约5 mm的间隙。鉴于设备的运行情况，内、外筒间距很小，不允许在装配或者使用时在内筒外壁焊接起吊用吊耳。另外在运输时，为避免内、外筒体装配一体可能发生碰撞损伤，内、外筒体是在分离状态下单独运输的。

内、外筒体运输至使用现场后，容器须进行安装合体，且容器设备使用时，须将带强辐射介质的内筒吊运至安全处，故抓具使用频率较高。可靠的抓具设计是保证设备正常运行和操作人员安全的关键因素。内筒体与抓具连接处的结构如图1所示。

图1 内筒与抓具连接处结构

1.2 抓具设计思路

从内筒体与抓具连接处的形式看，为防止受力不均导致卡死而损坏，内筒体上的平台是作为承力接触面的最好选择，内筒体上的凹槽仅用于防止抓具滑落和限位，而不作为主要承力接触面。

基于该容器结构的特殊性(内部用于起吊承力部分的外形尺寸大于抓具进入通道的收口尺寸)，要实现抓具的起吊功能，抓具须具有可展开和收缩的功能结构，抓具在进入设备时须将结构收缩进入，抓具通过内筒体连接处后能伸展开，并保持承力面与内筒体平台接触。

本文所设计的抓具为拆卸自如、调节方便的螺纹连接结构，如图2所示。

图2 抓具结构

抓具由1个吊钩组件、3组吊杆组件(按120°均布)、3个螺栓M56×195，以及相关连接和限位零件等组成。吊杆组件上设有把手，通过其实现抓具的伸展和收紧，可自由进出设备，实现对设备的起吊功能。

2 理论验证

2.1 尺寸试算及最终确定

首先，利用材料力学基础知识，以集中力代替实际分布力对抓具各截面的受力展开分析，确保最危险截面受力满足要求并留适当余量。接着，建立完整的有限元分析模型，进行静力分析、模态分析、抗震分析。最后，根据适用的分析设计标准(本文按ASME NF分卷)按应力分类法进行强度评定，最终确定满足强度要求的结构尺寸。

2.2 螺纹连接处的强度校核

由于热处理和选材的特殊处理，螺纹连接处的失效发生在螺母处，为此将螺纹牙展开后相当于一根悬臂梁，如图3所示。

图3 螺纹牙展开示意图

螺纹副的抗挤压强度、抗剪切强度、抗弯曲强度公式分别如下。

(1)

(2)

(3)

式中：F为轴向力，N；d1为螺纹大径，mm；d2为螺纹中径，mm；d为螺纹小径，mm；b为螺纹牙底宽度，mm；h为螺纹工作高度，mm；[σp]为许用挤压应力，MPa，通常许用挤压应力值取许用应力；[τ]为许用切应力；[σb]为许用弯曲；应力D为内螺纹大径，mm；b为螺纹牙底宽度；z为结合圈数，一般不大于10。

按式(1)～(3)，对螺纹结构进行强度校核，结构满足要求。

3 静力分析和强度评定

对螺纹结构进行适当简化，建立有限元计算模型，用有限元分析软件ANSYS对抓具的应力进行了分析，并参考ASME BPVC-Ⅲ-NF分卷《支承件》、ASME BPVC-Ⅲ-附录、JB/T4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》(2005年确认)对其强度进行了评定。材料本构关系为线弹性，计算方法为线性静力计算。