李開添 邱振艷

(中冶寶鋼技術服務有限公司，上海 201900)

核電專用蒸發(fā)器翻身設備研制

李開添 邱振艷

(中冶寶鋼技術服務有限公司，上海 201900)

核電專用翻身設備主要在核電蒸發(fā)容器制造過程中進行必須的工位變化，即由直立狀態(tài)翻轉到水平狀態(tài)或由水平狀態(tài)翻轉到直立狀態(tài)時應用，現(xiàn)對該設備的研制進行具體分析。

核電；蒸發(fā)器；翻身；研制

1 設備功能概述

本設備是核電蒸發(fā)容器制造過程中的翻身設備，主要用于蒸發(fā)器上筒體組件和管束組件的翻身，同時兼顧其他產品的單節(jié)筒體或筒體組件的翻身，動力按最大承受傾翻力矩300 t·m設計。

需要翻身的蒸發(fā)容器技術參數如下：

1.1 AP1000產品

上部組件的直徑5 334 mm、高度7 794 mm、重量229.8 t，下部組件的直徑4 487 mm、高度12 393 mm、重量195 t。

1.2 EPR產品

上部組件的直徑5 170 mm、高度8 800 mm、重量217 t，下部組件的直徑3 800 mm、高度11 800 mm、重量194.3 t。

1.3 CNP1000產品

上部組件的直徑4 435 mm、高度7 473 mm、重量105.6 t，下部組件的直徑3 434 mm、高度12 434 mm、重量142.4 t。

2 設備研制方案

該翻身裝置按用戶要求應能承受300 t·m力矩，總承載能力按300 t設計，當需要進行大工件翻轉時，可以脫開動力裝置，用行車翻身。

根據初始條件要求該裝置要承受300 t·m力矩，在豎直位置時油缸產生的力矩是最小的，初選油缸的行程為4 000 mm，工作壓力選為16 MPa，在此油壓下兩個油缸產生的推力可達204 t，此時的輸出力矩為344 t·m，在水平位置時，經過計算油缸的輸出力矩能夠達到816 t·m，均大于300 t·m。

以AP1000下部組件為例介紹整個裝置翻身過程。最大外徑4 487 mm，高度12 393 mm，重量195 t。當AP1000下部組件在豎直位置時，產生的力矩為223 t·m，小于此時油缸產生的拉力矩344 t·m，可以滿足由豎起位置到水平位置的翻轉，但在旋轉過程中由于工件重心位置的不斷改變，產生的力矩增加得非?？?，當AP1000下部組件在水平位置時，力矩達到了1 385 t·m，遠遠大于此時油缸能產生的最大力矩816 t·m，不能實現(xiàn)工件從水平位置到豎起位置的翻轉。因此，此類工件還是要依靠行車來輔助翻身過程。

3 設備的組成

設備應由以下部分組成：

(1) 底部基礎部分：本部分構成底部承載基礎。

(2) 設備主體部分：本蒸發(fā)器翻身裝置主要由L型翻轉架、基座、V型座(兩個V型座之間距離可調、與L型翻轉架配套)、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。

(3) 設備輔助部分：由控制系統(tǒng)(液壓控制、電氣控制)組成。

(4) 設備的附屬部分：使本設備安全、平穩(wěn)運行所必需的配套件。

3.1 基座

基座由鋼板焊接而成，焊接完成后整體去應力熱處理，并對油缸支座部分進行機械加工，確保連接面的平面度。

3.2 L型架及軸系設計

L形翻轉架是一個焊接結構件，由固定軸與基架鉸接在一起。

3.2.1 L型架結構強度計算

3.2.1.1 狀態(tài)一：工件豎直時工況

(1) 工件最大重量3 000 kN，因此截面到支點的距離l=1.5 m，最大彎矩設計值Mmax=7 560 kN·m，剪力設計值Vmax=5 040 kN。

此彎矩由兩個箱體梁共同來承擔，所以每個箱體梁所承受的彎矩和剪力的設計值為：M=Mmax/2=3 780 kN·m，V=Vmax/2=2 520 kN。

控制截面梁：Ix=15.49×1010mm4；S=9.22×107mm2；σmax=24.16 MPa<265 MPa；τ=18.75 MPa<120 MPa。

3.2.1.2 狀態(tài)二：工件平放時工況

Mmax=44 604 kN·m；Vmax=5 040 kN；M=Mmax/2=22 302 kN·m；V=Vmax/2=2 520 kN。

截面核算：Ix=6.13×1010mm4；Sx=5.33×107mm2；σmax=243.74 MPa<265 MPa；τ=27.39 MPa<180 MPa。

3.2.2 軸類零件的選材及強度、剛度計算

所有軸的材料為45鋼，經處理后的機械性能為：σb=665 MPa，σs=345 MPa。

取安全系數n=4，則軸(1)能承受的最大應力為：[σw]=86.25 MPa。

初步設計中各軸軸徑如下：軸(1)為L型架的固定旋轉軸，d1=320 mm；軸(2)為油缸耳環(huán)和L型架的鉸接軸，d2=200 mm；軸(3)為油缸和油缸支架的鉸接軸，d3=140 mm。

3.2.2.1 軸(1)的分析計算

由設計說明書可知，靜止時L型架承受的最大重量為300 t，加上L型架本身的重量(按60 t計算)，此時，軸(1)主要承受工件和L型架重力(360 t)產生的剪力。

方案中軸(1)位置有兩根軸，因此每根軸承受180 t的重量產生的剪力。軸(1)的詳細受力分析：G=1.8×106N；q=4.5×106N/m；F為支座反力，根據力的平衡，F(xiàn)=1.8×106N。易知截面所受彎矩最大，即：

計算得到：Mmax=1.44×105N·m。

3.2.2.2 軸(2)的分析計算

軸(2)是油缸耳環(huán)和L型架的鉸接軸，主要承受來自油缸的推力，油缸的最大推力為：

軸(2)所受的最大彎矩依然為A—A截面所受的彎矩：

軸總長l=0.18m；均布載荷q=4 267 000N/m；彈性模量E=200GPa；截面的軸慣性矩I=0.000 078 5m4；局部尺寸c=0.12m；計算得到最危險截面的力矩為Mmax=1.54×104N·m。

按照直徑d2=200mm計算，該軸所受的最大截面應力為：σw=19.6MPa<86.25MPa，滿足設計要求。

3.2.2.3 軸(3)的分析計算

在軸(2)的校核中，危險截面的應力遠小于許用應力，但是考慮到它還要承受來自L型架的作用力，所以把直徑做到200mm。軸(3)與軸(2)的受力簡圖完全相同，所受力也可以認為完全相同，下面校核d3=140mm能否滿足油缸最大推力的要求。

Fmax=5.12×105N

按照直徑d3=140 mm計算，該軸所受的最大截面應力為：σw=56.84 MPa<86.25 MPa，滿足設計要求。

3.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)設備由液壓站、閥臺以及閥臺至各執(zhí)行機構的所有附件等組成。液壓站布置在兩個基座中間，采用液壓站集中供油。液壓站設兩組油泵，其中一組為備用泵，即一用一備。

在設備旁邊設一個閥臺，由該液壓站負責向此閥臺供油，電磁換向閥、液控單向閥、電磁溢流閥及恒壓變量泵等采用REXROTH品牌元件。

液壓介質：長城牌46#抗磨液壓油；介質清潔度：NAS1638 7級。

液壓缸運行時保證工件平穩(wěn)、勻速翻轉，并符合翻轉速度小于10°/min的要求(無級可調)，雙液壓缸同步驅動，并具有急停功能(液壓系統(tǒng)故障及其他需要時，可自鎖并無沖擊)。由直立到水平或由水平到直立的狀態(tài)轉變時，系統(tǒng)操作能滿足上述要求。運行速度除標定的10°/min以外，能適當調節(jié)，范圍在5°～20°/min之間。

(1) 液壓站：液壓站布置在設備基座中間位置，以減少設備占用廠房空間。液壓站選用兩臺泵，一備一用。

(2) 液壓閥臺：根據液壓缸布置情況，在設備旁邊設一個液壓閥臺向各個液壓缸供油。

3.4 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由電源柜、控制柜以及操作臺等組成。重要電氣元件采用施耐德品牌，PLC控制采用西門子品牌產品。

設備運行可以在電氣操作臺上操作，同時，在設備兩側增加拖線式簡易操作盒的快速接口。

動力電源為AC380 V±10%(三相五線制)，操作臺設在機旁，并在能觀察到翻身裝置運行的合適位置上?？刂葡到y(tǒng)能實現(xiàn)啟(閉)液壓站，L型翻轉架的直立和水平轉換運行，中途停止、自鎖及中途轉換運行方向，急停，終點的自動停止等功能，從而保證系統(tǒng)的正常運行。

4 結語

核電專用蒸發(fā)器翻身設備的成功開發(fā)，有效地實現(xiàn)了核電設備制造行業(yè)中蒸發(fā)容器翻身工序的自動化，大大降低了生產廠家的成本，保證了翻身的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，填補了國內無核電專用蒸發(fā)器翻身設備的空白，其帶來的經濟效益和社會效益不可低估。

2014-06-19

李開添(1974—)，男，福建武平人，高級工程師，研究方向：工業(yè)特種設備開發(fā)與研究。