南小飛

（山東核電有限公司 山東煙臺(tái)）

一、概述

AP1000環(huán)吊運(yùn)行在安全殼廠房的環(huán)形軌道上，是一個(gè)雙橋架、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的吊車，主起升和副起升安裝在能夠沿著橋架上平行軌道運(yùn)行的小車上，橋架包括兩根支持小車軌道的主梁和裝有驅(qū)動(dòng)輪的端梁，能夠360°旋轉(zhuǎn)。主起升和副起升電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器連接到鋼絲繩卷筒上。鋼絲繩穿過(guò)上、下部滑輪組，下部滑輪組安裝有吊鉤以加載負(fù)荷。環(huán)吊可以通過(guò)司機(jī)室或無(wú)線控制單元進(jìn)行控制。橋架額定承載727 t，能夠承載使用專用提升設(shè)備更換蒸汽發(fā)生器過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)荷。

二、主要技術(shù)參數(shù)

AP1000環(huán)吊重464.932 t，跨距37.795 m，主起升設(shè)計(jì)額定負(fù)荷272 t，最大關(guān)鍵載荷215.5 t，起升高度41.758 m。副起升設(shè)計(jì)額定負(fù)荷及最大關(guān)鍵載荷22.7 t，起升高度43.282 m。

三、防單一故障設(shè)計(jì)特征

環(huán)吊用于在反應(yīng)堆上方吊運(yùn)一體化頂蓋、堆內(nèi)構(gòu)件等設(shè)備。若所吊運(yùn)的載荷能夠直接或間接地引起放射性的釋放，這樣的載荷稱之為關(guān)鍵載荷。為了確保吊運(yùn)關(guān)鍵載荷的安全性，環(huán)吊設(shè)計(jì)須滿足防單一故障準(zhǔn)則。即：?jiǎn)我还收喜粫?huì)影響環(huán)吊安全保持載荷的能力。環(huán)吊僅主副起升系統(tǒng)，大、小車剎車系統(tǒng)滿足防單一故障設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。其他承重部件，如橋架按照保守設(shè)計(jì)，不必考慮防單一故障設(shè)計(jì)。

2005年，美國(guó)核工業(yè)報(bào)告總結(jié)2000-2004年期間的核電廠載荷跌落事故，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)不是由于提升機(jī)構(gòu)失效，而是由動(dòng)定滑輪碰磨、載荷阻礙引起的嚴(yán)重過(guò)載造成的，另外，鋼絲繩錯(cuò)繞引起的鋼絲繩失效也是引起載荷跌落的一個(gè)重要原因。上述信息說(shuō)明，設(shè)計(jì)一種能夠主動(dòng)承受而不是被動(dòng)防止此類事故發(fā)生的吊車，是從根本上解決由于動(dòng)定滑輪碰磨和載荷阻礙等原因引起載荷跌落事故的最終途徑。

核電站環(huán)吊載荷跌落造成的后果非常嚴(yán)重，為防止載荷跌落，AP1000環(huán)吊采用了超安全和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（X-SAM）設(shè)計(jì)。

1.X-SAM故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

X-SAM故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠確保環(huán)吊起升機(jī)構(gòu)在突破諸如起升上限位、起升下限位等傳統(tǒng)的限位保護(hù)或發(fā)生鋼絲繩錯(cuò)繞、斷繩、起升超速等故障后能夠安全停車，上述錯(cuò)誤信號(hào)出現(xiàn)后，除非使用鑰匙重置這些保護(hù)，否則，即使重新上電，起升系統(tǒng)也不會(huì)動(dòng)作。

當(dāng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)到起升機(jī)構(gòu)出現(xiàn)有可能導(dǎo)致載荷跌落事故的鋼絲繩錯(cuò)繞、斷繩、超速、達(dá)到冗余上、下極限位置信號(hào)時(shí)，環(huán)吊控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷電機(jī)電源，啟動(dòng)電機(jī)側(cè)正常剎車。

（1）鋼絲繩纏繞監(jiān)測(cè)。鋼絲繩錯(cuò)繞會(huì)導(dǎo)致載荷不按預(yù)定的路徑行走，導(dǎo)致鋼絲繩受力不均，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致載荷跌落。如圖1所示為AP1000環(huán)吊鋼絲繩纏繞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)鋼絲繩錯(cuò)繞，卷筒鋼槽內(nèi)疊錯(cuò)的鋼絲繩便會(huì)撬動(dòng)與卷筒外沿密切貼合的鋼管，隨后觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生鋼絲繩錯(cuò)繞信號(hào)。

（2）起升超速監(jiān)測(cè)。電機(jī)或卷筒超速意味著控制系統(tǒng)故障或機(jī)械傳動(dòng)鏈故障。為此，在電機(jī)和卷筒軸端分別裝有超速開(kāi)關(guān)用以監(jiān)測(cè)超速信號(hào)，如圖1所示。

（3）斷繩監(jiān)測(cè)。為防止單股鋼絲繩斷裂導(dǎo)致載荷跌落，AP1000環(huán)吊采用了雙股鋼絲繩纏繞。每股鋼絲繩可獨(dú)立地承擔(dān)所有負(fù)荷。在液壓平衡缸兩端各裝有一個(gè)斷繩監(jiān)測(cè)限位，任何一股鋼絲繩斷裂都可以造成液壓平衡缸活塞移位，進(jìn)而導(dǎo)致斷繩監(jiān)測(cè)限位動(dòng)作，如圖2所示。

（4）起升冗余上限位監(jiān)測(cè)。吊鉤在達(dá)到上極限位置之前的兩個(gè)標(biāo)高上設(shè)置了兩道電限位保護(hù)，第一道保護(hù)為蝸輪蝸桿限位，第二道保護(hù)為冗余的重錘限位，能夠直接切斷起升電機(jī)電源，阻止吊鉤進(jìn)一步上升，如圖3所示。

圖1 鋼絲繩纏繞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖

圖2 斷繩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖

（5）起升冗余下限位監(jiān)測(cè)。吊鉤在達(dá)到下極限位置之前的兩個(gè)標(biāo)高上設(shè)置了兩道電限位保護(hù)，第一道保護(hù)為安裝在起升減速器上的蝸輪蝸桿限位，第二道保護(hù)為安裝在卷筒上的冗余蝸輪蝸桿限位，如圖4所示。

2.能量吸收扭矩限制器

為防止動(dòng)定滑輪碰磨，AP1000環(huán)吊吊鉤在接近上極限位置之前的兩個(gè)標(biāo)高設(shè)置了兩道電限位保護(hù)，如果吊鉤觸發(fā)了這兩道電限位后起升電機(jī)依然不能安全地停下來(lái)，動(dòng)定滑輪碰磨便會(huì)不可避免地發(fā)生。AP1000環(huán)吊能量吸收扭矩限制器能夠保證發(fā)生動(dòng)定滑輪碰磨時(shí)安全地保持載荷，同時(shí)使鋼絲繩等部件不致因?yàn)檫^(guò)載承受過(guò)大的應(yīng)力而損壞。由于扭矩限制器內(nèi)部的滑動(dòng)，使起升電機(jī)的輸出有了一個(gè)出口，不會(huì)產(chǎn)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)燒毀的事故。

動(dòng)定滑輪碰磨時(shí)，位于減速箱內(nèi)能量吸收扭矩限制器直接將起升機(jī)構(gòu)的高速動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)起到能量吸收器及扭矩限制器的作用，在不發(fā)生過(guò)載事故工況下，扭矩限制器承擔(dān)標(biāo)準(zhǔn)齒輪的角色，將電動(dòng)機(jī)的扭矩放大并傳送至卷筒。其布置如圖4所示。

圖3 起升冗余上限位監(jiān)測(cè)

3.卷筒帶式應(yīng)急剎車

圖4 能量吸收扭矩限制器

AP1000起升機(jī)構(gòu)擁有兩套相互獨(dú)立的剎車系統(tǒng)，分別為位于電機(jī)輸出軸側(cè)的正常剎車和位于起升卷筒一側(cè)的應(yīng)急帶式應(yīng)急剎車。應(yīng)急帶式剎車作為正常剎車的冗余，能夠使起升系統(tǒng)安全可靠地停車并能夠保持住載荷，一旦電機(jī)高速軸和卷筒之間的機(jī)械傳動(dòng)鏈不連續(xù)，便會(huì)自動(dòng)觸發(fā)應(yīng)急剎車。其觸發(fā)裝置為一個(gè)能測(cè)量傳動(dòng)鏈速比的純機(jī)械裝置，出現(xiàn)異常速比后，應(yīng)急剎車驅(qū)動(dòng)氣缸內(nèi)處于壓縮狀態(tài)的彈簧便會(huì)動(dòng)作，帶式剎車緊緊抱住卷筒，起到剎車作用。采用壓縮空氣將驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)彈開(kāi)的彈簧重新進(jìn)行壓縮，帶式剎車便得到釋放。緊急狀態(tài)下，可以通過(guò)控制進(jìn)入驅(qū)動(dòng)裝置的空氣量來(lái)控制帶式剎車的開(kāi)度，將載荷緩慢降至安全位置。布置見(jiàn)圖5所示。

4.機(jī)械傳動(dòng)鏈連續(xù)性監(jiān)測(cè)

圖5 卷筒帶式應(yīng)急剎車

正常運(yùn)行工況下，由于起升機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)鏈的連續(xù)性，電機(jī)與卷筒之間保持一個(gè)恒定的速比。因此，一旦出現(xiàn)異常的速比，即表示出現(xiàn)了諸如卷筒斷軸，正常剎車失靈，減速器斷齒等破壞機(jī)械傳動(dòng)鏈連續(xù)性的故障。而這些故障都會(huì)導(dǎo)致載荷跌落。機(jī)械傳動(dòng)鏈連續(xù)性監(jiān)測(cè)裝置就是通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)起升機(jī)構(gòu)卷筒與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的速比來(lái)監(jiān)測(cè)傳動(dòng)鏈的連續(xù)性。異常速比會(huì)啟動(dòng)環(huán)吊卷筒帶式應(yīng)急剎車，保證在載荷跌落之初能及時(shí)阻止載荷進(jìn)一步跌落，確保了設(shè)備及載荷的安全。布置見(jiàn)圖6所示。

為確保環(huán)吊停車斷電后依然能夠監(jiān)測(cè)機(jī)械傳動(dòng)鏈連續(xù)性，控制系統(tǒng)切斷機(jī)械傳動(dòng)鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的離合剎車電源，使軟軸與電機(jī)斷開(kāi)，保證斷電后機(jī)械傳動(dòng)鏈不連續(xù)時(shí)能夠啟動(dòng)卷筒應(yīng)急剎車，阻止載荷跌落。

圖6 機(jī)械傳動(dòng)鏈連續(xù)性監(jiān)測(cè)

四、結(jié)論

采用X-SAM系統(tǒng)的AP1000環(huán)吊能夠主動(dòng)承受而不是被動(dòng)防止由于動(dòng)定滑輪碰磨和載荷阻礙導(dǎo)致的載荷跌落事故，其應(yīng)急帶式剎車的觸發(fā)僅僅依靠純機(jī)械的傳動(dòng)比測(cè)量系統(tǒng)，完全獨(dú)立于傳統(tǒng)的電保護(hù)，應(yīng)急帶式剎車能夠在環(huán)吊失電且正常剎車失效，卷筒斷軸等極端嚴(yán)重事故下依然能夠抱住卷筒而不發(fā)生載荷跌落事故，保證了核安全。