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        核電廠滿足單一故障準(zhǔn)則起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

        2016-04-26 09:19:42沈艷祥周超周洋
        科技視界 2016年9期

        沈艷祥 周超 周洋

        【摘 要】本文根據(jù)國內(nèi)外核電廠起重機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,對滿足單一故障準(zhǔn)則起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹和分析,有利于提高我國核電廠起重設(shè)備的安全性能,對起重設(shè)備的設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

        【關(guān)鍵詞】單一故障;起升機(jī)構(gòu);安全功能

        0 前言

        單一故障準(zhǔn)則是指在單一故障情況下,部件(設(shè)備)、系統(tǒng)、核動力廠不能喪失預(yù)計(jì)安全功能。對于起升機(jī)構(gòu),其滿足單一故障準(zhǔn)則的具體表現(xiàn)為:在發(fā)生斷電、SSE地震事件、零部件故障時(shí),應(yīng)保證不發(fā)生臨界載荷跌落事故,即在發(fā)生單一故障時(shí),不要求設(shè)備繼續(xù)正常運(yùn)行,但應(yīng)有措施能夠?qū)⑤d荷轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域,設(shè)備在修復(fù)后能夠恢復(fù)正常運(yùn)行。本文結(jié)合國內(nèi)外起重設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,對滿足單一故障準(zhǔn)則起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹,并做了詳細(xì)分析。

        1 起升機(jī)構(gòu)布置及分析[1-2]

        1.1 帶安全制動器的單驅(qū)動起升機(jī)構(gòu)

        如圖1所布置的起升機(jī)構(gòu)包含1個(gè)驅(qū)動電機(jī)、1個(gè)減速器、1個(gè)運(yùn)行制動器、1個(gè)緊急制動器和1個(gè)安全制動器。緊急制動器作為備用,延遲運(yùn)行制動器動作,延遲時(shí)間通過電氣設(shè)置。安全制動器位于卷筒上,當(dāng)起升機(jī)構(gòu)發(fā)生超速、傳動鏈損壞、停電或事故斷電時(shí),安全制動器進(jìn)行制動,直接抱住卷筒,防止載荷跌落。該布置方式的最大特點(diǎn)是在卷筒的輪緣上設(shè)置安全制動器,是國內(nèi)起重設(shè)備廠家普遍采用的一種結(jié)構(gòu)形式。

        圖1 帶安全制動器的單驅(qū)動起升機(jī)構(gòu)

        1.2 雙減速器單驅(qū)動起升機(jī)構(gòu)

        圖2 雙減速器單驅(qū)動起升機(jī)構(gòu)

        如圖2所示,雙減速器起升機(jī)構(gòu)。1個(gè)驅(qū)動電動機(jī)連接到2個(gè)獨(dú)立的減速器高速軸,機(jī)構(gòu)設(shè)置1個(gè)運(yùn)行制動器和1個(gè)緊急制動器,緊急制動器延時(shí)動作。這是典型的閉環(huán)布置形式,當(dāng)一條起升傳動鏈?zhǔn)r(shí),另一條傳動鏈可以保持住載荷,保證載荷不會跌落。

        1.3 雙起升機(jī)構(gòu)

        雙起升機(jī)構(gòu)布置形式如圖3所示。將2個(gè)起升機(jī)構(gòu)組合成1個(gè)冗余的起升機(jī)構(gòu)。這種布置將2個(gè)獨(dú)立起升卷筒中的鋼絲繩卷繞到同一個(gè)滑輪組。每一個(gè)起升機(jī)構(gòu)提供各自的載荷路徑,當(dāng)一個(gè)起升機(jī)構(gòu)載荷路徑部件失效時(shí),另一個(gè)起升機(jī)構(gòu)能夠保持載荷不跌落,從而實(shí)現(xiàn)安全功能。每個(gè)起升機(jī)構(gòu)上都設(shè)置1個(gè)運(yùn)行制動器和1個(gè)緊急制動器。

        圖3 雙起升機(jī)構(gòu)

        2 鋼絲繩卷繞系統(tǒng)

        滿足單一故障準(zhǔn)則的鋼絲繩卷繞系統(tǒng)通常包含2根鋼絲繩,當(dāng)1根鋼絲繩斷裂時(shí),載荷由另一根鋼絲繩承擔(dān),避免載荷跌落。如圖4所示,黑色和白色兩根獨(dú)立的鋼絲繩,通過載荷平衡裝置纏繞在卷筒、定滑輪組、動滑輪組上。載荷平衡器能夠?qū)⑤d荷均勻的分布在兩根鋼絲繩上,每根鋼絲繩的承載能力都以最大起升載荷進(jìn)行設(shè)計(jì),即便1根斷裂,另1根也有足夠的強(qiáng)度承擔(dān)載荷[1][3]。

        圖4 鋼絲繩卷繞系統(tǒng)

        3 斷軸保護(hù)

        斷軸保護(hù)裝置安裝在卷筒的底部,當(dāng)減速器軸或卷筒軸斷裂時(shí),斷軸保護(hù)裝置能夠支撐住卷筒,不會發(fā)生更嚴(yán)重的跌落,保證卷筒不會與制動系統(tǒng)脫開,同時(shí)觸發(fā)保護(hù)開關(guān),發(fā)出報(bào)警,啟動制動器動作,保持住載荷不跌落。如圖5所示,提供了一種斷軸保護(hù)裝置的布置形式。

        圖5 斷軸支撐裝置

        4 防“冒頂”事故

        “冒頂”是指動滑輪組向上運(yùn)動與定滑輪組發(fā)生碰撞,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致鋼絲繩被剪斷。為防止冒頂發(fā)生,NUREG-0554提供了兩種應(yīng)對方法。第一種方法是在起升系統(tǒng)中設(shè)置力矩限制系統(tǒng),用以吸收和控制發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生的動能,從而保護(hù)鋼絲繩不被剪斷。第二種方法是設(shè)置兩個(gè)相對獨(dú)立的不同型式的行程限位開關(guān),當(dāng)動滑輪組觸碰第一個(gè)行程開關(guān)時(shí)將停止起升運(yùn)動;第二個(gè)為超行程開關(guān)在第一個(gè)行程開關(guān)失效時(shí)起作用,其設(shè)計(jì)理念是避免冒頂事故發(fā)生[4]。

        美國針對第一種方法開發(fā)了一種安全保護(hù)系統(tǒng),名為X-SAM系統(tǒng),并取得了知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。這個(gè)系統(tǒng)在減速器油池內(nèi)設(shè)置了扭矩限制器,使其具有更高的熱容量,當(dāng)出現(xiàn)輪組碰撞、載荷卡阻等超載事故時(shí),如果起升電機(jī)未能及時(shí)停轉(zhuǎn),具有良好的熱容量可以為故障檢測及安全裝置動作提供時(shí)間,而不會導(dǎo)致扭矩限制器損壞。在整個(gè)的工作過程中,扭矩限制器不會與載荷脫開,它所執(zhí)行的功能是即使出現(xiàn)超載的情況,仍然只傳遞額定載荷產(chǎn)生的扭矩,進(jìn)而阻止起升卷筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動而對起升機(jī)構(gòu)產(chǎn)生破壞。簡而言之,第一種方法是依靠機(jī)械系統(tǒng),第二種方法依靠電氣系統(tǒng),隨著電氣設(shè)備可靠性的逐步提高,業(yè)界也對于這兩種方法的優(yōu)略存在著分歧,而國內(nèi)大部分采用的是第二種設(shè)計(jì)方法。

        5 吊具

        吊具是指安裝在動滑輪組上、與起升載荷連接的部件,例如,吊鉤、吊梁、軛等裝置。吊具的設(shè)計(jì)應(yīng)保證能承受3倍于所吊運(yùn)的最大載荷(靜載和動載)而不發(fā)生永久變形[4]。吊具安全性能主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)采用較高的安全系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

        6 其他安全措施

        鋼絲繩防疊繞監(jiān)測裝置,當(dāng)鋼絲繩發(fā)生錯誤纏繞現(xiàn)象,鋼絲繩將碰撞防疊繞撥桿,撥桿觸動限位開關(guān)動作,從而停止起升或下降[5]。

        負(fù)載保護(hù)系統(tǒng),在起升機(jī)構(gòu)上設(shè)置帶測力裝置的負(fù)載限制系統(tǒng),其測力信號可在司機(jī)室監(jiān)控工作站顯示,當(dāng)起升載荷超過規(guī)定值時(shí),將立刻切斷起升電機(jī)電源。

        傳動鏈監(jiān)測系統(tǒng),通過兩個(gè)編碼器對比電機(jī)和卷筒的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)對傳動鏈的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)測到故障時(shí),立即觸發(fā)制動器動作。

        超速保護(hù)裝置,在電機(jī)內(nèi)部設(shè)置超速開關(guān),當(dāng)電動機(jī)超速工作時(shí),開關(guān)動作切斷起升機(jī)構(gòu)電機(jī)的電源。

        7 結(jié)束語

        單一故障準(zhǔn)則起升機(jī)構(gòu)在核電廠中廣泛應(yīng)用,例如,環(huán)形吊車、乏燃料容器吊車、裝卸料機(jī)、新燃料升降機(jī)等,其根本要求是保證臨界載荷不發(fā)生跌落,實(shí)現(xiàn)其安全功能。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]ASME NOG-1-2010 Rules for Construction of Overhead and Gantry Cranes (Top Running Bridge, Multiple Girder)[S].

        [2]NB/T 20234-2013核電廠專用起重機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[S].

        [3]賀小明,奚梅英,翁晨陽.核電廠橋、門式起重機(jī)防單一故障特性要求[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2012(9):88-94.

        [4]SINGLE-FAILURE-PROOF RANES FOR NUCLEAR POWER[Z].

        [5]李賀龍,梁文燾,周忠武,曹向陽,郭富強(qiáng).起升機(jī)構(gòu)單一故障保護(hù)的實(shí)現(xiàn)[J].裝備制造技術(shù),2014(8):282-284.

        [責(zé)任編輯:王楠]

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