楊歡，馮棟彥，張新雨，趙鑫澎

（南華大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖南 衡陽421001）

0 引 言

壓水堆核電機組一般先進行安全殼內(nèi)部設(shè)備的安裝，待所有設(shè)備安裝好后再安裝頂封頭。內(nèi)部設(shè)備的安裝稱之為開頂法施工模式，由于工期較長，施工過程中在筒體內(nèi)部的連續(xù)施工作業(yè)和已安裝設(shè)備都需要進行防護。核電站建造時一般在筒體就位后，在其上方安裝一個可以開合的臨時頂蓋，既可進行設(shè)備的吊裝，也可以對筒體內(nèi)部施工環(huán)境和己安裝設(shè)備進行有效防護，確保施工周期和施工質(zhì)量不受影響[1-3]。目前國內(nèi)臨時頂蓋通常采用空間桁架結(jié)構(gòu),安裝于核電安全殼筒體上方,其外形與尺寸由筒體外形、尺寸及核電安全殼內(nèi)部模塊尺寸所確定。臨時頂蓋整體結(jié)構(gòu)設(shè)計成回轉(zhuǎn)形式,可實現(xiàn)整體電動回轉(zhuǎn)運動,頂部為門式橫向開合或圓弧開合結(jié)構(gòu)，通過開口動作和整體回轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)筒體內(nèi)部模塊的無死角吊裝[4]，如圖1、圖2所示。

工作中，由于開口空間有限，需整體轉(zhuǎn)動配合以達到任一位置吊裝的要求，而臨時頂蓋整體結(jié)構(gòu)龐大（整體直徑約40 m，中心最大高度大于10 m，質(zhì)量超過50 t），因此，轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)不方便。本文提出圓弧開合式的頂蓋設(shè)計方案，3級頂蓋分布在3個不同的軌道上，相互之間無干擾，可單獨控制轉(zhuǎn)動，從而達到減重、控制靈活的目的。

圖1 門式橫向開合頂蓋結(jié)構(gòu)

圖2 門式圓弧開合頂蓋結(jié)構(gòu)

1 圓弧開合頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 圓弧開合頂蓋結(jié)構(gòu)方案

為保證可以滿足大規(guī)模和小規(guī)模施工的要求，確定將頂蓋結(jié)構(gòu)分為3級。3級頂蓋分布在3個不同的軌道上，相互之間沒有干擾，如圖3所示。每一層頂蓋都可以單獨移動，達到以最小驅(qū)動力實現(xiàn)運動的目的。同時在每級頂蓋底部與軌道接觸部位安裝滾珠，利用滾動摩擦力，大大減小了阻力。為保證在雨雪天氣可以提供良好的保護效果，結(jié)構(gòu)采用1/4球形。為保證有最大的開合面積，3級頂蓋按弧度均勻劃分，每級頂蓋均為1/3，為保證良好的保護，每級頂蓋角度均取130°，呈瓦式結(jié)構(gòu)。因為第二級半徑大于第一級，第三級半徑大于第二級。故第一級、第二級可完全繞至第三級下面，全部打開。

式中：S為面積；r為半徑；n為弧所對圓心角，（°）。

第一級、第二級完全打開時，

式中：A為最大開合面積百分比；S1為可開合最大面積；S2為最大面積。

通過計算得出最大開合面積占總面積的65%以上，進而實現(xiàn)筒體內(nèi)部模塊的無死角吊裝。采用用圓弧頂蓋來代替原有的鋼結(jié)構(gòu)頂蓋，減輕了頂蓋質(zhì)量，節(jié)約了鋼材。同時，整體圓弧結(jié)構(gòu)具有更大的穩(wěn)定性，在吊裝、風(fēng)載、雪載、地震等惡劣環(huán)境中，能提供更好的保護效果。

圓弧頂蓋采用繞軸式運動結(jié)構(gòu)，3級頂蓋都繞弧頂同一軸旋轉(zhuǎn)，為保證3級頂蓋之間互不影響，故將軸做成階梯狀結(jié)構(gòu)，分別安裝不同軸承。

圖3 3級頂蓋效果圖

1.2 環(huán)境載荷計算

1）風(fēng)載荷。圓弧頂蓋所受風(fēng)載荷根據(jù)設(shè)計手冊《起重機設(shè)計規(guī)范》[5]進行計算：

式中：P為計算風(fēng)壓，N/m2；vs為計算風(fēng)速，m/s。

圓弧頂蓋需承受最大8級風(fēng)的載荷，當(dāng)風(fēng)速超過8級時，可將部分輔助裝備拆下，以減小圓弧頂蓋所受風(fēng)載。同時，在安裝時，應(yīng)選擇合適的季節(jié)，盡量選擇惡劣天氣較少的季節(jié)。圓弧頂蓋極限風(fēng)載荷按8級風(fēng)速計算，計算風(fēng)速為vs=28.3 m/s，風(fēng)載荷方向取水平方向。

2）雪載荷。圓弧頂蓋所受雪載荷根據(jù)設(shè)計手冊《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[6]進行計算：

式中：sk為雪荷載標準值，N/m；μr為圓弧頂蓋積雪分布系數(shù)，因為為圓弧狀，故選取μr=0.5；s0為基本雪壓，根據(jù)手冊，基本雪壓取400 N/m2。圓弧頂蓋所受雪載荷方向取豎直向下。

新設(shè)計方案附加載荷取19 600 N進行計算。重力加速度為g=9.81 m/s2。

根據(jù)國家能源局核電站建造手冊《壓水堆核電廠反應(yīng)堆廠房鋼襯里穹頂?shù)跹b施工技術(shù)規(guī)程》[7]，吊裝零件離開地面時由于慣性導(dǎo)致載荷增加，根據(jù)手冊取起升動載荷安全系數(shù)K=1.1；因自重較大，在吊裝時，圓弧頂蓋與附件的自重均應(yīng)考慮起升動載系數(shù)的影響。將風(fēng)載和雪載簡化為平面受力，圓弧頂蓋工作與吊裝工況下的模型載荷計算結(jié)果如表1所示。

表1 圓弧頂蓋不同工況下載荷情況

1.3 臨時頂蓋尺寸

臨時頂蓋采取圓弧頂蓋結(jié)構(gòu)方案，安裝在核電廠安全殼的筒體上方，圓弧頂蓋的尺寸按筒體外形尺寸進行設(shè)計，單級頂蓋的開合弧度以最大內(nèi)部模塊尺寸進行設(shè)計，確保模塊正常吊裝。圓弧頂蓋整體結(jié)構(gòu)取回轉(zhuǎn)形式，分布在3條不同的軌道上，軌道內(nèi)安裝滾動軸承，以實現(xiàn)各級頂蓋均可單獨進行一定角度的轉(zhuǎn)動。本文分析中取圓弧頂蓋最小直徑40 m，中心最大高度20 m。3級頂蓋完全開合，最大開合面積占總面積的65%以上。

按照強度理論[8-9]可以得出：

按第一強度理論，σ1≤[σ]3；

按第二強度理論，σ1-ν(σ2+σ3)≤[σ]；

按第三強度理論，σ2-σ3≤[σ]；

式中：σ1、σ2、σ3是材料危險點的3個主應(yīng)力；[σ]為許用應(yīng)力；ν為泊松比。因為材料是Q235，故彈性模量E為200～210 GPa；泊松比ν為0.24～0.28。

取安全系數(shù)為2，故取許用應(yīng)力[σ]為100 MPa；載荷p取700 N/m2；D為直徑，40 m。代入上式，可得：

式中：δ"為頂蓋壁厚；D為直徑；ε為最大伸長線應(yīng)變；取ε"為0.33；彈性模量E為200；泊松比ν為0.25；其他數(shù)值同上。

求得頂蓋最小壁厚為8 cm，向上取整為10 cm。

1.4 臨時頂蓋自重

臨時頂蓋鋼結(jié)構(gòu)材料采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。GB700-88標準中的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235[10]按照冶金質(zhì)量可分為A、B、C、D四個等級，各等級的鋼種Si質(zhì)量分數(shù)均為0.3%，區(qū)別在于各鋼材碳含量和硫、磷含量的不同。A、B級鋼材碳質(zhì)量分數(shù)分別為0.14%～0.22%和0.12%～0.20%，C、D級鋼材碳質(zhì)量分數(shù)分別為≤0.18%、≤0.17%，A級鋼材Mn含量最小，D級鋼材S、P含量最小。

通用國標中Q235的密度ρ=7.85 g/cm3。通過前期材料力學(xué)初步分析，確定最小厚度為10 cm，根據(jù)公式計算球體的體積：

式中：V為球體的體積。

通過計算得到，第一級圓弧頂蓋體積為168.34 m3；第二級圓弧頂蓋體積為171.7 m3；第三級圓弧頂蓋體積為175.23 m3；總體積為515.27 m3。因為采取瓦式結(jié)構(gòu)，所以會有一個小的覆蓋，故可大致估算體積為550 m3。

通過公式m=ρV計算其質(zhì)量如表2所示。

表2 各級頂蓋質(zhì)量 kg

2 圓弧頂蓋有限元分析

2.1 圓弧頂蓋模型網(wǎng)格劃分

對圓弧頂蓋進行三維模型有限元分析時，需要重點分析載荷、應(yīng)力、應(yīng)變等是否滿足設(shè)計要求，而對圓弧頂蓋結(jié)構(gòu)進行了簡化處理。網(wǎng)格劃分時，圓弧頂蓋結(jié)構(gòu)采用Beaml88單元[11]，吊環(huán)等輔助設(shè)備忽略不計。因自重較大，圓弧結(jié)構(gòu)在空間上穩(wěn)定性好，故采用剛性結(jié)構(gòu)對整體設(shè)計進行分析。為滿足結(jié)果的準確性與可靠性，網(wǎng)格不宜劃分太大或太小，根據(jù)綜合考慮以及查閱相關(guān)資料，所有網(wǎng)格按300 mm進行劃分，并利用軟件自動對圓弧網(wǎng)格劃分進行優(yōu)化[12]。臨時圓弧頂蓋有限元模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 圓弧頂蓋有限元模型網(wǎng)格

圖5 雪載有限元分析

2.2 載荷分析

1）雪載驗證。對臨時圓弧頂蓋進行雪載分析，如圖5所示。

考慮到圓弧頂蓋的結(jié)構(gòu)特性，雪花落在上面會有一個滑落，在底部會有堆積現(xiàn)象，故底部受力要大于頂端受力，類似于塔式結(jié)構(gòu)。因此，雪載對于模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不會產(chǎn)生太大的影響，可以選擇人工對積雪進行處理，防止雪勢過大對臨時圓弧頂蓋造成結(jié)構(gòu)上的影響。

2）風(fēng)載驗證。對臨時圓弧頂蓋進行風(fēng)載分析，結(jié)果如圖6所示。

通過分析結(jié)果可 以 看出，臨時圓弧頂蓋在風(fēng)載作用下，頂端受力最大，因為頂端面積相對較小，受力相對集中，但還在許用受力范圍，可以滿足臨時圓弧頂蓋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求。

綜合上述分析，10 cm的厚度完全可以滿足臨時圓弧頂蓋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和在風(fēng)、雪等惡劣天氣下的保護要求，該臨時頂蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全合理的，可以滿足實際需要。

圖6 風(fēng)載有限元分析

3 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有核電站建造所用的臨時頂蓋機構(gòu)龐大、不便于調(diào)整的問題，提出了圓弧開合式的頂蓋設(shè)計方案，3級頂蓋分布在3個不同的軌道上，弧頂通過同一豎軸聯(lián)接，每級頂蓋可以單獨轉(zhuǎn)動，以滿足設(shè)備模塊、結(jié)構(gòu)模塊及各種部件的吊裝要求。對臨時頂蓋不同工況下的載荷進行計算，基于強度理論確定臨時頂蓋的厚度、質(zhì)量等參數(shù)，最后通過有限元進行載荷仿真分析，得出10 cm厚度的臨時圓弧頂蓋完全可以滿足載荷要求。