劉豪，吳瑞，馮浩志，余潔，羅文廣

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆運(yùn)行與應(yīng)用研究所，成都 610213）

0 引言

輻照裝置主要用于燃料元件、材料等輻照考驗(yàn)試驗(yàn)[1]。完成輻照試驗(yàn)后，將輻照裝置整體出堆，通過(guò)吊裝將燃料元件拔出。輻照裝置吊裝過(guò)程直接影響了燃料元件的安全。

在HFETR堆內(nèi)輻照考驗(yàn)結(jié)束后，燃料元件具有高放射性特點(diǎn)。由于輻照裝置重約600 kg，總長(zhǎng)約9 m，內(nèi)部空間長(zhǎng)徑比達(dá)到160∶1。輻照試驗(yàn)后的燃料元件需要在水池或熱室進(jìn)行表面檢查等，因此吊裝期間輻照裝置需具有較好的垂直度，以避免擦傷燃料元件表面。同時(shí)為盡量降低人員受輻照劑量，輻照裝置上端應(yīng)具有足夠高度的水屏蔽層。為確保吊裝過(guò)程安全、燃料元件的安全性及表面特征的完整，本文進(jìn)行了吊裝工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析優(yōu)化。

1 吊裝工具設(shè)計(jì)技術(shù)

參考《EJ/T 883-2006壓水堆核電廠乏燃料貯存設(shè)施設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》[2]中對(duì)乏燃料貯存裝置要求及輻照裝置吊裝過(guò)程中的垂直度要求提出設(shè)計(jì)要求：1）額定載荷產(chǎn)生的應(yīng)力小于20%抗拉強(qiáng)度；2）吊裝工具支撐基座水平面受載后沿Y向允許偏轉(zhuǎn)角小于0.1°，偏轉(zhuǎn)角δ計(jì)算公式為

式中：τ為工具受載后Y向位移，mm；L為工具受載面長(zhǎng)度，取400 mm。

2 操作工藝及吊裝工具結(jié)構(gòu)

吊裝工具的應(yīng)用對(duì)象為HFTER可拆卸輻照裝置[3]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可拆卸輻照裝置

吊裝工具主要包含支撐基座、高度調(diào)節(jié)部件和法蘭連接部件，如圖2所示。其中高度調(diào)節(jié)部件主要用于輻照裝置高度微調(diào)，使其盡量接近池底，以保證足夠高度的水屏蔽層，高度調(diào)節(jié)范圍為0～500 mm。高度調(diào)節(jié)部件采用減速比為1∶3的直齒輪副及增速比16∶1的滾珠絲杠副作為傳動(dòng)部件，通過(guò)搖動(dòng)手柄提升或下降承載板。材料均選用06Cr19Ni10，其屈服強(qiáng)度為205 MPa，抗拉強(qiáng)度為520 MPa（參考EN/T 883-2006標(biāo)準(zhǔn)中的許用應(yīng)力為104 MPa）。

圖2 專用吊裝工具

燃料元件拔出操作過(guò)程中，主要的吊裝狀態(tài)如圖3所示。在圖3（a）所示吊裝狀態(tài)下，由操作人員拆卸頂部法蘭，取出保護(hù)鼠籠等附件。完成后，利用分流管吊裝工具將分流管組件懸掛后，將燃料元件抓取工具穿過(guò)分流管吊裝工具及分流管組件，抓住燃料元件。在圖3（b）吊裝狀態(tài)下，利用吊裝工具的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整輻照裝置高度，使其盡量接近保存水池池底，然后借助吊車遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)將分流管吊裝工具、燃料組件抓取工具、分流管及燃料組件一并拔出。

圖3 輻照裝置吊裝主要狀態(tài)示意圖

3 吊裝工具結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

吊裝工具中承載部件主要為支撐基座、高度調(diào)節(jié)部件中的傳動(dòng)部件，下文針對(duì)兩處主要承載部件進(jìn)行有限元分析。

3.1 支撐基座結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

由于支撐基座屬于兩點(diǎn)固定懸臂梁，因此該支撐基座為主要承載件。選取無(wú)加強(qiáng)筋、三角加強(qiáng)筋、整體加強(qiáng)筋等3種結(jié)構(gòu)施加額定載荷6 kN進(jìn)行受力分析，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 不同加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.1 有限元模型

有限元模型采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為50 000，節(jié)點(diǎn)數(shù)為170 000。有限元模型中分別對(duì)載荷面施加6 kN的Z向載荷，對(duì)支撐翼板施加固定約束。

3.1.2 結(jié)果分析

由圖7可知，事故工況下，3種結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力分別為72、84、50 MPa，其中無(wú)加強(qiáng)筋和三角加強(qiáng)筋均存在局部應(yīng)力集中。無(wú)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.44。整體加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)在額定載荷下，應(yīng)力分布更加均勻，不存在局部應(yīng)力集中，最大等效應(yīng)力為50 MPa，安全系數(shù)為2.08，為3種結(jié)構(gòu)中安全系數(shù)最高值。

圖5 吊裝工具有限元模型網(wǎng)格劃分

圖6 有限元模型邊界條件

圖7 不同加強(qiáng)筋對(duì)基座mises應(yīng)力的影響

由圖8可知，額定工況下3種結(jié)構(gòu)的Z方向位移差分別為0.7、0.1、0.2 mm，三角加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的Y方向位移差值最小。3種結(jié)構(gòu)均滿足吊裝過(guò)程中對(duì)輻照裝置垂直度的要求。

圖8 不同加強(qiáng)筋對(duì)基座Y方向變形量的影響

3.2 傳動(dòng)部件有限元分析

傳動(dòng)部件中主要包含一對(duì)傳動(dòng)比為3∶1的減速直齒輪及傳動(dòng)比為16∶1的增速滾珠絲杠。滾珠絲杠選取承載1.5 t、導(dǎo)程為16 mm的標(biāo)準(zhǔn)件，其承載能力遠(yuǎn)大于額定工況，因此本文主要進(jìn)行直齒輪受載能力分析，齒輪參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪參數(shù)表

大齒輪轉(zhuǎn)矩T計(jì)算公式為

式中：η為滾珠絲杠效率，取0.9；F為軸向載荷，為6 kN；L為導(dǎo)程。

3.2.1 有限元模型

由于直齒輪副中齒輪軸軸承間距跨度小，因此僅進(jìn)行了齒輪無(wú)偏載情況下的有限元分析。有限元模型采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為153 702，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為472 951，對(duì)小齒輪施加0.6 rad的轉(zhuǎn)角，對(duì)大齒輪施加135 N·m的轉(zhuǎn)矩，如圖9所示。

圖9 直齒輪副有限元模型

3.2.2 結(jié)果分析

由圖10～圖12可以看出，在額定載荷下單齒接觸時(shí)，齒輪齒面接觸應(yīng)力、齒根彎曲應(yīng)力最大，其中小齒輪齒根處等效應(yīng)力最大值為62 MPa，大齒輪齒根處等效應(yīng)力最大值為40 MPa。小齒輪齒面最大等效應(yīng)力為79 MPa，大齒輪齒面最大等效應(yīng)力為121 MPa。

圖10 不同嚙合點(diǎn)小齒輪Mises應(yīng)力

圖11 齒輪副接觸壓力分布

圖12 不同嚙合點(diǎn)大齒輪Mises應(yīng)力

4 結(jié)論

本文根據(jù)燃料元件出堆需求制定了輻照裝置吊裝工藝路線，并根據(jù)該工藝路線設(shè)計(jì)了專用吊裝工具。通過(guò)對(duì)專用吊裝工具進(jìn)行有限元計(jì)算，在未優(yōu)化條件下，原設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.44。通過(guò)分析結(jié)果，對(duì)吊裝工具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了臺(tái)架吊裝過(guò)程、拆卸過(guò)程中的安全系數(shù)，滿足現(xiàn)場(chǎng)吊裝需要。