陳 銳

（中核機(jī)械工程有限公司，上海 201700）

0 引言

田灣VVER-1000 型核電站是中俄兩國(guó)在加深政治互信、發(fā)展經(jīng)濟(jì)貿(mào)易、加強(qiáng)兩國(guó)戰(zhàn)略協(xié)作伙伴關(guān)系方針推動(dòng)下，在核能領(lǐng)域開(kāi)展的高科技合作。繼中俄兩國(guó)成功合作建設(shè)一期工程后，二期工程在一期工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行了必要的設(shè)計(jì)改進(jìn)，進(jìn)一步提高了機(jī)組的安全性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和工程可實(shí)施性。

1 概況

運(yùn)行期間，VVER-1000 型核島反應(yīng)堆裝料為避免意外的游離中性粒子形成中子流向外界輻射，在反應(yīng)堆堆芯豎井設(shè)計(jì)了大型鍛件，將其作為堆芯生物屏蔽及熱屏蔽結(jié)構(gòu)，即堆芯干保護(hù)。堆芯干保護(hù)在核島外進(jìn)行拼裝、填砼、干燥后吊入核島堆腔內(nèi)，并安裝在干保護(hù)支座[1]。

該文主要針對(duì)干保護(hù)整體吊裝進(jìn)行分析論證，利用現(xiàn)場(chǎng)已有的條件對(duì)干保護(hù)吊具進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，為類似空腔設(shè)備專用吊具設(shè)計(jì)及制作提供了可借鑒的設(shè)計(jì)思路。

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

干保護(hù)由上部干保護(hù)和下部干保護(hù)組成，組對(duì)完成后干保護(hù)內(nèi)外徑為Φ5560/Φ6710mm，總高5295mm。干保護(hù)未灌漿前質(zhì)量約為28.5t，灌完蛇紋石混凝土后理論總質(zhì)量約為150t。

1.2 干保護(hù)吊裝問(wèn)題分析

干保護(hù)部件出廠時(shí)未設(shè)置吊耳，田灣核電1、2 號(hào)機(jī)組在干保護(hù)吊裝時(shí)采用了現(xiàn)場(chǎng)焊接吊耳的方式進(jìn)行吊裝，吊裝完成需要切割吊耳進(jìn)行后續(xù)處理。受廠房條件限制，前期焊接易使本體變形，后續(xù)在堆芯內(nèi)處理難度大、周期長(zhǎng)、安全性差。設(shè)計(jì)專用吊耳是解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)平行施工、縮短工期、提高安全性能的主要手段。

2 干保護(hù)專用吊具設(shè)計(jì)方案及力學(xué)分析

2.1 吊具說(shuō)明

干保護(hù)安裝在堆腔內(nèi)，外壁板與堆腔之間的空隙較小，無(wú)法掛設(shè)吊索具，因此吊具只能設(shè)計(jì)在空腔內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，干保護(hù)采用兜底法進(jìn)行吊裝，干保護(hù)專用吊具也基于兜底法吊裝進(jìn)行設(shè)計(jì)。

干保護(hù)吊具主要結(jié)構(gòu)為3 根L=3530mm 的I25b工字鋼，底部焊接尺寸為410mm×260mm、厚度為60mm 的45#鋼板，工字鋼靠近干保護(hù)一側(cè)焊接尺寸為690mm×320mm、厚度為30mm 的Q235 鋼板，側(cè)向鋼板與底部鋼板也采用焊接形式連接。每根工字鋼上部腹板兩側(cè)焊接兩塊尺寸為200mm×400mm、厚度為30mm 的Q235 鋼板作為吊耳板，在鋼板上開(kāi)孔作為吊裝孔。3 根工字鋼之間采用φ133×4 的無(wú)縫鋼管連接（如圖1、圖2所示）。

圖1 干保護(hù)專用吊具主視圖

圖2 干保護(hù)吊具俯視圖

吊裝時(shí)的主要受力點(diǎn)為底部60mm 厚的底板和30mm 的側(cè)板，上部為3 根I25b 工字鋼，每根工字鋼頂部腹板兩側(cè)焊接30mm 厚的吊耳板。

專用吊具主要材料明細(xì)見(jiàn)表1。

表1 專用吊具主要材料明細(xì)

2.2 吊具強(qiáng)度校核

2.2.1 吊具的設(shè)計(jì)載荷

干保護(hù)使用專用吊具后計(jì)算總質(zhì)量約150t，設(shè)計(jì)3 個(gè)吊點(diǎn)，吊索具的長(zhǎng)度取15m，吊點(diǎn)到干保護(hù)中心的距離為2.7m。

吊具的設(shè)計(jì)載荷：吊裝時(shí)動(dòng)載系數(shù)K1取1.1，不均勻系數(shù)K2取1.1，則安全系數(shù)K=K1×K2=1.1×1.1=1.21，取1.3[2]。

吊耳的水平方向分力和豎直方向分力受力分析如公式（1）～公式（4）所示[3]。

式中：T1為吊索具垂直分力；T2為索具垂直分力；T為索具拉力；ɑ為索具受力和中心垂線的夾角。

整個(gè)吊裝過(guò)程中，設(shè)備一直處于直立狀態(tài)，索具長(zhǎng)度不小于15m，吊耳所受的垂直分力最大，等同于吊具的設(shè)計(jì)載荷，以此狀態(tài)對(duì)吊具進(jìn)行校核[3]。

2.2.2 工字鋼強(qiáng)度核算

查《熱軋型鋼》可知，I25b 工字鋼的截面積A=5354mm2，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，厚度為16mm 厚的I25b 工字鋼的設(shè)計(jì)許用拉應(yīng)力[σ]=310MPa。

I25b 工字鋼的拉伸應(yīng)力如公式（5）所示。

式中：T1為吊索具垂直分力；σ為I25b 工字鋼所受實(shí)際拉力；A為工字鋼截面積；[σ]為I25b 工字鋼設(shè)計(jì)許用拉應(yīng)力。

因吊具水平方向采用φ133×4 的無(wú)縫鋼管連接固定，則水平方向的分力T2主要作用在鋼管上，不考慮工字鋼整體的彎曲應(yīng)力。

經(jīng)校核I25b 工字鋼的強(qiáng)度可滿足吊裝要求。

2.2.3 底板強(qiáng)度核算

底板結(jié)構(gòu)形式和尺寸如圖3 所示。為了加強(qiáng)底板的強(qiáng)度，在底板與側(cè)板之間增加8 塊加強(qiáng)板，底板上部2 塊加強(qiáng)板尺寸為300mm×200mm×30mm，加強(qiáng)板與底板之間采用焊接形式連接。底板下部增加6 塊加強(qiáng)板，尺寸為90mm×30mm×30mm。干保護(hù)作用在底板上的垂直力按照均勻分布考慮，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，45#鋼的屈服應(yīng)力[σs]=355MPa，則45#鋼的設(shè)計(jì)許用拉應(yīng)力取=236.67MPa，許用剪切應(yīng)力=236.67MPa，干保護(hù)作用在底板上的力對(duì)底板產(chǎn)生彎曲應(yīng)力及剪切應(yīng)力，剪切力T1=ql，彎曲力Wmax=T1×l/2=637000×90/2=28665000N，其中，l=90mmT1=637000N，

圖3 底板結(jié)構(gòu)示意圖

則底板的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力分別如公式（6）、公式（7）所示。

式中：[σ]為45#鋼的設(shè)計(jì)許用拉應(yīng)力；[τ]為45#鋼的設(shè)計(jì)許用剪切力；T1為底板實(shí)際所受剪切力計(jì)算值；A為底板剖面面積；h為底板厚度。

經(jīng)校核，底板強(qiáng)度滿足吊裝要求。

2.2.4 側(cè)板強(qiáng)度核算

側(cè)板與工字鋼的有效連接高度為600mm，對(duì)側(cè)板的強(qiáng)度核算需要核算側(cè)板水平截面垂直方向的拉應(yīng)力、垂直截面的剪切應(yīng)力。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，厚度在16mm～40mm的Q235 鋼材的設(shè)計(jì)許用拉應(yīng)力[σ]=205MPa，設(shè)計(jì)許用剪切應(yīng)力為[τ]=120MPa，如公式（8）、公式（9）所示。

側(cè)板水平截面垂直方向的拉伸應(yīng)力：

側(cè)板垂直方向的剪切應(yīng)力：

經(jīng)校核，側(cè)板的強(qiáng)度滿足吊裝要求。

2.2.5 吊耳強(qiáng)度計(jì)算

吊耳的設(shè)計(jì)形式如圖4 所示，在工字鋼上部腹板兩側(cè)焊接兩塊200mm×400mm 厚30mm 的Q235 鋼板，在離工字鋼頂部200mm 處開(kāi)φ100mm 的孔作為吊裝孔（滿足85t卸扣連接要求）。則吊耳拉應(yīng)力的危險(xiǎn)截面為過(guò)吊耳孔中心的水平截面，作用力為T(mén)1，剪切應(yīng)力的危險(xiǎn)截面為過(guò)吊耳孔中心的垂直截面，作用力為T(mén)1。

圖4 吊耳設(shè)計(jì)圖及受力分析示意

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可查，厚度在16mm～40mm 的Q235 鋼材的設(shè)計(jì)許用拉應(yīng)力[σ]=205MPa，設(shè)計(jì)許用剪切應(yīng)力為[τ]=120MPa。

吊耳受力計(jì)算如公式（10）、公式（11）所示。

吊耳板的拉伸應(yīng)力：

吊耳板的剪應(yīng)力：

式中：T1為索具在垂直方向的分力；σT為吊耳板的伸縮應(yīng)力；τ為吊耳板的剪切力；A1吊耳板在垂直方向的剖面積；A2為吊耳板在水平方向的剖面積。

因吊耳處采用水平的?133mm×4 的無(wú)縫鋼管連接，吊耳板上的水平分力T2被鋼管抵消，所以不考慮吊耳處的彎曲應(yīng)力。吊耳強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.6 無(wú)縫鋼管強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可查，20#鋼的抗拉應(yīng)力σs=410MPa，則20#鋼的設(shè)計(jì)許用拉應(yīng)力取=273.33MPa，不考慮斜撐受力，水平分力為T(mén)2，指向干保護(hù)中心的3 根無(wú)縫鋼管的強(qiáng)度核算如公式（12）所示。

經(jīng)上述校核，無(wú)縫鋼管的強(qiáng)度滿足吊裝要求。

2.2.7 主要焊縫強(qiáng)度計(jì)算

2.2.7.1 工字鋼下部底板與側(cè)板之間的連接焊縫強(qiáng)度核算

底板焊接如圖5 所示。此受力情況下，底板與側(cè)板之間的連接焊縫受彎曲應(yīng)力，因底板是貫穿于側(cè)板的，剪切應(yīng)力主要集中在底板上，焊縫不受剪切應(yīng)力。45#鋼與Q235 鋼采用E507 焊條進(jìn)行焊接，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》可查，該焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ffw=205MPa，該焊縫強(qiáng)度（計(jì)算時(shí)焊腳高度不考慮余高）的計(jì)算如公式（13）所示。

圖5 底板焊接示意圖

式中：σw為焊縫強(qiáng)度；A為底板剖面強(qiáng)度面積的1/2（底板內(nèi)外滿焊）。

底板焊縫強(qiáng)度滿足要求。

2.2.7.2 工字鋼下部側(cè)板與工字鋼之間的連接焊縫強(qiáng)度核算

側(cè)板與工字鋼之間的兩條焊縫每條焊縫長(zhǎng)度為600mm，側(cè)板寬度為30mm。查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，Q235 鋼材焊接的角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值=160MPa，角焊縫系數(shù)φ取0.7，則單條焊縫的強(qiáng)度計(jì)算如公式（14）所示。

式中：φ為角焊縫系數(shù)；A為側(cè)板和底板接觸面積1/2。側(cè)板焊縫滿足要求。

2.2.8 吊具強(qiáng)度校核結(jié)論

通過(guò)計(jì)算可知，吊具整體強(qiáng)度滿足干保護(hù)吊裝要求，且加強(qiáng)板的設(shè)置進(jìn)一步確保了干保護(hù)專用吊具的整體可靠性。

2.3 吊具模擬試驗(yàn)

根據(jù)計(jì)算，干保護(hù)作用在底板上的應(yīng)力值最大，因此在專用吊具制作前先制作底板的試驗(yàn)件，如圖6 所示。使用千斤頂模擬實(shí)際環(huán)境進(jìn)行靜載試驗(yàn)，靜載試驗(yàn)取設(shè)計(jì)載荷的1.25 倍。

圖6 吊具試驗(yàn)件模擬試驗(yàn)

試驗(yàn)完成后對(duì)試驗(yàn)后的焊縫進(jìn)行目視檢測(cè)、尺寸檢測(cè)、液體滲透檢測(cè)、超聲波檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)合格后才能進(jìn)行正式部件的制作。

因起重機(jī)起吊系統(tǒng)是個(gè)柔性系統(tǒng)，可以減少?zèng)_擊，動(dòng)載荷相對(duì)較小，靜載荷試驗(yàn)已較為保守，并對(duì)專用吊具承載力進(jìn)行了充分的考慮。為降低試驗(yàn)成本及考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，在執(zhí)行相對(duì)嚴(yán)格使用要求的前提下取消動(dòng)載荷試驗(yàn)。

3 干保護(hù)吊具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

田灣VVER-1000 型核電站3、4 號(hào)機(jī)組在干保護(hù)吊裝時(shí)應(yīng)用了該文所述的專用吊具進(jìn)行吊裝，成功完成了3、4 號(hào)機(jī)組兩件干保護(hù)吊裝任務(wù)，充分驗(yàn)證了干保護(hù)專用吊具的安全性和可行性?，F(xiàn)場(chǎng)吊裝情況如圖7 所示。

圖7 干保護(hù)吊裝實(shí)景圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，VVER-1000 型反應(yīng)堆堆芯干保護(hù)吊裝使用專用吊具降低了干保護(hù)吊裝的安全風(fēng)險(xiǎn)，縮短了堆芯主設(shè)備安裝的施工周期，設(shè)計(jì)了一件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、現(xiàn)場(chǎng)易于制作且承載能力強(qiáng)的專用吊具，進(jìn)一步確保了工程的施工安全、經(jīng)濟(jì)和高效，為類似質(zhì)量較大、需要設(shè)計(jì)專用吊具的空腔型設(shè)備吊裝提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。